1.1、 關於藍牙技術
藍牙（Bluetooth），是一種支持設備短距離通信的無線電技術，是一種無線個人局域網技術，能在包括移動電話、PDA、無線耳機、筆記本電腦、相關外設等之間進行無線信息交換。
（1）藍牙技術產生背景與發展
1998年5月，愛立信、諾基亞、東芝、IBM和英特爾公司五家著名廠商，在聯合開展短程無線通信技術標準化活動時提出了藍牙技術，其宗旨是提供一種短距離、低成本的無線傳輸應用技術；另外該五家廠商成立了藍牙特別興趣組，以使藍牙技術能夠成爲未來的無線通信標準。
1999年下半年，著名的業界巨頭微軟、摩托羅拉、三星、朗訊與藍牙特別小組的五家公司共同發起成立了藍牙技術推廣組織，從而在全球範圍內掀起了一股藍牙熱潮，並迅速淘汰了受限嚴重的紅外線傳輸技術。
如今，藍牙技術已經走過16個年頭，它陪伴我們從功能手機時代走到智能手機時代，已成爲了智能手機的基本配置。並且，藍牙技術不再僅是應用於設備間文件、音視頻的傳輸，在智能家居、醫學應用、汽車電子等領域均得到廣泛的應用。在這16年間，藍牙技術規範已出現了Bluetooth 1.1、Bluetooth 1.2、Bluetooth 2.0、Bluetooth 2.1、Bluetooth 3.0、Bluetooth 4.0、Bluetooth4.1等版本，其中Bluetooth 4.0便是我們該手冊討論的對象。
（2）早期幾種藍牙設計規範
藍牙技術採用分散式網絡結構以及快跳頻和短包技術，支持點對點及點對多點通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM頻段。
先介紹藍牙技術早期幾個技術規範特點：
Bluetooth1.1：最早期的版本，傳輸率約在748~810kb/s，容易受到同頻率產品的干擾。
Bluetooth1.2：傳輸率仍約爲748~810kbps，增加了抗干擾的跳頻功能。
Bluetooth2.0+EDR：傳輸率約爲1.8M~2.0Mbps，支持雙工模式，可以在語音通訊同時傳輸檔案與圖片，相比1.1與1.2，2.0已經可以很好地支持了Stereo（立體聲）音效。（注：EDR即Enhanced data rate，是增強速率的縮寫，其特色是提升了藍牙的傳輸速率與擴展了頻寬）。
Bluetooth2.1+EDR：簡化了裝置配對的流程，採用低功耗監聽模式降低功耗。
Bluetooth3.0+HS：HS，即HighSpeed的意思，Bluetooth3.0+HS傳輸速率可達24Mbps。Bluetooh3.0的核心是AMP(Generic Alternate MAC/PHY (AMP)，一種全新的射頻交替技術)，集成了“802.11 PAL”（協議適配層），使得藍牙可以僅使用標準藍牙射頻模塊(標註基本碼率即BR和擴展碼率即EDR分別爲1 Mbps和3 Mbps)進行連接配對，數據傳輸則使用WiFi，從而達到24Mbps的數據傳輸率。
（3）Bluetooth4.0
藍牙4.0可以稱爲藍牙3.0的升級版本，藍牙4.0將三種規格集爲一體，包括傳統藍牙技術、高速藍牙技術和低功耗藍牙（Bluetooth Low Energy，簡稱BLE）技術，該三種規格的藍牙技術可以單獨部署也可組合使用。
相比以往的藍牙3.0，藍牙4.0最大的不同在新增低功耗技術上，該技術最大特點是擁有超低的運行功耗和待機功耗，藍牙低功耗設備使用一個鈕釦電池甚至可以使用幾年之久，另外藍牙4.0增加了低成本和跨廠商互操作性、3毫秒低延遲、超長距離傳輸、AES-128加密等特性，使得藍牙技術的應用不再侷限於文件傳輸、音視頻傳輸，在對成本、功耗有嚴格要求的醫療保健、體育健身、家庭娛樂、安全保障等物聯網領域也可有廣泛的應用。
藍牙4.0支持雙模式和單模式兩種部署方式。在雙模式中，低功耗藍牙功能集成在現有的經典藍牙控制器中，即在現有經典藍牙技術(2.1+EDR/3.0+HS)芯片上增加低功耗堆棧，整體架構基本不變，因此成本增加有限。在單模式中，則是指只專門支持藍牙低功耗技術的芯片。
現今藍牙產品商標分爲三種Bluetooth SMART、Bluetooth SMART Ready、Bluetooth，分別代表藍牙4.0單模式、藍牙4.0雙模式、傳統藍牙（2.1+EDR/3.0+HS）。藍牙4.0單模式的產品可以與藍牙4.0雙模式的產品通信，但是不可以跟傳統藍牙產品通信；藍牙4.0雙模式的產品既可以與藍牙4.0單模式的產品通信，也可以與傳統藍牙產品通信。圖（1）描述三種之間的通信關係，從圖中也可以看出藍牙4.0單模式主要部署在智能硬件，用於發送傳感器收集的信息至PC、PDA、手機等智能終端，實現物聯網的功能；而藍牙4.0雙模式主要應用於智能終端上，方便於與其他兩類藍牙產品通信。
