带你深入了解BLE蓝牙模块工作模式

董浪 2024-07-16 857

电子说

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描述

蓝牙是一种新兴无线通讯技术是一个标准的无线通讯协议，可实现无线数据和语音通信。基于低成本设备的收发器芯片，可做近距离的无线连接，为固定和移动设备监理通信环境的一种近距离无线连接技术。其中，BLE蓝牙模块凭借工业级，低功耗，高性能的特性在民用领域物联网各类设备中稳占一席。

BLE蓝牙模块

BLE蓝牙模块：ZXW BLE蓝牙模块根据蓝牙标准分为4.0BLE蓝牙模块、4.2BLE蓝牙模块、5.0BLE蓝牙模块、5.2BLE蓝牙模块，目前基于BLE蓝牙模块的成熟方案有智能灯控方案、智能锁方案、MAC地址二维码扫描打印方案、以及基于蓝牙的室内定位方案。目前BLE蓝牙模块已经广泛应用于定位标签，资产跟踪，运动及健身传感器，医疗传感器，智能手表，遥控器，玩具等产品中。尤其蓝牙5.0是针对物连网、智能家电、穿戴设备规范所制定的技术规范，在这些领域领先WiFi。

BLE蓝牙模块的工作原理

1、蓝牙模块主从关系

蓝牙技术规定每一对设备之间进行蓝牙通讯时，蓝牙模块必须一个为主角色，另一蓝牙模块为从角色，才能进行通信，通信时，必须由主端进行查找，发起配对，建链成功后，双方即可收发数据。一个具备蓝牙通讯功能的设备，可以在两个角色间切换，平时工作在从模式，等待其它主设备来连接，需要时，转换为主模式，向其它设备发起呼叫。一个蓝牙设备以主模式发起呼叫时，需要知道对方的蓝牙地址，配对密码等信息，配对完成后，可直接发起呼叫。

2、蓝牙模块呼叫过程

蓝牙主端设备发起呼叫，首先是查找，找出周围处于可被查找的蓝牙设备。主端设备找到从端蓝牙设备后，与从端蓝牙设备进行配对，此时需要输入从端设备的PIN码，也有设备不需要输入PIN码。

配对完成后，从端蓝牙设备会记录主端设备的信任信息，此时主端即可向从端设备发起呼叫，已配对的设备在下次呼叫时，不再需要重新配对。已配对的设备，做为从端的蓝牙耳机也可以发起建链请求，但做数据通讯的蓝牙模块一般不发起呼叫。

链路建立成功后，主从两端之间即可进行双向的数据或语音通讯。在通信状态下，主端和从端设备都可以发起断链，断开蓝牙链路。

3、蓝牙数据传输

蓝牙数据传输应用中，一对一串口数据通讯是最常见的应用之一，蓝牙模块在出厂前即提前设好两个蓝牙模块之间的配对信息，主端预存有从端设备的PIN码、地址等，两端设备加电即自动建链，透明串口传输，无需外围电路干预。

一对一应用中从端设备可以设为两种类型，一是静默状态，即只能与指定的主端通信，不被别的蓝牙设备查找；二是开发状态，既可被指定主端查找，也可以被别的蓝牙设备查找建链。

BLE蓝牙模块工作模式

蓝牙设备在各种应用场景扮演着不同的角色，而蓝牙应用场景与其工作模式息息相关。BLE蓝牙模块一共有两个主要工作角色，分别是主机和从机，其中做主机的蓝牙模块又分为扫描者，发起连接者和数据客户端，而做从机的蓝牙模块又分为广播者，被动连接者和数据服务器。

BLE蓝牙模块有7个主要工作模式，分别是工程师最为熟悉的主机模式，从机模式，主从一体，广播者，观察者，iBeacon模式，Mesh组网模式。

1、主机模式

负责扫描并发起建立请求的设备，可以和一个或多个从设备进行连接通信

定期的扫描周围的广播状态设备发送的广播信息，可以对周围设备进行搜索并选择所需要连接的从设备进行配对连接；

需要知道从设备的mac地址，配对密码等信息，配对完成后，可直接连接，建立通信链路成功后，主从双方就可以发送接收数据；

主设备可以设置默认连接从设备的mac地址；

支持白名单功能，模块搜索到符合白名单的设备时就进行连接；

主设备找到从设备后，与从设备进行配对，此时需要输入从设备的PIN码；

主从透传协议相同时，只需通过简单的参数设置，即可实现主设备串口与从设备串口之间的数据透传；

支持断线重连功能，当异常干扰问题消失，模块工作环境恢复正常，主设备会自动搜索刚刚断连的从设备，尽可能减少数据的丢失，提高系统稳定性。

2、从机模式

负责广播并接受连接请求的设备，不能主动的建立连接，智能等待别人来连接

从设备首先进入广播状态，等待被主机搜索，当主机扫描到从设备建立连接后，就可以和主机设备进行数据的收发；

从设备模式的蓝牙模块是可以被连接的，定期的和主机进行连接和数据传输，在数据传输过程中作从机；

一对一应用中从设备可以设为两种类型，一是静默状态，即只能与指定的主设备通信，不被别的蓝牙设备查找；二是开发状态，既可被指定主设备查找，也可以被别的蓝牙设备查找后建立连接；

