（1）首本系统讲解蓝牙4.0的原理、体系结构、硬件设计以及应用等的书籍。

（2）作者系蓝牙4.0标准参与制定者、架构师，权威性毋庸置疑。

（3）本是学习蓝牙4.0标准不可或缺的参考手册。 

Robin Heydon ，毕业于英国曼彻斯特大学计算机科学专业，是CSR公司负责蓝牙技术标准化的标准架构师，也是制定低功耗蓝牙技术标准的超低功耗工作组的联合主席。自2007年起推动低功耗蓝牙技术标准的制定工作，因其贡献卓著，2010年他入选了蓝牙技术联盟名人堂。

陈灿峰，博士毕业于北京邮电大学，2005年起分别任诺基亚（中国）研究院博士后研究员、高级研究员和主任研究员，2011年起负责诺基亚物联网与软件无线电原型系统组的工作，诺基亚并入微软后担任微软设备部门移动设备产品创新组传感器技术首席专家。目前兼任中国电子学会物联网专家委员会副秘书长，中国可穿戴计算产业推进联盟委员。先后参与国家自然科学基金项目3项、863项目2项。在无线通信和移动计算领域先后编著和参与编著6本专著，提交国内外专利申请30余项（2项已授权）。目前的主要研究方向为低功耗蓝牙技术，室内外定位技术，智能家居与可穿戴设备等。

刘　嘉，工学博士。2011年毕业于清华大学计算机网络专业，同年进入诺基亚（中国）研究院开展博士后研究，现为北京智谷公司创新研究员，长期从事无线网络系统设计和性能优化工作，发表论文近20篇，拥有国内外专利和申请50余项。闲暇之余喜欢摄影、文学和Hi-Fi音响。

低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy，BLE）与传统蓝牙技术有着本质的不同，它为医疗、运输等领域的无线应用带来了突破。只需一枚硬币大小的电池，低功耗蓝牙便可以连接并扩展各类个人局域网（Personal Area Network，PAN）设备和新一代传感器，令其可靠地运行若干年。如今，该标准的主要制定者之一为每位系统开发者、设计师和工程师撰写了第一本全面、易懂的低功耗蓝牙著作。

