蓝牙：近距离通信之王
倪俊杰
编者按：蓝牙作为最常见的无线通信技术之一，已经被广泛应用在智能穿戴、数码产品、智能家居、车载系统、安防设备、远程遥控等产品中，是名副其实的近距离通信之王。不可否认，我们已经离不开蓝牙了。那么，你真的了解蓝牙吗？蓝牙是什么时候产生的？有哪些类型？它的工作原理是什么？本期及下期，我们一起来探讨这些问题。
● “蓝牙”的由来
大约在20世纪90年代左右，以Intel、Ericsson和Nokia为代表的通信公司，对短距离无线通信传输的市场非常看好，认为需要一个统一的标准来规范，并且组建了一个特别兴趣小组（Special Interest Group，简称SIG）来推进这项通信技术的发展。这个特别小组就是蓝牙技术联盟的前身，其目标是开发一个成本低、效益高，可以在短距离范围内随意无线连接的技术标准。一开始，各家公司提出了不同的提案，且名称代号都不一样，这样就难以推行开来。而将“蓝牙”与后来的无线通信技术标准关联在一起的，是一位来自英特尔的工程师Jim Kardach。他在一次无线通信行业会议上，提议将“Bluetooth”作为无线通信技术标准的名称，之后，“蓝牙”一词开始流行。
蓝牙（Bluetooth）一词，最早取自10世纪丹麦国王哈洛德·布美塔特（Harald Blatand）的绰号—Bluetooth。据说这位国王非常厉害，他将挪威、瑞典和丹麦统一起来，并且口齿伶俐、善于交际。而蓝牙技术也是被定义为允许不同工业领域之间协调工作、保持各系统领域间良好交流的技术，因此，使用Bluetooth来表示非常适合。相比于其他包括无线技术红外、无线2.4G、Wi-Fi等技术来说，蓝牙具有加密措施完善、传输过程稳定以及兼容设备丰富等诸多优点。目前，蓝牙符号也源自北歐卢恩符文“H”和“B”的合体（Harald Bluetooth）（如图1）。
● 蓝牙技术的发展历程
蓝牙技术一路走来，经历了多个版本的迭代。从最初的1.0到最新的5.0，蓝牙技术发生了巨大变化，其性能也在不断增强。
1.蓝牙1.0及以上版本
1994年，爱立信研究出了在移动电话和其他配件间进行低功耗、低成本无线通信连接的方法，以此作为RS232数据线的替代方案。1999年，SIG在此基础上发布了蓝牙1.0。蓝牙1.0的版本容易受到同频率的产品干扰，影响通信质量。蓝牙1.1和1.2的传输率约在748～810kbps。蓝牙1.2发布后，速度提升很多的Bluetooth2.0的规范也诞生了，该标准可以让无线传输速度提升到一个新的级别。
2.蓝牙2.0及以上版本
蓝牙2.0是蓝牙1.2版本的改良提升版，其传输率约在1.8～2.1Mbps，可以有双工的工作方式，既可以语音通信，也可以传输图片等数据。蓝牙2.0标准与蓝牙1.2标准的差别很大，改进也很多。例如，蓝牙2.0标准能够提高3倍数据传输速度，理想情况下更可高达10倍，全面支持每秒4M、8M和12M的传输速率;蓝牙2.0标准的能耗也大大降低，可以在电力一定的基础上运转更长时间;另外，还大大增加了连接设备的数量。蓝牙2.0标准除了软件上的改革，蓝牙2.0标准还针对硬件总线结构的革新来提升传输速度，从而在本质上提高了数据传输速度。
蓝牙2.1在很多地方做了技术改进。例如，蓝牙2.1将装置之间相互确认的信号发送时间间隔从旧版的0.1秒延长到0.5秒左右，如此可以让蓝牙芯片的工作负载大幅降低，让蓝牙有更多的时间彻底休眠。根据官方报告，采用此技术之后，蓝牙装置在开启蓝牙联机之后的待机时间可以有效延长5倍以上。再如，蓝牙2.1支持通过NFC（Near Field Communication，近场通信）进行配对，只需要将两个蓝牙设备靠近，按下一个键就可以配对，配对密码将通过NFC进行传输，无需手动输入。两个设备中一个必须内置主动NFC芯片，另一个内置被动NFC芯片，即可实现无人为干扰和操作的自动配对。这种方式大大简化了蓝牙设备的日常使用，不过正是由于免除了配对验证的过程有可能带来的蓝牙沟通的安全隐患，所以，蓝牙2.1标准中也针对安全进行了很大的改善，使我们在无人操作自动配对的情况下依然可以安全访问资源，不会造成隐私信息的随意泄露。
3.蓝牙3.0及以上版本