从设备模式下，用户可以根据协议自己开发APP。此模式下包含一个串口收发的Service，用户可以通过UUID找到它，里面有两个通道，分别是读和写。用户可以操作这两个通道进行数据的传输；

在通信状态下，主设备和从设备都可以发起断链，即断开蓝牙链路。

3、主从一体工作模式

可以同时作为主设备和从设备，在蓝牙4.1协议规范后，添加了“链路拓扑”的功能，发挥中继器的作用

蓝牙模块允许同时作为主设备和从设备，在任何角色组合中操作；

外围的从节点设备信息可以不局限在本地保存，通过主从一体的蓝牙模块发挥中继器的作用，搜集后上传给云端或集中控制器保存或显示；

主从一体额外增加了蓝牙模块的功能，成本优化和易用性；如果蓝牙模块以前在封闭系统中作为主设备工作，那现在还可以同时作为从机连接到智能手机，从而实现新的连接维度；

4、广播者工作模式

蓝牙4.0以上设备必须支持的功能，一对多发送，周期性的向周围设备广播固定长度数据，向外广播自己的mac地址，名称以及支持的特性，主要是用于被其他的设备发现，而不是进行数据发送

模块可以在低功耗的模式下持续的进行广播，应用于极低功耗，小数据量，单向传输的应用场合。蓝牙广播通道的重要功能就是是用于发现设备，发起连接和发放数据；

蓝牙的广播一般是向外广播自己的mac地址、名称以及支持的特性，广播主要是用于被其它的设备发现，而不是进行数据发送的；

广播数据包有两种：广播包（Advertising Data）和响应包（Scan Response），其中广播包是每个设备必须广播的，而响应包是可选的，每个包长度都是固定字节N，数据包的长度N随着蓝牙协议的标准提高而扩容；

广播模式主要有两种使用场景：（1）单一方向的、无连接的数据通信，数据发送者在广播信道上广播数据，数据接收者扫描、接收数据；广播者”将用作服务器。（2）面向连接的建立，如蓝牙从设备广播消息后由主设备搜索到后进行连接，广播者和从设备模式的唯一区别是不能被主机连接，只能广播数据。

5、观察者工作模式

一对多接收监听和读取空中的广播数据不能发起数据，只能持续扫描从机

观察者模式，该模式下模块为非连接；

应用于数据采集集中器的应用场合，如传感器集中器采集等功能；

蓝牙网关，蓝牙模块处于观察者模式，无广播，它可以扫描周围的广播设备，但不能要求与广播设备连接。

6、iBeacon工作模式

蓝牙4.0规范的基础上发展而来的微定位技术，低功耗的蓝牙信标，使用的是BLE技术，一种广播模式，同时它也是拥有这个协议的一款低功耗蓝牙设备（从机），工作在广播模式，向周围进行联系下广播，所有广播数据在特定规则下进行排列

工作在广播模式，利用的是BLE中名为“通告帧”（Advertising）的广播帧。通告帧是定期发送的帧，只要是支持BLE的设备就可以接收到；

广播的发射功率可以调整，不停的广播蓝牙设备的mac地址、UUID等固定字节的字符串等信息，接收到该字符串应用软件会根据该字符串采取一些措施；

不能和任何低功耗蓝牙主机进行连接，通常是放在室内的某个固定位置，借此向周围进行连续性广播，所有广播数据在特定规则下进行排列。

7、Mesh组网工作模式

兼容4及5系列蓝牙协议,实现“多对多”的设备通信，大规模组网,每个网络可以连接理论最大65536个节点,不需要网关，每一个节点都可以作为AP和路由器

把蓝牙设备作为信号中继站，利用低功耗蓝牙广播的方式进行信息收发，蓝牙Mesh技术拓展了蓝牙的通讯关系，打破了以往蓝牙设备只能够主从一对一、广播一对多通信的限制，使网络内的蓝牙设备可以实现“多对多”的设备通信；

通信时，当某个节点损坏或者堵塞时，可以自动绕过该节点，重新选择路径达到目的地，可以让网络更高效可靠；每个节点都可以发送、接收、转发消息。消息可以在Mesh网络中被转发从而到达更远的距离；

在智能家居、智能建筑等众多领域具有应用优势，蓝牙Mesh技术将成为物联网短距离规模组网的最优方案。

目前蓝牙技术已被广泛应用于智能家居、消费电子、智慧医疗、汽车、智能穿戴设备和智能建筑设备在内的所有物联网智能产品中，加速人与万物互动的步伐。应用在物联网领域内的蓝牙模块基本都属于低功耗蓝牙模块，除上述应用外，蓝牙模块还可应用于家庭物联网、车辆控制、彩灯控制方案、楼宇管理、超市商品Beacon推广等领域。

审核编辑黄宇

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