蓝牙技术介绍

1. 蓝牙概述

蓝牙，是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术，能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路

“蓝牙” 这名称来自10世纪的丹麦国王哈拉尔德 (Harald Gormsson) 的外号。出身海盗家庭的哈拉尔德统一了北欧四分五裂的国家，成为维京王国的国王。 由于他喜欢吃蓝莓， 牙齿常常被染成蓝色，而获得“蓝牙”的绰号，当时蓝莓因为颜色怪异的缘故被认为是不适合食用的东西，因此这位爱尝新的国王也成为创新与勇于尝试的象征。 1998年，爱立信公司希望无线通信技术能统一标准而取名“蓝牙” 。蓝牙按照支持协议划分，可分为以下两种：

  • 经典蓝牙：Classic Bluetooth，泛指支持蓝牙协议在4.0以下的模块，一般用于数据量比较大的传输，如：语音、音乐等较高数据量传输。经典蓝牙模块可再细分为：传统蓝牙模块和高速蓝牙模块。传统蓝牙模块在2004年推出，主要代表是支持蓝牙2.1协议的模块，在智能手机爆发的时期得到广泛支持。高速蓝牙模块在2009年推出，速率提高到约24Mbps，是传统蓝牙模块的八倍，可以轻松用于录像机至高清电视、PC至PMP、UMPC至打印机之间的资料传输

  • 低功耗蓝牙：Bluetooth Low Energy，是指支持蓝牙协议4.0或更高的模块，也称为BLE模块，最大的特点是成本和功耗的降低，应用于实时性要求比较高的产品中，比如：智能家居类（蓝牙锁、蓝牙灯）、传感设备的数据发送（血压计、温度传感器）、消费类电子（电子烟、遥控玩具）等

蓝牙4.0以上的模块包含两个蓝牙标准，包含经典蓝牙部分和低功耗蓝牙部分。

蓝牙4.0、经典蓝牙和低功耗蓝牙之间的兼容性如下图示：

蓝牙开发|蓝牙技术介绍_传统蓝牙
蓝牙与其他通信技术的比较：
蓝牙开发|蓝牙技术介绍_物联网_02

2. 蓝牙技术变迁史

蓝牙开发|蓝牙技术介绍_数据_03

第一代蓝牙： 关于短距离通讯早期的探索

  • 1999 年：蓝牙 1.0，早期的蓝牙存在多种问题，推出以后并未受到广泛的应用

  • 2001 年：蓝牙 1.1，正式列入 IEEE 802.15.1 标准，但是容易受到同频率之间产品干扰，影响通讯质量

  • 2003 年：蓝牙 1.2，完善了安全性问题，增加了AFH、eSCO、快连、支持Stereo 音效传输要求这四项新功能

  • 代表作：爱立信第一台蓝牙手机 T39mc

第二代蓝牙： 发力传输速率的 EDR 时

  • 2004 年：蓝牙 2.0，使用了EDR技术，增加了连接设备的数量，提高了传输率，支持双工模式

  • 2007 年：蓝牙 2.1，新增了省电功能以及SSP简易安全配对功能，改善了配对体验，提升了使用和安全强度，且支持 NFC 近场通信

  • 代表作：以蓝牙与无线耳机沟通的 Sony Ericsson P910i PDA 手机

第三代蓝牙： High Speed，传输速率高达 24Mbps

  • 2009 年：蓝牙 3.0，新增了可选技术 High Speed，可以使蓝牙调用 802.11 WiFi 用于实现高速数据传输，传输率高达 24Mbps，是蓝牙 2.0 的 8 倍，使用了AMP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；引入了 EPC 增强电源控制技术，再辅以 802.11，实际空闲功耗明显降低；还加入 UCD 单向广播无连接数据技术，提高了蓝牙设备的相应能力

  • 代表作：蓝牙适配器

第四代蓝牙： 主推“Low Energy”低功耗

  • 2010 年：蓝牙 4.0，是第一个蓝牙综合协议规范，将三种规格集成在一起。其中最重要的变化就是 BLE（Bluetooth Low Energy）低功耗功能，提出了低功耗蓝牙、传统蓝牙和高速蓝牙三种模式：“高速蓝牙 ”主攻数据交换与传输；“传统蓝牙 ”则以信息沟通、设备连接为重点；“低功耗蓝牙 ”以不需占用太多带宽的设备连接为主，功耗较老版本降低了 90%。

  • 2013 年：蓝牙 4.1，支持与 LTE 无缝协作，允许开发人员和制造商自定义蓝牙 4.1 设备的重新连接间隔，支持云同步，支持扩展设备与中心设备角色互换，支持蓝牙 4.1 标准的耳机、手表、键鼠，可以不用通过 PC、平板、手机等数据枢纽，实现自主收发数据

  • 2014 年：蓝牙 4.2，改善了传输速率和隐私保护程度，蓝牙信号想要连接或者追踪用户设备，必须经过用户许可；支持 6LoWPAN，蓝牙 4.2 设备可以直接通过 IPv6 和 6LoWPAN 接入互联网，该技术允许多个蓝牙设备通过一个终端接入互联网或者局域网，这样大部分智能家居产品可以抛弃相对复杂的 WiFi 连接，改用蓝牙传输，让个人传感器和家庭间的互联更加便捷快速

第五代蓝牙： 开启物联网时代大门

  • 2016 年：蓝牙 5.0，在低功耗模式下具备更快更远的传输能力，支持室内定位导航功能，针对 IoT 物联网进行底层优化，力求以更低的功耗和更高的性能为智能家居服务

  • 2019 年：蓝牙 5.1，加入了测向功能和厘米级的定位服务，这项功能的加入使得室内的定位会变得更加精准，并且在小物体的位置上也能准确定位避免物品遗失

3. Mesh 网状网络

Mesh 网状网络是实现物联网的关键“钥匙”，Mesh 网状网络是一项独立研发的网络技术，它能够将蓝牙设备作为信号中继站，将数据覆盖到非常大的物理区域，兼容蓝牙 4 和 5 系列的协议

传统的蓝牙连接是通过一台设备到另一台设备的配对实现的，建立一对一或一对多的微型网络关系

而 Mesh 网络能够使设备实现多对多的关系。Mesh 网络中每个设备节点都能发送和接收信息，只要有一个设备连上网关，信息就能够在节点之间被中继，从而让消息传输至比无线电波正常传输距离更远的位置

这样，Mesh 网络就可以分布在制造工厂、办公楼、购物中心、商业园区以及更广的场景中，为照明设备、工业自动化设备、安防摄像机、烟雾探测器和环境传感器提供更稳定的控制方案

蓝牙开发|蓝牙技术介绍_传统蓝牙_04
物联网是未来蓝牙技术的新主场。自 1998 年来，蓝牙协议已经进行了多次更新，从音频传输、图文传输、视频传输，再到以低功耗为主打的物联网数据传输。一方面维持着蓝牙设备向下兼容性，另一方面蓝牙也正应用于越来越多的物联网设备

随着 Low Energy 版蓝牙在功耗和传输效率上的不断提升，Classic 版本自 3.0 后就更新不大。可以预见，未来蓝牙的主要发力点将集中在物联网，而不仅仅局限于移动设备，而 Mesh 网状网络的加入，使得蓝牙自成 IoT 体系成为可能

随着蓝牙 5 技术的出现和蓝牙 mesh 技术的成熟，大大降低了设备之间的长距离、多设备通讯门槛，为未来的 IoT 带来了更大的想象空间。这项 20 年前问世的技术，未来还会焕发出蓬勃的生命力