圖（1）
（4）關於Bluetooth4.1的更新
Bluetooth4.0主打藍牙低功耗技術宣佈了其對物聯網領域的進軍，Bluetooth4.1的更新主要是迎合物聯網應用的需求。
Bluetooth4.1相對Bluetooth4.0主要新增了以下特性：增強了藍牙與蜂窩網LTE共存；提升了批量數據傳輸的速率，迎合可穿戴設備對傳輸速率的需求；允許設備同時充當“Bluetooth Smart” 和“Bluetooth Smart Ready”兩個角色的功能；不用用戶干擾也能讓藍牙自動實行更好的激活；加入了專用通道允許設備通過 IPv6 聯機使用，即設備通過藍牙4.1連接到可以上網的設備後直接利用IPv6接入互聯網，該特性增強了藍牙技術在物聯網領域的地位。
1.2、 關於BLE技術
Bluetooth4.0涵蓋了三種藍牙技術，傳統藍牙技術與高速藍牙技術更像是Bluetooth4.0對以往版本的一種兼容、補充、升級與融合，而BLE技術則是Bluetooth4.0的核心。我們本手冊重點學關注BLE技術在物聯網領域的應用。
BLE技術最重要的特點有三個：低延遲、低功耗、低吞吐量。其網絡拓撲結構是點對多點，設備種類分爲master與slave兩種角色，一般master是Bluetooth Smart Ready的藍牙產品，salve是Bluetooth Smart的藍牙產品，而一個master可以支持到最多3個slaves。
（1）BLE協議棧
BLE協議棧包含三層：應用層（Apps）、主機層（Host）、控制層（Controller），如圖（3）所示。可見，各層包含若干子層，各子層功能如下：
PHY物理層：工作在2.4GHz ISM頻段，採用跳頻技術與GFSK調製技術。圖（2）爲BLE的無線頻段分佈情況，可以看出BLE具有40個頻段，其中有3個廣播頻段，37個連接頻段，廣播頻段均避開wifi頻段。
圖（2）
LL連接層：控制設備的狀態。設備可以有五種狀態：就緒standby，廣播advertising，搜索scanning，初始化initiating和連接connected。廣播者傳播數據，使得瀏覽者可以接收到。initiator就是一個對廣播者回復連接請求的設備。如果廣播者接受請求，廣播者和initiator初始者就會進入connected連接狀態。一個處於連接狀態的設備會有一個角色：master和slave。初始化這個連接的爲master，接受這個連接請求的爲slave。
HCI層：host和controller之間通過一個標準接口進行通信提供了一些方法。這一層可以通過一個軟件API或者是硬件接口如UART，SPI和USB。
L2CAP層：爲上層提供封裝傳輸數據的服務。
SM層：提供配對與密鑰生成的方法，確保配對過程與傳輸數據過程的安全性。
ATT層：允許一個設備向其他設備提供數據，這些數據對於其他設備稱之爲“Attribute屬性”。在ATT層中，提供屬性的設備被稱爲server，相應的另一個設備稱爲client。LL層的狀態master和slave和ATT層的這兩個狀態無關。
GATT層：是一個服務框架定義了對ATT應用的子層，GATT指定了profile的結構。在BLE中，由profile或者是services所使用的所有類型的數據都稱爲characteristic。發生於兩個設備間通過BLE連接進行交換的數據都需經過GATT子層處理。因此，應用層會直接使用GATT層提供的服務。
GAP層：提供設備的發現和連接相關的服務，同時提供初始化安全相關的服務。GAP層將藍牙設備定義爲：Broadcaster（廣播數據處於未連接狀態的設備）、Observer（掃描廣播信號但爲初始化連接的設備）、Peripheral（處於連接狀態並單個LL層連接中作slave角色的藍牙設備）、Central（掃描廣播信號、初始化連接、在單個LL層或多個LL層連接中作爲master的藍牙設備）。應用層也會直接使用GAP層提供的服務。
應用層：使用GAP層與GATT層提供的服務定義一系列的profiles，並使用這些pofiles實現應用功能。