译者序 

前言 

第一部分综述 

第1章什么是低功耗蓝牙技术 

1.1设备类型 

1.2设计目标 

1.3术语 

第2章基本概念 

2.1纽扣电池 

2.2时间即能量 

2.3昂贵的内存 

2.4非对称设计 

2.5为成功而设计 

2.6凡事皆有状态 

2.7客户端—服务器架构 

2.8模块化架构 

2.9十亿只是个小数目 

2.10无连接模型 

2.11范式 

2.11.1客户端—服务器架构 

2.11.2面向服务的架构 

第3章低功耗蓝牙的体系结构 

3.1控制器 

3.1.1物理层 

3.1.2直接测试模式 

3.1.3链路层 

3.1.4主机／控制器接口 

3.2主机 

3.2.1逻辑链路控制和适配协议 

3.2.2安全管理器协议 

3.2.3属性协议 

3.2.4通用属性规范 

3.2.5通用访问规范 

3.3应用层 

3.3.1特性 

3.3.2服务 

3.3.3规范 

3.4协议栈划分 

3.4.1 单芯片解决方案 

3.4.2双芯片解决方案 

3.4.3三芯片解决方案 

第4章新的使用模型 

4.1存在检测 

4.2广播数据 

4.3无连接模式 

4.4 网关 

第二部分控制器 

第5章物理层 

5.1 背景 

5.2模拟调制 

5.3数字调制 

5.4频段 

5.5调制 

5.6射频信道 

5.7发射功率 

5.8容限 

5.9接收机灵敏度 

5.10通信距离 

第6章直接测试模式 

6.1 背景 

6.2收发机测试 

6.2.1测试报文格式 

6.2.2发射机测试 

6.2.3接收机测试 

6.3硬件接口 

6.3.1 串口 

6.3.2命令与事件 

6.4使用HCl的直接测试模式 

第7章链路层 

7.1链路层状态机 

7.1.1 就绪态 

7.1.2广播态 

7.1.3 扫描态 

7.1.4发起态 

7.1.5连接态 

7.1.6多状态机 

7.2报文 

7.2.1广播与数据报文 

7.2.2 白化 

7.3报文结构 

7.3.1 比特序与字节 

7.3.2 前导 

7.3.3 接入地址 

7.3.4报头 

7.3.5长度 

7.3.6净荷 

7.3.7循环冗余校验 

7.4信道 

7.4.1 跳频 

7.4.2 自适应跳频 

7.5设备发现 

7.5.1通用广播 

7.5.2定向广播 

7.5.3不可连接广播 

7.5.4可发现广播 

7.6广播 

7.7建立连接 

7.7.1 接入地址 

7.7.2 CRC初始化 

7.7.3发送窗口 

7.7.4连接事件 

7.7.5 信道图 

7.7.6睡眠时钟精度 

7.8发送数据 

7.8.1 数据报头 

7.8.2逻辑链路标识符 

7.8.3 序列号 

7.8.4确认 

7.8.5更多数据 

7.8.6使用序列号和更多数据的例子 

7.9加密 

7.9.1 AES 

7.9.2加密净荷数据 

7.9.3消息完整性校验 

7.10管理连接 

7.10.1连接参数更新 

7.10.2 自适应跳频 

7.10.3 启动加密 

7.10.4 重启加密 

7.10.5版本交换 

7.10.6功能交换 

7.10.7终止连接 

7.1 1 鲁棒性 

7.11.1 自适应跳频 

7.11.2 强CRC 

7.12为低功耗优化 

7.12.1 短报文 

7.12.2高比特率 

7.12.3 低开销 

7.12.4确认机制 

7.12.5单信道连接事件 

7.12.6亚速率连接事件 

7.12.7 离线加密 

第8章主机／控制器接口 

8.1 介绍 

8.2物理接口 

8.2.1 UART 

8.2.2 3线UART 

8.2.3 USB 

8.2.4 SDl0 

8.3逻辑接口 

8.3.1 HCI信道 

8.3.2命令数据包 

8.3.3 事件数据包 

8.3.4数据包 

8.3.5命令流控 

8.3.6数据流控 

8.4控制器的配置 

8.4.1 重置控制器为已知状态 

8.4.2读取设备地址 

8.4.3 设置事件掩码 

8.4.4读取缓冲区大小 

8.4.5读取控制器支持的功能 

8.4.6读取控制器支持的状态 

8.4.7随机数 

8：4.8加密数据 

8.4.9设置随机地址 

8.4.10 白名单 

8.5广播和观察 

8.5.1广播 

8.5.2被动扫描 

8.5.3主动扫描 

8.6发起连接 

8.6.1 与白名单设备发起连接 

