一、蓝牙概述

蓝牙是一种短距离通信的无线电技术。特点：
1.分散式网络结构
2.点对点或多点通信
3.快跳频和短包技术
4.工作在2.4GHz ISM（工业，科学，医学缩写）频段
5.时分全双工传输

蓝牙4.0规范（2012年）开始支持低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy，BLE），低功耗运行和待机可以使得一颗纽扣电池运行一年。实际上，从蓝牙4.0开始支持传统蓝牙、低功耗蓝牙和高速蓝牙的技术融合，具有低功耗、经典和高速三种模式，低功耗模式用在不需占用太多带宽的设备连接，经典模式用以信息沟通、设备连接，高速模式主要用来数据交换与传输。有效距离在100米内，速度在24Mbps。

蓝牙4.1规范（2013年）进一步降低功耗，提高传输效率，加入IoT（Internet of Things）思想，可以同时作为发送和传输角色、互联多个节点，加入了IPv6的上网支持。

蓝牙4.2规范（2014年）加强了物联网部分，支持IPv6/6LoWPAN或Bluetooth Smart网关，具有更高的传输速度及安全节能性能。

蓝牙5.0规范（2016年）提高了低功耗性能，低功耗有效距离可达300米，是蓝牙4.2低功耗版本的4倍；具有定位辅助功能，结合wifi可以实现1米内定位。

二、蓝牙基本架构：

1.底层硬件模块
（1）无线射频模块（Radio）：蓝牙最底层，带微带天线，负责数据接收和发送。
（2）基带模块（BaseBand）：无线介质访问约定。提供同步面向连接的物理链路（SCO）和异步无连接物理链路（ACL），负责跳频和蓝牙数据及信息帧传输，并提供不同层次的纠错功能（FEC和CTC）。
（3）链路控制模块（LC）：蓝牙数据包的编码和解码。
（4）链路管理模块（LM）：负责创建、修改和发布逻辑链接，更新设备间物理链接参数，进行链路的安全和控制。
（5）主机控制器接口（HCI）：是软硬件接口部分，由基带控制器、连接管理器、控制和事件寄存器等组成；软件接口提供了下层硬件的统一命令，解释上下层消息和数据的传递。硬件接口包含UART、SPI和USB等。

2.中间协议层
（1）逻辑链路控制与适配协议（L2CAP）：蓝牙协议栈的基础，也是其他协议实现的基础。向上层提供面向连接和无连接的数据封装服务；采用了多路技术、分割和重组技术、组提取技术来进行协议复用、分段和重组、认证服务质量、组管理等行为。
（2）音视频发布传输协议（AVDTP）和音视频控制传输协议（AVCTP）：二者主要用于Audio/Video在蓝牙设备中传输的协议，前者用于描述传输，后者用于控制信号交换的格式和机制。
（3）服务发现协议（SDP）：蓝牙技术框架至关重要一层，所有应用模型基础。动态的查询设备信息和服务类型，建立一条对应的服务通信通道，为上层提供发现可用的服务类型和属性协议信息。
（4）串口仿真协议（RFCOMM）：实现了仿真9针RS232串口功能，实现设备间的串行通信。
（5）二进制电话控制协议（TCS）：基于 ITU-T Q.931 建议的采用面向比特的协议，它定义了用于蓝牙设备之间建立语音和数据呼叫的控制信令（Call Control Signalling），并负责处理蓝牙设备组的移动管理过程。

蓝牙Profile：
Bluetooth Profile是蓝牙设备间数据通信的无线接口规范。目前有四大类、十三种协议规则，厂商可以自定义规格。几种最常见的Profile文件：
（1）通用访问配置文件（GAP）：其他所有配置文件的基础，定义了在蓝牙设备间建立基带链路的通用方法，并允许开发人员根据GAP定义新的配置文件。包含所有蓝牙设备实施的功能，发现和连接设备的通用步骤，基本用户界面等通用操作。
（2）服务发现应用配置文件（SDAP）：描述应用程序如何用SDP发现远程设备服务，可与向/从其他蓝牙设备发送/接收服务查询的SDP连接。
（3）串行端口配置文件（SPP）：基于ETSI TS 07.10规格定义如何设置虚拟串行端口及如何连接两个蓝牙设备。速度可达128kb/s。
（4）通用对象交换配置文件（GOEP）：可以将任意对象（如图片、文档等）从一个设备传输到另一个设备。