圖（3）
（2）BLE的鏈接參數
在開始講BLE的鏈接參數前，需要先講下Conection Events，藍牙設備建立連接，所有藍牙設備間信息的交換都是通過Connetion Events進行的，Master在Connection Events開始起發送數據包，Slave在Connection Events期間回覆。Connection Events是週期性出現的且時間間隔很短，在一個Connection Events中，器件最大電流爲十幾mA，平均電流1uA，這便是BLE低功耗的原因。
圖（4）
在兩個藍牙設備建立連接進入connected狀態前，藍牙設備需要設置一系列的鏈接參數，鏈接參數是在Central向Peripheral發起連接請求是傳遞的：
（1）Connection Interval：藍牙設備採用了快跳頻技術，兩個藍牙設備每隔一段時間後都會在一個新頻道上進行數據傳輸，每次藍牙設備間的數據傳輸都稱爲一次connection event，即使沒有數據傳輸，兩個藍牙設備也會在connection event上交換LL層數據以保持兩個設備的連接狀態，兩次connection event的時間間隔稱爲Conection Interval。Connection Inetrval爲1.25ms的倍數，數值位於6（7.5ms）至3200（4.0s）之間。
較長的Connection Interval相當於設備處於睡眠時間更長，故具有節省功耗的優點，但是相應的數據相對無法做到及時傳輸；較短的Connection Interval 可以做到更及時傳輸數據，但是由於設備頻繁地連接，使得設備功耗較大。
（2）Slave Latency：爲Peripheral設備設置該參數可以是Peripheral設備在沒有數據傳輸時靈活地跳過connection events保持睡眠狀態，以節省更多的功耗。Slave Latency代表Peripheral設備最多可以忽略的events數目，數值可以位於0~499之間，但是最大值必須保證 effective connectioninterval（詳見下面）不得大於16.0s。
effective connectioninterval = （Connection Interval）*（1+（Slave Latency））。
（3）Supervision Timeout：指兩次成功完成連接的connection events的最大時間間隔。如果時間超過Supervision Timeout，兩個藍牙設備沒有成功完成連接的connection event，設備將認爲鏈接丟失並回歸未連接狀態。Supervision Timeout是爲10ms的倍數，其值在10（100ms）至3200（32.0s）。另外Supervision Timeout必須大於 effective connectioninterval。
當Perpheral設備認爲Central設備請求的鏈接參數不合適時，Perpheral設備可以在連接期間通過發送一個“Connetion Parameter UpdateRequest”請求Central設備更改鏈接參數，該請求會在L2CAP層被處理。“Connetion Parameter UpdateRequest”請求必須包含：minimum connection interval，maximum connectioninterval，slave latency和timeout四個參數。當Central設備接收到請求時將決定接受或拒絕Peripheral的鏈接參數更新請求並進行迴應。
合適地選擇鏈接接參數是最優化BLE設備功耗的關鍵。
1.3關於藍牙產品認證
（1）Bluetooth SIG——玩藍牙的娃必須知曉的組織
Bluetooth SIG(Bluetooth Special InterestGroup藍牙技術聯盟)是一個以制定藍牙技術規範，與推動藍牙技術爲宗旨的跨國組織。它擁有藍牙的商標，負責認證製造廠商，授權他們使用藍牙技術與藍牙標誌，但是它本身不負責藍牙裝置的設計、生產及販售。而企業只要使用藍牙相關商標在市場上銷售產品，都必須向藍牙技術聯盟交納商標使用費和產品認證費用，產品認證費用是相當昂貴的一筆費用。
