📚 课程目录第3章蓝牙低功耗协议栈基础

3. 蓝牙低功耗协议栈基础

BLE 协议栈是 nRF 传感终端能够被手机发现、连接并交换数据的根本。理解它的分层结构，比记住某个 API 更重要：物理层决定信号怎么发，链路层决定两个设备怎么建立可靠的连接，GAP 决定设备如何被看见和连接，GATT 决定连接之后数据以什么形式组织。nRF Connect SDK 把控制器与主机整合进 Zephyr 蓝牙栈，开发者面对的主要是 GAP 与 GATT 的接口，但底层行为仍由这些层次共同决定。

物理层与链路层：从射频到连接

BLE 工作在 2.4 GHz ISM 频段，采用 40 个信道，信道间隔 2 MHz。其中 37、38、39 三个是广播信道，其余 37 个是数据信道。BLE 使用 GFSK 调制，符号速率为 1 Msym/s，即常说的 1M PHY；nRF52/nRF53 系列还支持 2M PHY 和 Coded PHY（125 kbps 与 500 kbps），前者提高吞吐，后者以编码增益换取更远距离和更强抗干扰能力。物理层只负责比特的收发，不关心这些比特属于谁。

链路层（Link Layer）在物理层之上定义了两个设备如何交互。广播态下设备在 37/38/39 信道轮流发送广播包；扫描态设备监听这些信道；发起态设备发送连接请求；连接态下主从双方按连接事件（Connection Event）周期性地在数据信道上收发。链路层还负责跳频、CRC 校验、白名单过滤和加密。连接参数中的连接间隔（Connection Interval）、从机延迟（Slave Latency）和超时时间（Supervision Timeout）都由链路层执行，它们直接决定功耗与响应速度的平衡。

GAP 角色：设备如何被看见与连接

GAP（Generic Access Profile）规定了设备在广播与连接中的角色。广播方称为广播者（Advertiser），扫描方称为扫描者（Scanner）；发起连接的一方是中心设备（Central，旧称 Master），接受连接的一方是外围设备（Peripheral，旧称 Slave）。一个传感终端通常作为外围设备，周期性广播自己的存在，等待手机或网关发起连接。GAP 还定义了广播数据（Advertising Data）与扫描响应数据（Scan Response Data），前者最多 31 字节，后者在扫描者发送扫描请求后返回，同样最多 31 字节。BLE 5.0 的扩展广播（Extended Advertising）可突破这一限制，但基础场景仍以 31 字节为主。

广播数据由若干 AD Structure 组成，每个结构以长度字节开头，后跟类型字节和数据。常用类型包括 0x01 标志位、0x09 完整本地名称、0x03 完整 16 位 UUID 列表、0xFF 厂商自定义数据。例如一个温湿度终端可以广播：标志位 0x06（LE General Discoverable + BR/EDR Not Supported）、名称 "TH-Sensor"、以及厂商数据中包含设备 ID 和电池电量。手机扫描时先看到这些信息，无需连接即可判断设备类型。

GATT：连接之后的数据组织

GATT（Generic Attribute Profile）建立在 ATT（Attribute Protocol）之上，用属性（Attribute）描述数据。属性由句柄（Handle）、UUID、权限和值组成。GATT 把这些属性组织成服务（Service）和特征（Characteristic）。一个服务包含若干特征，特征包含值以及可选的描述符（Descriptor）。例如电池服务 UUID 0x180F 下有一个电池电量特征 0x2A19，其值是一个 0~100 的百分比字节；若需要订阅通知，还要有客户端特征配置描述符（CCCD，UUID 0x2902）。

GATT 定义了服务端（Server）与客户端（Client）角色。传感终端通常作为 GATT Server，把自己的传感器数据放在特征值中；手机作为 GATT Client，通过发现服务、读特征、写特征、订阅通知来交互。读操作由客户端发起，服务端返回当前值；通知（Notify）由服务端主动推送，客户端无需确认；指示（Indicate）则需要客户端确认。对于周期性上报的温度数据，Notify 比 Read 更合适，因为它避免了轮询开销。

nRF Connect SDK 中的集成方式

在 nRF Connect SDK 中，蓝牙协议栈由 Zephyr 蓝牙主机与 Nordic 的 SoftDevice Controller 共同组成。SoftDevice Controller 是预编译的二进制库，实现了链路层与部分 HCI 功能，运行在协议栈的下层；Zephyr 蓝牙主机实现 GAP、GATT、ATT、SMP、L2CAP 等上层协议。两者通过 HCI 接口通信，开发者通常不需要直接操作 HCI，而是调用 Zephyr 的蓝牙 API。

工程配置上，需要在 prj.conf 中启用蓝牙与相关功能。一个典型的最小配置如下：

CONFIG_BT=y
CONFIG_BT_PERIPHERAL=y
CONFIG_BT_DEVICE_NAME="TH-Sensor"
CONFIG_BT_DEVICE_APPEARANCE=0
CONFIG_BT_CTLR=y
CONFIG_BT_LL_SOFTDEVICE=y
CONFIG_BT_GATT_DYNAMIC_DB=n
CONFIG_BT_BUF_ACL_RX_SIZE=251
CONFIG_BT_BUF_ACL_TX_SIZE=251
CONFIG_BT_L2CAP_TX_MTU=247
CONFIG_BT_ATT_PREPARE_COUNT=2

其中 CONFIG_BT_LL_SOFTDEVICE=y 明确选择 SoftDevice Controller 作为链路层实现，这是 Nordic 器件上的默认选择。若使用其他控制器，则需改为对应选项。MTU 相关配置决定单次 ATT 传输能承载多少字节，影响吞吐与内存占用。

代码层面，初始化流程通常是：先调用 bt_enable() 启动协议栈，然后注册连接回调、配置广播数据、启动广播。下面是一个简化的外围设备广播示例：

static const struct bt_data ad[] = {
    BT_DATA_BYTES(BT_DATA_FLAGS, (BT_LE_AD_GENERAL | BT_LE_AD_NO_BREDR)),
    BT_DATA(BT_DATA_NAME_COMPLETE, "TH-Sensor", 9),
};

static const struct bt_data sd[] = {
    BT_DATA_BYTES(BT_DATA_UUID16_ALL, 0x0F, 0x18),
};

void main(void) {
    int err = bt_enable(NULL);
    if (err) { return; }

    err = bt_le_adv_start(BT_LE_ADV_CONN, ad, ARRAY_SIZE(ad),
                          sd, ARRAY_SIZE(sd));
    if (err) { return; }
}

这段代码中，ad 是广播数据，包含标志位和完整设备名；sd 是扫描响应数据，这里放入了电池服务的 16 位 UUID 0x180F（小端表示为 0x0F, 0x18）。BT_LE_ADV_CONN 表示可连接广播。手机扫描时即可看到设备名，连接后能发现电池服务。

调试时可用 nRF Connect for Mobile 观察广播包中的 AD Structure，确认名称、UUID 和厂商数据是否正确；连接后查看 GATT 表，核对服务与特征的 UUID、权限和 CCCD 是否存在。

连接参数与功耗的权衡

连接建立后，中心设备会下发连接参数。连接间隔越短，响应越快但功耗越高；从机延迟允许外围设备跳过若干连接事件，从而在无数据时休眠。以 1 秒连接间隔、从机延迟 4、超时 6 秒为例，外围设备最多可跳过 4 个连接事件，即约 5 秒才必须响应一次，显著降低平均功耗。但延迟过大也会导致下行数据到达变慢。实际项目中应根据上报周期和响应要求选择参数，并在连接后通过 bt_conn_le_param_update() 请求更新。