2009年4月，蓝牙技术联盟（Bluetooth SIG）正式颁布了新一代标准规范“蓝牙核心规范3.0版高速”（Bluetooth Core Specification Version 3.0 High Speed），蓝牙3.0的核心是AMP（Generic Alternate MAC/PHY），这是一种全新的交替射频技术，允许蓝牙协议栈针对任一任务动态地选择正确射频。作为新版规范，蓝牙3.0的传输速度自然会更高，而秘密就在802.11无线协议上。通过集成“802.11PAL”（协议适应层），蓝牙3.0的数据传输率提高到了24Mbps左右（可在需要的时候调用802.11Wi-Fi用于实现高速数据传输），是蓝牙2.0的8倍，可以轻松用于录像机、高清电视、计算机等设备之间的资料传输。在功耗方面，通过蓝牙3.0高速传送大量数据自然会消耗更多电量，但由于引入了增强电源控制（EPC）机制，再辅以802.11的支持，实际空闲功耗会明显降低，蓝牙设备的待机耗电问题有望得到初步解决。
4.蓝牙4.0及以上版本
蓝牙4.0是2012年发布的版本，较蓝牙3.0版本有更省电、成本低、3毫秒低延迟、超长有效连接距离、AES-128加密等优势，通常用在蓝牙耳机、蓝牙音箱等设备上。蓝牙4.0实际是个三位一体的蓝牙技术，它将传统蓝牙、低功耗蓝牙和高速蓝牙技术融合在一起，这三个规格可以组合或者单独使用。这三种协议规范能够互相组合搭配，从而适应更广泛的应用模式。正因为有了三种可以互相组合搭配的协议，蓝牙4.0才成为唯一一个综合协议规范，它有着极低的运行和待机功耗。蓝牙4.0版本的功耗较老版本降低了90%，强化了蓝牙在数据传输上的低功耗性能。此外，蓝牙4.1设备可以同时作为发射方和接受方，并且可以连接到多个设备上。
5.蓝牙5.0及以上版本
蓝牙5.0发布于2016年6月，增加了针对物联网的支持。蓝牙5.0相较于蓝牙4.2LE主要有“2倍速度、4倍距离、8倍广播数据传输量”的优势。2倍速度是指蓝牙5.0的传输速率达到了24Mbps，是蓝牙4.2LE的两倍;4倍距离是指蓝牙5.0的传输的有效距离是上一版本的4倍，理论上蓝牙发射和接收设备之间的有效工作距离可达300米，结合Wi-Fi技术可以实现精度小于1米的室内定位;8倍广播数据传输量是指蓝牙5.0允许无需配对接受信标的数据，如广告、Beacon、位置信息等，这一传输率提高了8倍。当然，蓝牙5.0又大大降低了蓝牙的功耗，使人们在使用蓝牙的过程中再也不必担心待机时间短的问题。目前最新版的蓝牙5.1，加入了测向功能和厘米级的定位服务，该功能能使室内的定位变得更加精准，并在小物体的位置上也能准确定位，避免物品遗失。
● 蓝牙技术的工作原理
蓝牙设备使用无线电波（而非电线或电缆）连接手机和计算机。当蓝牙设备之间想要相互交流时，它们需要进行配对，当网络环境创建成功，一台设备作为主设备，而所有其他设备作为从设备。蓝牙设备之间的通信就是在短程的临时网络（指设备使用蓝牙技术连接而成的网络）中进行。常见的蓝牙技术有三种，分别是BR/EDR（基本速率/增强数据率技术）技术、BLE（低功耗技术）和融合上述两种技术的双模式技术。其中，BR/EDR技术能够建立相对短程、持续的无线连接，是播放音频流的理想之选，一般用于扬声器和耳机等产品;而BLE技术允许快速进行相对远程的无线连接，为不需持续连接且所需电池寿命长的物联网（IoT）应用的理想选择，常用于市面上的最新产品中，如手环、Beacon感应器（通过蓝牙技术发送数据的小型发射器）和智能家居设备。
1.蓝牙的系统构成
蓝牙技术核心系统包括无线射频单元、基带与链路控制单元及蓝牙协议堆栈三个方面（如图2）。该系统可以提供设备连接服务，并支持在这些设备之间交换各种类别的数据。
（1）无线射频单元。主要负责数据和语音的发送和接收，特点是短距离、低功耗。蓝牙天线一般体积小、重量轻，属于微带天线。
（2）基带与链路控制单元。进行射频信号与数字或语音信号的相互转化，实现基带协议和其他的底层连接规程。还有一个链路管理，负责管理蓝牙设备之间的通信，实现链路的建立、验证、链路配置等操作。
（3）蓝牙协议堆栈。蓝牙协议相对复杂，蓝牙协议体系中的协议按SIG的关注程度分为四层（如上页图3）：①核心协议，包含BaseBand、LMP、L2CAP、SDP等;②电缆替代协议，包含RFCOMM;③电话传送控制协议，包含TCS-Binary、AT命令集;④选用协议，包含PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP、vCard、vCal、IrMC、WAE等。除上述协议层外，规范还定义了主机控制器接口（HCI），它为基带控制器、连接管理器、硬件状态和控制寄存器提供命令接口。