Bluetooth SIG由電信、計算機、汽車製造、工業自動化和網絡行業的領先廠商組成。Bluetooth SIG的發起公司是Agere、愛立信、IBM、英特爾、微軟、摩托羅拉、諾基亞和東芝。2006年10月13日，Bluetooth SIG（藍牙技術聯盟）宣佈聯想公司取代IBM在該組織中的創始成員位置，並立即生效。除了創始成員以外，Bluetooth SIG還包括200多家聯盟成員公司以及約6000家應用成員企業。
Bluetooth SIG實行三級會員制，即創始公司會員、聯盟公司會員和應用公司會員。創始公司會員與聯盟公司會員需要交納年費，該筆費用對初創公司來說是一筆不小的費用。應用公司會員是免費和開放的，任何一個企業和個人都可以去註冊。
BluetoothSIG在全球設立的辦事處的包括：美國西雅圖（全球總部）；美國堪薩斯市（美國總部）；瑞典馬爾默市（歐洲、中東和非洲地區（EMEA）總部）；中國香港特別行政區（亞太區總部）。
（2）關於藍牙產品認證與獲得藍牙商標
一種藍牙產品在市面上銷售前需要通過Bluetooth SIG的BQB/BQE（Bluetooth Qualification Body）認證，並符合當地制定的射頻技術標準。兩種認證缺一不可。
藍牙產品作爲一種射頻產品，必須符合國家地區的射頻測試標準才能在該地區或國家銷售，所以藍牙產品必須通過相應射頻測試標準的認證，這便是強制性認證。各地區的射頻認證程序不同，可以通過當地無線電管理機構瞭解認證程序。如在美國可以直接通過FCC（Federal Communications Commission）或者通過FCC授權的TCB（Telecommunications Certification Body）獲取Certification；在中國則需要通過中國國家無線電監測中心申請獲得國家無線電管理委員會認證，即SRRC認證（State Radio Regulatory Commission of the People’sRepublic of China）。
BQB/BQE認證即藍牙認證是任何使用藍牙無線技術的產品所必須經過的認證，藍牙產品一旦獲得BQB/BQE認證，便可以在產品上使用藍牙商標，並且可以將產品放在Bluetooth SIG的官網上展示。
在談藍牙產品如何進行BQB/BQE認證前，先說下UPFs（UnPlugFests）。UPFs是Bluetooth SIG組織的聯盟成員間非盈利性的交互測試大會，目的是促進所有正在開發或已經推行發佈的藍牙產品間交互測試能力（Interoperability，即IOP）。但要明確的是UPFs並非BQB/BQE認證的一部分，參加UPFs目的是測試藍牙產品與其他公司藍牙產品的互聯操作性。對於未推向市場的藍牙產品參加UPFs，可以幫助企業改善產品的互操作性、推出高質量藍牙產品從而節省售後成本。
關於如何進行一款藍牙產品的BQB/BQE認證可以參照以下步驟進行：
① 首先確認你的產品中哪些部分已經通過BQB/BQE認證，這些部分是可以重複利用的，無須再進行測試認證，同時也確定了產品需要進行BQB/BQE認證的部分。
② 對需要測試的部分制定測試計劃，如何制定測試計劃在藍牙技術聯盟官網（https://www.bluetooth.org/zh-cn/test-qualification）上有詳細說明。
③ 按照測試計劃到藍牙認證測試機構（BQTF）進行測試，屆時有BQE（Bluetooth QualificationExpert，即藍牙資格認證專家）給予一定建議。這部分是需要收取費用。
④ 通過藍牙技術聯盟的BQB/BQE認證後，產品便可獲得唯一的QDID。使用QDID申請QDL（Qualification DesignListing）與EPL（End Product Listing），從而使產品可以使用藍牙商標且產品在藍牙技術聯盟官網上可以被找到，這對產品的宣傳是具備重要意義的。
從藍牙官網可以瞭解到，進行BQB認證測試獲取QDID並申請QDL（注：每個設計對應一個QDID，每個QDID對應一個QDL標識）費用對於應用公司會員是一筆不少的費用。我們本手冊使用的藍牙芯片是TI的 CC2540/CC2541，而TI 在Bluetooth 控制器子系統、Bluetooth 主機子系統、Bluetooth配置文件子系統的設計已經通過BQB認證並擁有QDID，使用TI的藍牙技術方案搭建最終產品，無須重複進行BQB認證，只須使用TI的QDID申請EPL，便可以使用藍牙商標，而這隻須少量的費用。