Profile框架：
Profile（一种规范）包含若干Service（一个服务）及其他项，Service包含若干Characteristic（一个标签），Characteristic包含一个value和若干descriptor。descriptor是被定义的attribute。每个attribute属性被UUID（通用唯一标识符）唯一标识，UUID是标准128-bit格式的ID用来唯一标识信息。attributes 被ATT格式化characteristics和services形式进行传送。如下图所示：

具体请参考nrf51822蓝牙笔记之GAP（通用属性配置文件）解读 - 一颗偏执的心 - 博客频道 - CSDN.NET。
TI UUID参考：http://processors.wiki.ti.com/images/a/a8/BLE_SensorTag_GATT_Server.pdf

Android蓝牙代码使用参考：Bluetooth Low Energy–蓝牙低功耗 3.应用层协议
也叫选用协议层，包含PPP、TCP、TP、UDP、OBEX、IrMC、WAP、WAE等协议。

（1）对象交换协议（OBEX）：支持设备间数据交换，采用客户/服务器模式提供与 HTTP（超文本传输协议）相同的基本功能。定义了可用于交换的电子商务卡、个人日程表、消息、和便条等格式。

（2）无线应用协议（WAP）：数字蜂窝电话和其它小型无线设备上实现因特网业务。支持移动电话浏览网页、收取电子邮件和其它基于因特网的协议。

（3）无线应用环境（WAE）：WAP电话和个人数字助理。

三、蓝牙协议栈层次

1.物理层（PHY）

射频传输
2.链路层（LL）

控制射频状态，包括等待、广告、扫描、初始化、连接
3.主机控制接口层（HCI）

主机和控制器通信接口
4.逻辑链路控制及适配协议层（L2CAP）

提供数据封装服务，允许逻辑上点对点通信
5.安全管理层（SM）

加解密，为安全连接和数据交换提供服务
6.属性协议层（ATT）

允许设备（服务器）向另一个设备（客户端）展示特定的数据（属性）。
7.通用属性配置文件层（GATT）

定义了使用ATT的服务框架，两个建立连接的设备之间的所有数据通信都是通过GATT子程序处理。
8.通用访问配置文件层（GAP）

对所有蓝牙设备提供共同的功能，如传输模式和访问程序、协议和应用描述。GAP服务包含设备发现、连接模式、安全、认证、联合模型和服务发现。

以上具体参考蓝牙小故事 - 知乎专栏

四、蓝牙传输过程

1.主从机建立过程如下图：

2.主从通信透传模块

分为主透传协议模块（MTTM）和从透传协议模块（STTM）。
MTTM可以工作在透传模式（TTM）和指令模式（CM），工作如下：用户通过AT指令控制模块连接从设备。在成功建立链接后，MTTM自动查找从设备的透传通道，如果从设备属于STTM，MTTM默认进入TTM，否则进入CM。
透传模式，目的是实现透传或直驱控制功能，主机CPU可以通过通用串口模块与STTM双向通信，MTTM直接将数据转发给STTM，再从STTM串口输出到从机CPU。反向亦可。

3.蓝牙HID协议传输

HID定义了在人机接口设备中的协议、特征和使用规程。应用包含蓝牙鼠标、蓝牙键盘和蓝牙游戏手柄等。

（1）Bluetooth HID Reports：Input，Output，Feature
（2）Bluetooth HID Channels：Control Channel（分为ACK和UNACK），Interrupt
Channel（分为中断in和中断out）
（3）Bluetooth HID Protocol Modes：Report Protocol Mode，Boot Protocol Mode
HID Message大小不能超过L2CAP的MTU大小，Message Header格式如下图：

HANDSHAKE：用于SET_REPORT/SET_IDLE/SET_PROTOCOL请求告知

HID_CONTROL：控制Bluetooth HID设备状态改变

GET_REPORT：Bluetooth HID Host 向Bluetooth
HID设备的请求传输

SET_REPORT：Bluetooth HID Host向Bluetooth
HID设备的发起传输

GET_PROTOCOL：用来获取Bluetooth HID设备的Protocol Mode，然后Bluetooth HID设备响应一个data来说明Protocol Mode

SET_PROTOCOL：用来设置Bluetooth HID设备的Protocol Mode

DATA：代表一个HID数据负载
传输过程如下图所示：

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