📚 课程目录第4章蓝牙低功耗（BLE）协议栈基础与广播

4. 蓝牙低功耗（BLE）协议栈基础与广播

BLE 的广播机制是智能家居终端“被发现”和“被连接”的入口。理解协议分层、GAP 角色、广播报文格式以及广播间隔与功耗的关系，是后续用 nRF 芯片实现自定义广播、低功耗传感器节点和配网流程的基础。本节从协议栈结构出发，逐步落到广播数据的字节级构造与参数权衡。

一、BLE 协议分层：从物理层到应用层

BLE 协议栈采用分层设计，自下而上大致分为：物理层（PHY）、链路层（LL）、主机控制接口（HCI）、逻辑链路控制与适配协议（L2CAP）、安全管理层（SM）、属性协议（ATT）、通用属性规范（GATT）以及通用访问规范（GAP）。在 nRF 系列芯片上，通常由 SoftDevice（如 S132/S140）实现 LL 到 GATT/GAP 的完整协议栈，应用层通过 API 调用。

物理层工作在 2.4 GHz ISM 频段，将频段划分为 40 个信道，每个信道带宽 2 MHz。其中 37、38、39 三个信道专门用于广播，其余 37 个信道用于连接后的数据通信。链路层负责广播、扫描、发起连接以及数据包收发，并管理跳频序列。GAP 层则定义了设备的角色与广播/扫描行为，是本节关注的重点。

二、GAP 广播与扫描：角色与流程

GAP 定义了四种基本角色：广播者（Broadcaster）、观察者（Observer）、外围设备（Peripheral）和中心设备（Central）。在智能家居场景中，温湿度传感器、门磁等终端通常作为外围设备，先以广播者身份发送广播包，等待手机或网关（中心设备）发起连接。手机 App 在配网阶段则作为观察者或中心设备，扫描周围广播。

广播过程本身是单向的：广播者按设定间隔在 37、38、39 三个信道依次发送广播包，不关心是否有人接收。扫描者则按扫描间隔和扫描窗口打开接收机，捕获广播包。扫描分为被动扫描和主动扫描：被动扫描只接收广播包；主动扫描在收到可连接广播包后，还会发送 SCAN_REQ 请求扫描响应（SCAN_RSP），以获取更多数据。nRF SDK 中通过 ble_gap_adv_start() 启动广播，通过 ble_gap_scan_start() 启动扫描。

三、广播数据格式：AD Structure 详解

广播有效载荷最多 31 字节（BLE 5.0 扩展广播可更长，但传统广播仍为 31 字节），由若干 AD Structure 串联而成。每个 AD Structure 的第一个字节是长度字段，表示后续“类型+数据”的总字节数；第二个字节是 AD Type，常见类型包括：

0x01：Flags，指示设备是否可连接、是否支持 BR/EDR 等；
0x09：Complete Local Name，完整设备名；
0x03：Complete List of 16-bit Service UUIDs，完整 16 位服务 UUID 列表；
0xFF：Manufacturer Specific Data，厂商自定义数据。

例如，要广播设备名 “NRF_Node” 并携带厂商数据，可构造如下字节序列（十六进制）：

02 01 06              // Flags: LE General Discoverable, BR/EDR Not Supported
09 09 4E 52 46 5F 4E 6F 64 65   // Complete Local Name: "NRF_Node"
05 FF 01 02 03 04     // Manufacturer Data: Company ID 0x0201, 数据 03 04

注意长度字段的计算：02 01 06 中，长度 0x02 表示后面有 2 字节（类型 0x01 + 数据 0x06）。09 09 ... 中，长度 0x09 表示后面有 9 字节（类型 0x09 + 8 字节名称）。厂商数据中，长度 0x05 表示后面 5 字节（类型 0xFF + 2 字节公司 ID + 2 字节自定义数据）。

四、自定义广播内容与 nRF 实现

在 nRF5 SDK 中，自定义广播数据通过 ble_advdata_t 结构体配置，再调用 ble_advdata_encode() 编码为字节流。以下示例展示如何设置设备名、UUID 和厂商数据：

ble_advdata_t advdata;
memset(&advdata, 0, sizeof(advdata));

advdata.name_type = BLE_ADVDATA_FULL_NAME;
advdata.include_appearance = false;
advdata.flags = BLE_GAP_ADV_FLAGS_LE_ONLY_GENERAL_DISC_MODE;

ble_uuid_t adv_uuids[] = {{0x180F, BLE_UUID_TYPE_BLE}}; // Battery Service
advdata.uuids_complete.uuid_cnt = sizeof(adv_uuids) / sizeof(adv_uuids[0]);
advdata.uuids_complete.p_uuids = adv_uuids;

uint8_t manuf_data[] = {0x01, 0x02, 0x03, 0x04};
advdata.p_manuf_specific_data = &manuf_specific_data;
advdata.p_manuf_specific_data->company_identifier = 0x0201;
advdata.p_manuf_specific_data->data.size = sizeof(manuf_data);
advdata.p_manuf_specific_data->data.p_data = manuf_data;

ble_advdata_encode(&advdata, adv_data_buf, &adv_data_len);
ble_gap_adv_set_configure(&m_adv_handle, &adv_data, &adv_params);

其中 BLE_GAP_ADV_FLAGS_LE_ONLY_GENERAL_DISC_MODE 表示通用可发现模式，设备名会以完整名称类型写入。厂商数据的公司 ID 由 Bluetooth SIG 分配，示例中 0x0201 为假设值，实际开发需替换为合法 ID。

五、广播间隔与功耗权衡

广播间隔（Advertising Interval）是两次广播事件之间的时间，范围 20 ms 到 10.24 s，步进 0.625 ms。间隔越短，被发现越快，但射频开启越频繁，平均功耗越高。以 nRF52832 为例，在 0 dBm 发射功率下，一次广播事件约持续 1~2 ms，若间隔设为 100 ms，则占空比约 1%~2%；若设为 1 s，占空比降至 0.1%~0.2%，平均电流可从数百微安降至几十微安。

实际选择需结合场景：配网阶段可用 100 ms 快速广播，便于手机迅速发现；配网完成后若仍需保持可连接，可延长至 500 ms~1 s；若仅需周期性广播传感器数据且不需连接，可采用 2 s 以上间隔，并配合广播事件后的休眠。nRF SDK 中通过 ble_gap_adv_params_t 的 interval 字段设置，单位为 0.625 ms，例如 160 对应 100 ms。

实践提示：广播间隔并非越短越好。过短的间隔会导致广播信道拥塞，尤其在多设备环境中可能增加丢包率。建议先用 100~200 ms 完成配网，再根据功耗预算调整。若使用扩展广播（BLE 5.0），可携带更多数据，但需确认手机端支持。

总结来看，BLE 广播是协议栈中连接物理射频与上层应用的关键环节。掌握 AD Structure 的字节构造、GAP 角色切换以及广播间隔对功耗的影响，才能在 nRF 平台上设计出既可靠又省电的智能家居终端。