藍牙是一種支持設備短距離通信的低功耗、低成本無線電技術。它的標準是IEEE802.15，工作在2.4GHz 頻帶。藍牙技術以其便捷性和實用性迅速滲透到了我們生活的方方面面。從最初的無線耳機、音箱連接，到如今在智能家居、健康管理、數據傳輸等多個領域的廣泛應用，藍牙技術無疑成為了現代生活中不可或缺的一部分。

本人工作之初接觸的最早藍牙設備就是藍牙鼠標。今天我們就一起來學習藍牙技術的基礎知識。

一、藍牙起源

藍牙（Bluetooth）源于10世紀的丹麥國王哈拉爾一世（Harald Blåtand）。這位國王以統一斯堪的納維亞半島的功績聞名，而“藍牙”正是他名字的北歐語直譯。而將“藍牙”與現在的無線通訊技術標準關聯在一起的，是一位來自英特爾的工程師JimKardach，他在一次無線通訊行業會議上，提議將“Bluetooth”作為無線通訊技術標準的名稱。用“Bluetooth”名字來命名這種新的技術標準。1998 年 ，愛立信聯合 IBM、英特爾、諾基亞及東芝公司等 5 家著名廠商成立“特別興趣小組”（Special Interest Group，SIG），即藍牙技術聯盟的前身，目標是開發一個成本低、效益高、可以在短距離范圍內隨意無線連接的藍牙技術標準，到此藍牙標準正式形成。

二、藍牙發展歷程

藍牙技術從最初形成，到如今已經發展到了第6代藍牙技術，如下圖所示：

藍牙幾個關鍵發展節點：

藍牙2.0+EDR（2004年）：傳輸速度提升至2.1Mbps，支持立體聲音頻傳輸，MP3耳機開始流行。

藍牙4.0（2010年）：引入低功耗藍牙（BLE），引爆智能手環、健康監測等物聯網設備。

藍牙5.0（2016年）：傳輸距離擴展至300米（空曠環境），速度翻倍，支持多設備廣播。

藍牙5.3（2021年）：增強抗干擾能力，降低延遲，為游戲耳機和AR/VR設備鋪路。

三、藍牙技術分類

藍牙經典無線電，也稱為藍牙基本速率/增強數據速率 (BR/EDR)，工作在 2.4GHz 未授權工業、科學和醫療 (ISM) 頻段的 79 個通道上傳輸數據。藍牙經典支持點對點設備通信，主要用于實現無線音頻流，例如無線揚聲器、耳機和車載娛樂系統等。藍牙經典無線電還支持數據傳輸應用，例如移動打印。

藍牙低功耗 (BLE) 無線電專為極低功耗操作而設計。藍牙低功耗無線電在 2.4GHz 未經許可的 ISM 頻段上通過 40 個通道傳輸數據，為開發人員提供了極大的靈活性，使他們能夠構建滿足其市場獨特連接要求的產品。藍牙低功耗支持多種通信拓撲，從點對點擴展到廣播，以及最近的網狀網絡，使藍牙技術能夠支持創建可靠的大規模設備網絡。雖然藍牙低功耗最初以其設備通信功能而聞名，但現在也被廣泛用作設備定位技術，以滿足對高精度室內定位服務日益增長的需求。藍牙低功耗現在包含的功能可以使一個設備確定另一個設備的存在、距離和方向。

四、藍牙協議棧組成

藍牙協議棧由主機 + HCI(可選) + 控制器三大塊組成，其中對于單芯片方案是沒用HCI的。

主機(Host) ：主機部分由核心協議層(L2CAP、SDP、SMP、ATT)和核心規范(GAP、GATT)構成。

控制器(Controller)：分為低功耗藍牙（Low Energy Controller）和經典藍牙（BR/EDR Controller）。其中鏈路管理(LM)、基帶（BB）和射頻（RF）構成了藍牙的物理模塊。RF 通過2.4GHz 的 ISM 頻段，實現數據位流的傳輸，它主要定義了藍牙收發器應滿足的條件。基帶扶著跳頻和藍牙數據和信息幀的傳輸。基帶就是藍牙的物理層，它負責管理物理信道和鏈路中除了錯誤糾正、數據處理、調頻選擇和藍牙安全之外的所有業務。

HCI：此部分定義了主機和控制器之間通信的接口標準（Host Controller Interface），可以是UART、USB等通信方式。

五、藍牙協議規范分類

為保證藍牙設備間相互操作性，藍牙技術聯盟制定了一系列的協議規范。這些協議規范主要定義了藍牙設備的通信協議，硬件接口及應用層協議，確保不同廠家的藍牙設備可以相互配對通信。

5.1、藍牙核心規范（Bluetooth Core Specification）

藍牙核心規范定義了藍牙設備之間的通信協議，包括物理層、鏈路層、控制層和應用層等。它規定了藍牙設備的基本功能和特性，確保了藍牙設備之間的互通性。

5.2、藍牙配對協議（Bluetooth Pairing Protocol）

藍牙配對協議定義了藍牙設備之間的配對過程和密鑰生成算法。在藍牙設備進行配對時，配對協議確保了通信雙方的身份驗證和密鑰交 換，從而確保了藍牙通信的安全性。

5.3、藍牙傳輸協議（Bluetooth Transport Protocol） 

藍牙傳輸協議定義了藍牙設備之間數據的傳輸方式和協議。它規定了藍牙設備之間的數據傳輸格式、數據包的結構和傳輸速率等，確保 了藍牙設備之間數據的可靠傳輸和處理。

 5.4、藍牙音頻協議（Bluetooth Audio Profile） 

藍牙音頻協議定義了藍牙設備之間音頻數據的傳輸和處理方式。它規定了藍牙設備之間音頻數據的編碼格式、音頻傳輸通道和音頻控制 等，使得藍牙設備可以實現音頻的傳輸和播放功能。 

5.5、 藍牙物聯網協議（Bluetooth Internet of Things Profile） 

藍牙物聯網協議定義了藍牙設備在物聯網應用中的通信協議和功能規范。它包括了藍牙設備的發現、連接、數據傳輸和遠程控制等功能， 使得藍牙設備可以無線連接到物聯網并實現遠程監控和控制。