蓝牙技术原理

2.1 蓝牙系统结构

蓝牙的系统结构包括两大模块：应用模块和通信系统模块，通信系统模块连接有蓝牙微带天线。蓝牙系统结构如下所示：

图12 蓝牙系统结构

无线射频通信电路通过蓝牙天线进行无线信号收发，蓝牙天线属于微带天线，微带天线在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用微带先或同轴探针对贴片馈电构成的天线。

如之前所介绍的，蓝牙使用2.4GHz的频段，在天线电平0dBm的基础上建立空中接口，以传统蓝牙为例蓝牙应用程序，当工作在Class 1的功率等级时，无线射频通信电路的最大发射功率约为100mW，系统的传输距离在10~100m之间，系统使用2401MHz到2479MHz频段中共79个频道传输，同时采用跳频技术，每秒达到1600跳的跳频速率，下图为蓝牙微带天线图。

图13 蓝牙微带天线

2.2 蓝牙技术特点

图14 蓝牙技术特点

蓝牙技术的创始主要基于以下需求，实现以短程无线通信：

在早期的两台手机近距离传输互联方式中，常见有蓝牙与红外两种传输方式，其中红外技术不需要设备配对，但需要两台手机紧贴传输（1米以内），现在手机与其他设备互联基本以蓝牙传输为主，但手机红外设备仍然在手机充当各类智能家居遥控器的场合发挥一定作用。

图15 手机近距离传输

2.3 蓝牙物理链路

蓝牙是一个点对点，也可以点对多点的拓扑结构，若干个蓝牙设备可以组成一个网络，如果是点对点结构，则两点之间有一条物理通道，如果是点对多点结构，则他们共享一条物理通道，所有使用物理通道的蓝牙设备，需要通过同步跳频，搜索并发现到相同的跳频模式的设备进行配对，我们吧这些通用一个物理通道的集合称之为微微网（Piconet）。

图16 点对点传输

蓝牙遵循主从架构（master/slave architecture）网络中主动提出通信请求的是主设备（master），被动通信的是从设备（slave）在一个微微网中只有一个设备能称之为主设备，其余的设备都是从设备，一般主设备可以和256个从设备保持同步，但最多只能与其中7个从设备同时通信，如果从设备之间需要相互通信，则必须通过主设备进行转发。

图17 微微网

由多个微微网互联形成的网络称为散射网（Scatternet），当同一区域有多个微微网时，可能存在某个设备成员同时属于两个或多个微微网的情况，该设备可能在微微网1属于主设备，同时，在微微网2属于从设备，此时，该设备就可以作为微微网1和微微网2的网桥存在。

图18 散射网

2.4 蓝牙硬件地址

蓝牙使用BD_ADDR（蓝牙硬件的地址）用来分辨不同的蓝牙设备，如同PC网卡内部都有一个唯一MAC地址，每个蓝牙设备有自己的硬件地址和设备地址码，蓝牙的关键控制参数，如跳频序列、加密钥匙等，都是由此地址计算求得。

各个制造商生产的蓝牙硬件的BD_ADDR必须向SIG申请，保证了该地址的全球唯一性。

表2 蓝牙硬件地址

Company assigned

Company_id

LAP

UAP

NAP

0000 0001 0000 0000 0000 0000

0001 0010

0111 1001 0011 0010

2.5 蓝牙通信过程

两个蓝牙单元之间通信，首先需要查找配对，一般是由一个设备发起呼叫（此时该设备即为主设备），通过查找搜寻传输范围内的被查找设备（此时该设备即为从设备），当主设备找到从设备之后，两者进行配对，部分设备在配对时需要输入识别密码。

配对过程完成后，从设备上的蓝牙单元可记录主设备的信任信息，因此，下次现有主设备向从设备呼叫时，不再需要重新配对。配对完成后，蓝牙之间建立链路，主从设备间可以进行双向通信，在需要时，主从设备均可以发出断链请求，此时，蓝牙链路将断开，配对过程如下所示：

图19 蓝牙通信连接过程

在微微网中，需要配对的若干蓝牙单元，必须使用相同的跳频序列，此时，主设备确定整个微微网的跳频序列和时序。在一个互联的分布式网络中，一个节点设备可以同时存在于多个微微网中，但不能再两个微微网中处于激活状态。

2.6 蓝牙的连接流程

蓝牙的连接流程可以简单描述为：首先，各个从设备开启广播状态（Advertising）;主设备开启扫描状态（Scanning）扫描从机广播；从设备接收到主设备的请求，从设备向主设备发送扫描回应数据；主设备进入发起状态（Initiating）向从设备发起连接；从设备接收到请求开始通信，主从设备进入连接状态（Connected），如下图所示：

图20 蓝牙的连接流程

2.7 蓝牙的工作状态转换

待机状态是初始状态，此时蓝牙不发送数据，也不接收可由其它任何一种状态进入，也可以切换到除连接状态外的任意一种状态；广播状态是由待机状态进入连接成功后，可切换为连接状态；扫描状态是可以通过广播通道接收数据的状态，由待机状态进入，可通过命令将扫描状态切换回待机状态；发起状态由待机状态进入，当连接成功后，发起设备和对应的广播设备都会切换到连接状态；连接状态在通道建立之后，由发球状态或者广播状态自动切换而来，通道断开后，会重新回到待机装填，状态转换图如下所示：