8.6.2与单一设备发起连接 

8.6.3取消连接请求 

8.7连接管理 

8.7.I更新连接 

8.7.2更新信道映射图 

8.7.3 交换功能列表 

8.7.4交换版本信息 

8.7.5加密连接 

8.7.6重启加密 

8.7.7终止连接 

第三部分主 机 

第9章逻辑链路控制和适配协议 

9.1 背景 

9.2 L2CAP信道 

9.3 L2CAP数据包结构 

9.4低功耗信令信道 

9.4.1命令拒绝 

9.4.2连接参数更新请求和响应 

第10章属性 

10.1背景 

10.1.1精简协议 

10.1.2无所不在的数据 

10.1.3数据与状态 

10.1.4几种常见的状态 

10.1.5状态机 

10.1.6服务和规范 

10.2属性 

10.2.1 属性概述 

10.2.2属性句柄 

10.2.3属性类型 

10.2.4属性值 

10.2.5数据库、服务器和客户端 

10.2.6属性许可 

10.2.7接入属性 

10.2.8原子操作和事务 

10.3分组 

10.4服务 

10.4.1 扩展服务 

10.4.2其他服务的重用 

10.4.3结合服务 

10.4.4首要还是次要 

10.4.5 即插即用的客户端应用 

10.4.6服务声明 

10.4.7包含服务 

10.5特性 

10.5.1 特性声明 

10.5.2特性数值 

10.5.3 描述符 

10.6属性协议 

10.6.1 协议消息 

10.6.2交换MTU请求 

10.6.3查找信息请求 

10.6.4按类型值查找请求 

第11章安全 

第12章通用访问规范 

第四部分应用 

第13章中央设备 

第14章外围设备 

第15章测试和质量鉴定

作为替代方案，智能网关实现了互联网和低功耗从设备之间的互联互通。采用纯客户端一服务器架构使得这种相互连接成为可能。服务器仅仅作为数据存储库，并不关心客户端是谁。客户端可以直接连接到服务器，或者可以从地球的另一侧通过互联网网关连接。 

这为正在度假的用户提供了监视和控制居家环境的能力。由于低功耗蓝牙可用于安全警报、机顶盒或供热系统等各类设备，用户在去海边的途中可以查看所有的窗户是否安全，当躺在沙滩上时可以录制最喜爱的电视节目，当乘机返回时还可打开家里的供暖系统。 

与网关连接的能力也让体育和健身设备可以向相关网站即时更新其收集的数据，哪怕是在锻炼者喝水的空隙。它也为老年人提供了监控能力，他们能够安全地待在家中，如有需要就会有人为其提供帮助。 

客户端一服务器的网关模式也可以用于支持从客户端到网关的互联网安全，网关可执行访问控制、防火墙和客户端授权等操作，之后再向客户端授予网关外部的访问权限。这些成熟的技术而今已在家用和商用领域广为使用。 

2.8模块化架构 

一个常被忽视的基本概念是面向未来的架构。大多数无线标准往往是在匆忙问完成的制定工作，只想让技术尽快脱颖而出，并不太关注该技术在未来10年或20年的时间里将如何运作。在“时间就是市场”的压力下产生的很多糟糕的结构设计无疑会对平台的长期可用性带来负面的影响。为了解决该问题，蓝牙技术联盟建立了一个特别架构工作组，专门研究基于通用属性规范的架构，以确保该技术不会很快过时。 

该工作组的主要成果是基于通用属性规范的模块化的服务架构，允许设备以标准的方式将原子的、可封装的行为比特装进单个服务并将其公开。（此处，原子指的是只做一件事情，可封装指的是能够从其他功能剥离并自我封装。）服务可以引用其他的服务，比如有温度传感器的电池可以引用温度服务；相同的温度服务可被重复使用，比如家庭温度计、冷藏室的温度传感器、汽车发动机的冷却液温度传感器等。 

在此架构中，一个有趣的副作用在于设备上公开的服务不必与某个给定的规范直接相关。规范要求设备提供一组给定的服务，但也仅仅需要一个链接而已。这意味着如果可以利用设备上的不同服务创建新的规范，则利用已有服务将其组合，就可以形成多个新的规范。事实就是如此，虽然只有在设备上设计和实现服务之后才会编写规范。 

上述高度灵活的模块化架构有利于随着时间的推移逐步建立生态系统。例如，家庭可以首先部署智能电表，提供当前或者未来的价格信息和使用信息。随后可以部署智能家电，使其支持远程开关，并采用网关模式在离家时实现自由控制。之后，部署的能源管理器可以利用智能电表的信息，“聪明”地调度各种智能家电，为屋子的主人节省用电开销。

有时候，一项难能可贵的新技术的出现能够改变世界，AM广播、电视和无线互联网便是这样的例子。作为一项可广泛植入各类产品、围绕微型电池设计、可持续工作数年的技术，低功耗蓝牙已然站在了下一次无线技术革命的最前沿。