蓝牙核心协议由SIG制定的蓝牙专用协议组成。绝大部分蓝牙设备都需要核心协议（加上无线部分），而其他协议则根据应用的需要而定。总之，电缆替代协议、电话控制协议和其他可能被采用的协议在核心协议基础上构成了面向应用的协议。
2.蓝牙的硬件接口
一般来说，数据传输的接线方式，大体上就是两种：一种是并行接口，另一种是串行接口。并行接口是用并行方式来传输数据的接口。数据通过并行线进行传送，这样数据传送速度大大提高，但并行传送的线路长度受到限制，因为长度增加，干扰也会增加，数据也就容易出错。串行接口是指数据在有限的几个IO上按照顺序，一位一位地进行传输。这类接口有很多，一般包括UART、IIC、SPI、CAN、USB等。
蓝牙与主控部分硬件接口比较简单，主要分三部分，如图4所示。
（1）UART部分，是串行接口：主要负责数据传输;有其他USB、SDIO、PC card等通信，全称是通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），硬件接口比较简单，只有RX、DX。UART0用于trout芯片的debug：是传输数据的接口，可以传输音频数据和文件数据。当通过蓝牙和别人互传文件时，就用UART传输。数据传输如下页图5所示：Application Processor应用处理器（简称AP）通过UART把数据发送到BT芯片中，再通过无线发射出去，对方接收到后继续传给AP处理。当用蓝牙耳机听音乐时，音频信号也由UART传输。音乐数据通过UART传送出去，对方耳机接收到后解码播放。如果是录音数据，则同样传回手机端存储。
（2）PCM部分，语言接口：主要用于通话时语音数据传输;全称是脉冲编码调制（Pulse Code Modulation），是传输语音信号所使用的调制方式。其主要用途是傳输通话时的语音信号。脉冲调制就是把一个时间连续、取值连续的模拟信号变换成时间离散，取值离散的数字信号后在信道中传输。脉冲编码调制就是对模拟信号先抽样，再对样值幅度量化、编码的过程。一个模拟信号经过抽样量化后，得到已量化的脉冲幅度调制信号，它仅为有限个数值。对于打电话来说，规定抽样率是8KHz，每抽样值编码8位，即共有28=256个量化值。
（3）Power部分：是BT模块的电源控制部分，这是程序对应引脚按Power on/off时序来完成on/off操作。同其他硬件一样，这也是通过时序控制的。
● 蓝牙技术的应用领域
蓝牙技术在20多年来得到了快速发展，在许多领域都有应用，广泛应用于电子产品或物联网设备中，如手机、笔记本电脑、平板电脑等设备，还可以在微波炉、洗衣机、电冰箱等传统家用电器中应用。
1.蓝牙在手机（平板电脑）中的应用
在手机（平板电脑）中，蓝牙的作用主要包含传输文件、共享网络、传输信号等。第一，在网络还没有那么发达的时候，使用手机蓝牙来传输文件是非常方便的，可以用来传输手机中的照片、视频、通讯录等数据;第二，手机蓝牙也可以用来实现网络共享，只需要用蓝牙连接两部手机之后，通过蓝牙共享网络就能够实现手机网络共享;第三，手机使用蓝牙来传输信号，如无线蓝牙耳机，就是用蓝牙来传输手机的声音信号;第四，使用共享单车时，可以使用手机蓝牙进行解锁。
2.蓝牙在笔记本电脑中的应用
现在笔记本电脑上都会有蓝牙，通过蓝牙可以实现电脑+手机、电脑+电脑、电脑+其他设备的连接，以此来传输文件。如果需要连接蓝牙，可以在电脑系统的右下角状态栏中设置“添加设备”（如果是Win10操作系统，可以在右下角的通知中心下方开启），就可以搜索到其他已经打开的蓝牙设备了。特别是电脑连接外接设备，如鼠标、键盘、耳机、音响等，都是非常实用的。
3.蓝牙在物联网设备中的应用
蓝牙技术可以减少和其他无线通信技术之间存在的干扰，帮助设备在复杂的物联网环境中与其他无线设备并存，在物联网应用中有着重要的地位。例如，智能音箱作为智能家居的控制中枢，通过Wi-Fi、蓝牙等无线连接协议，能够实现语音交互操作、语音唤醒及其他拓展应用。特别是蓝牙5的到来，能够传输更远，速度更快，还包括更大的传输容量，使得蓝牙技术为智能家居、智能工业等物联网应用注入了一股新鲜血液。
上述内容介绍了蓝牙的发展历程、工作原理以及在不同领域的应用，让大家对蓝牙技术有了基本的了解。在下一期，我们将继续讨论蓝牙技术的应用，敬请期待！