图21 蓝牙工作状态转换图

三、蓝牙技术与物联网应用3.1 蓝牙定位原理与应用

蓝牙定位基于RSSI（Received Signal Strength Indication,信号场强指示）定位原理RSSI在一般的无线通信中均有应用，包括LTE、Wi-Fi、蓝牙等RSSI值可用来判定链接质量，以及是否增大广播发送强度，是无线发送成的可选部分，RSSI的值一般是负值，可用dBm的功率单位衡量，随距离的增大而衰减，该值越接近零说明信号强度越高。

RSSI的值与距离之间的关系有如下公式：

其中：d为接收端到信号源的距离，A为接收端和信号源相隔1米是的信号强度，n为环境衰减因子。

根据定位端的不同，蓝牙定位方式分为网络侧定位和终端侧定位。无论在哪一侧定位，蓝牙通信首先需要接收到广播信号，而定位点距离发射点距离不同会影响接收到的无线信号强度（功率），因此，监测到的蓝牙信号可以作为判断距离待测物体远近的依据。

借此我们可以实现室内的蓝牙实时定位，可将蓝牙发射器（通常称为定位标签）放置到需要定位的物品上，这些标签将其当前位置和接收信号强度（RSSI）传输到整个设施中固定位置的蓝牙接收器（通常称为定位器），再通过服务器将相应信息返回到终端并提示用户。

3.2 iBeacon的应用

iBeacon是苹果公司再iOS7上搭载的一种新功能，通过蓝牙技术进行十分精确的未定位和室内导航并提示用户相比于Wi-Fi和GPS，iBeacon的精度非常准确，可实现范围内的微定位及收发信息，而且，iBeacon技术成本较低，问世之处即有诸多开发商研究利用。

图22 苹果 iBeacons

图23 苹果 iBeacon

iBeacon的主要应用有定位和测距两方面。

定位的实现需要在区域内（主要是室内）设置iBeacon基站，通过手持蓝牙终端收到iBeacon基站发送的与位置相关的UUID号和RSSI值，通过加权的三环定位算法即可定位人员在之内的坐标位置。此方法具有功耗小、时延低、传输距离远的特点，满足了搞定度室内定位的需求，一般所有的基站都均匀分布在所需定位的室内空间中。

（2）测距

iBeacon的传输距离分为3个不同的范围：近距离（immediate）大约只有几厘米距离；中距离（near）在几米之内；远距离（far）大于10米。当用户进入、退出或者在区域内徘徊时，iBeacon的广播有能力进行传播，根据用户和Beacon的距离，这三个距离范围可以相互交互。iBeacon传输的最大距离取决于位置、现场布置、障碍物标准信号有近似的70米，远程信号可达450米。

3.3 iBeacon与GPS对比

随着蓝牙4.0在智能设备上的普及，iBeacon技术的门槛也会越来越低，且相比Wi-Fi，iBeacon定位精度更高、铺设难度小，想象空间依然很大，iBeacon弥补了GPS技术的不足，为用户提供一种低成本、更省电的室内定位追踪技术，另外，iBeacon能根据用户的位置和需求，通过手机应用程序来提供智能化的电子服务，通过将室内定位技术和数据融合，iBeacon创造了一种新型的商业模式，并以此实现了“在恰当的时间将恰当的产品推销给恰当的消费人群”这一营销理念。

从定位上说，在大范围内GPS更为精确只要能接收到四颗卫星的定位信号，就可以进行误差5米内的定位，而且在中国一般都能接受道6-10颗卫星信号，但是由于GPS受天气和位置影响很大，当天气不佳或者处于室内或高架桥下等不易见到天空的地方，GPS就会受到很大的影响，相比之下iBeacon的定位基于蓝牙4.0技术信号稳定，不易受天气干扰，在中短距离内定位相当准确，更适合于室内定位和信息推播。

表3 iBeacon与GPS的对比

指标

GPS定位

iBeacon定位

待机时间

连续工作时间不超过2天

工作时间可达6个月

信号稳定性

信号盲区覆盖多，雷雨天信号差

使用蓝牙4.0技术，不易受天气干扰

定位功能

GPS可实时定位

通过信号强度定位

定位精度

10米左右

1米至几十米

用户身份系统

无

具备唯一认证性

3.4项目案例：蓝牙5.0与资产定位

目前在蓝牙定位应用方面，市面上有以iBeacon为基础的诸多成熟产品，配合蓝牙5.0的高精度定位功能与Wi-Fi技术可实现较为精准的室内定位，定位精度可达厘米级。以下是某档案室的俯视图，我们一次为例单间一个简单的资产定位系统。

图24 案例图

终端侧定位一般用于室内定位导航，精准位置营销等用户终端，网络侧定位主要用于人员跟踪定位，资产定位及客流分析等情境之中。

此外，还有一种反向定位的应用方式将蓝牙网关的扫描范围标记为安全区域，同时将蓝牙标签置于需要监控的重要资产上，一旦iBeacon设备离开安全范围，便能出发后台的安全报警，实现未知追踪的目的，这也是实现安全看护和屋子管理的关键。

（编辑：武陵站长网）

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