本书详尽地解释了这项技术是如何产生、如何设计以及如何工作的。作者Robin Heydon是低功耗蓝牙领域的顶尖专家，曾参与低功耗蓝牙的标准规范制定、互操作性测试以及培训工作。

本书适合从事低功耗蓝牙产品开发工作的各类读者，例如工程师、应用程序开发人员、设计师或者市场营销人员。

对工程师来说，这本书涵盖了系统工作的完整细节，从物理无线电到设备的发现、连接和提供接口。

对应用程序开发人员来说，这本书有助于其理解低功耗蓝牙对应用程序所施加的限制，此外本书还提供了关于设计目标和实现具体需求的详细介绍。

对设计师来说，本书包含的信息将让你了解关于设计低功耗蓝牙无线产品的特殊问题，比如产品需要如何工作，选择多大的电池才能实现你的想法等。

对其他想了解该技术的人来说，这本书提供了低功耗蓝牙的许多背景材料，包括为什么要设计该技术，试图实现的设计目标是什么，以及一些将会颠覆你对无线技术及其实现方式的看法的相关知识。

全书共分为四个部分：

第一部分为技术概述，包括用于指导低功耗蓝牙开发的基本概念，系统的体系结构（无线电、各种协议层、应用层），以及新技术带来的新使用模式。

第二部分详细介绍了控制器（无线电芯片）的工作原理。产品设计人员需要将该硅芯片植入自己的终端产品中。该部分涵盖了无线电、直接测试模式和链路层，此外还介绍了如何使用上层协议栈（或称主机）与控制器进行交互。

第三部分深入阐述了主机（软件栈）的工作原理，涉及各主要协议背后的概念和细节，这些协议主要用于公开设备的属性。该部分还介绍了安全模型，以及两台设备之间如何进行连接、绑定或相互关联。

第四部分讨论了产品或应用程序开发人员需要考虑的所有设计因素。首先着眼于与中央设备有关的问题，接着是外围设备的问题，最后讨论了任何蓝牙产品上市前的最后一步，即测试和认证。

如果阅读本书后，读者还想了解更多关于低功耗蓝牙的相关知识，以下列出一些可供参考的资料。标准规范可以在蓝牙技术联盟网站www.bluetooth.org中找到。如果想查找有关低能耗蓝牙的开发信息，可以访问开发者网站developer.bluetooth.org，上面有关于特性（characteristic）的详细信息。本书作者也有一个网站www.37channels.com ，在那里可以看到针对本书或者低功耗蓝牙的一些常见问题。

致谢

感谢以下各位的帮助和支持，使得本书得以顺利完成。Katherine Heydon多次从头到尾翻阅全文，并就内容提出了建设性的批评意见。Jennifer Bray第一个鼓励我撰写本书，并给予了我时间和空间来完成此项工作。感谢Addison-Wesley出版团队的所有成员，尤其是Bernard Goodwin、Elizabeth Ryan、Michelle Housley和Gary Adair，感谢文字编辑Bob Russell以及其他所有促成本书的幕后人员。感谢Nick Hunn多次与我讨论如何才能更好地交流低功耗技术的想法。Zo Hunn为本书设计了梦幻般的封面。Andy Glass不断询问本书的完成时间，并提供了很好的审查意见。Steve Wenham长期忍受我各种天马行空般的低功耗蓝牙的改进想法。英国航空公司几乎总是给我一个前排带有隔板的座位，让我得以在许多的长途航班中使用我的蓝牙键盘和鼠标。这本书可能是在30 000英尺的平均高度撰写完成的。感谢蓝牙技术联盟社区，他们在全员会议、蓝牙测试活动（UnPlugFest）和各种工作组会议中提出了许多问题，正是这些问题让我明确了哪些概念是最难解释的，本书的基本框架和内容也由此受益。