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丽江富疑电子科技有限公司_详解BLE连接建立过程

同一款手机,为什么跟某些设备可以连接成功,而跟另外一些设备又连接不成功?同一个设备,为什么跟某些手机可以建立连接,而跟另外一些手机又无法建立连接?同一个手机,同一个设备,为什么他们两者有时候连起来很快,有时候连起来又很慢?Master是什么?slave又是什么?什么又是Connection event和slave latency?希望这篇文章能帮助你回答上述问题。

BLE连接示例

假设我们有一台手机A(以安卓手机为例),一个设备B(设备名称:Nordic_HRM),如下所示,我们可以通过安卓设置菜单里面的蓝牙界面,让两者连接起来。

  1. 打开安卓设置菜单
  2. 选择“蓝牙”条目
  3. 打开蓝牙
  4. 等待系统搜索结果,不出意外的话,设备“Nordic_HRM”会出现在结果列表中
  5. 点击“Nordic_HRM”,手机将与此设备建立连接

上述即为大家直观感受到的“连接”,那么手机要与设备Nordic_HRM建立连接,具体包含哪些流程?他们为什么可以连接成功?下面给大家一一道来。

广播(advertising)

在手机跟设备B建立连接之前,设备B需要先进行广播,即设备B(Advertiser)不断发送如下广播信号,t为广播间隔。每发送一次广播包,我们称其为一次广播事件(advertising event),因此t也称为广播事件间隔。虽然图中广播事件是用一根线来表示的,但实际上广播事件是有一个持续时间的,蓝牙芯片只有在广播事件期间才打开射频模块,这个时候功耗比较高,其余时间蓝牙芯片都处于idle状态,因此平均功耗非常低,以Nordic nRF52810为例,每1秒钟发一次广播,平均功耗不到11uA

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上面只是一个概略图,按照蓝牙spec,实际上每一个广播事件包含三个广播包,即分别在37/38/39三个通道上同时广播相同的信息,即真正的广播事件是下面这个样子的。

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设备B不断发送广播信号给手机(Observer),如果手机不开启扫描窗口,手机是收不到设备B的广播的,如下图所示,不仅手机要开启射频接收窗口,而且只有手机的射频接收窗口跟广播发送的发射窗口匹配成功,手机才能收到设备B的广播信号。由于这种匹配成功是一个概率事件,因此手机扫到设备B也是一个概率事件,也就是说,手机有时会很快扫到设备B,比如只需要一个广播事件,手机有时又会很慢才能扫到设备B,比如需要10个广播事件甚至更多。

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建立连接(connection)

根据蓝牙spec规定,advertiser发送完一个广播包之后150us(T_IFS),advertiser必须开启一段时间的射频Rx窗口,以接收来自observer的数据包。Observer就可以在这段时间里给advertiser发送连接请求。如下图所示,手机在第三个广播事件的时候扫到了设备B,并发出了连接请求conn_req

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上图的交互流程比较粗略,为此我们引入下图,以详细描述连接建立过程。

图5:连接建立过程

注:图中M代表手机,S代表设备B,M->S表示手机将数据包发给设备B,即手机开启Tx窗口,设备B开启Rx窗口;S->M正好相反,表示设备B将数据包发给手机,即设备B开启Tx窗口,手机开启Rx窗口。

如图所示,手机在收到A1广播包ADV_IND后,以此为初始锚点(这个锚点不是连接的锚点),T_IFS后给Advertiser发送一个connection request命令,即A2数据包,告诉advertiser我将要过来连你,请做好准备。Advertiser根据connect_req命令信息做好接收准备,connect_req包含如下关键信息:

  • Transmit window offset,定义如图5所示
  • Transmit window size,定义如图5所示
  • connect_req数据包完整定义如下所示??

connect_req其实是在告诉advertiser,手机将在Transmit Window期间发送第一个同步包(P1)给你,请在这段时间里把你的射频接收窗口打开。设备B收到P1后,T_IFS时间后将给手机回复数据包P2。一旦手机收到数据包P2,连接即可认为建立成功。后续手机将以P1为锚点(原点),Connection Interval为周期,周期性地给设备B发送Packet,Packet除了充当数据传送功能,它还有如下两个非常重要的功能:

  1. 同步手机和设备的时钟,也就是说,设备每收到手机发来的一个包,都会把自己的时序原点重新设置,以跟手机同步。
  2. 告诉设备你现在可以传数据给我了。连接成功后,BLE通信将变成主从模式,因此把连接发起者(手机)称为Master或者Central,把被连接者(之前的Advertiser)称为Slave或者Peripheral。BLE通信之所以为主从模式,是因为Slave不能“随性”给Master发信息,它只有等到Master给它发了一个packet后,然后才能把自己的数据回传给Master。

连接失败

有如下几种典型的连接失败情况:

  1. 如图5所示,如果slave在transmit window期间没有收到master发过来的P1,那么连接将会失败。此时应该排查master那边的问题,看看master为什么没有在约定的时间把P1发出来。
  2. 如果master在transmit window期间把P1发出来了,也就是说master按照connect_req约定的时序把P1发出来了,但slave没有把P2回过去,那么连接也会失败。此时应该排查slave这边的问题,看一看slave为什么没有把P2回过去
  3. 如果master把P1发出来了,slave也把P2回过去了,此时主机还是报连接失败,这种情况有可能是master软件有问题,需要仔细排查master的软件。
  4. 还有一种比较常见的连接失败情况:空中射频干扰太大。此时应该找一个干净的环境,比如屏蔽室,排除干扰后再去测试连接是否正常。

Connection events

连接成功后,master和slave在每一个connection interval开始的时候,都必须交互一次,即master给slave发一个包,slave再给master发一个包,整个交互过程称为一个connection event。蓝牙芯片只有在connection event期间才把射频模块打开,此时功耗比较高,其余时间蓝牙芯片都是处于idle状态的,因此蓝牙芯片平均功耗就非常低,以Nordic nRF52810为例,每1秒钟Master和Slave通信1次,平均功耗约为6微安左右。Master不可能时时刻刻都有数据发给slave,所以master大部分时候都是发的空包(empty packet)给slave。同样slave也不是时时刻刻都有数据给master,因此slave回复给master的包大部分时候也是空包。另外在一个connection event期间,master也可以发多个包给slave,以提高吞吐率。综上所述,连接成功后的通信时序图应该如下所示:

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图7: 连接成功后的通信时序图(每个connection event只发一个包)

图9: 连接成功后的通信时序图( connection event可能发多个包)

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图10:connection event细节图

Slave latency

图10中出现了slave latency(slave latency = 2),那么什么叫slave latency?

如前所述,在每一个connection interval开始的时候,Master和Slave必须交互一次,哪怕两者之间交互的是empty packet(空包),但如果slave定义了slave latency,比如slave latency = 9,此时slave可以每9个connection interval才回复一次master,也就是说slave可以在前面8个connection interval期间一直睡眠,直到第9个connection interval到来之后,才回复一个packet给master,这样将大大节省slave的功耗,提高电池续航时间。当然如果slave有数据需要上报给master,它也可以不等到第9个connection interval才上报,直接像正常情况进行传输即可,这样既节省了功耗,又提高了数据传输的实时性。

GAP层角色总结

对上面提到的手机和设备B,在BLE通信过程中,随着时间的推移,他们的状态在发生变化,两者的关系也在发生变化,为此蓝牙spec根据不同的时间段或者状态给手机和设备B取不同的名字,即GAP层定义了如下角色:

  • advertiser。 发出广播的设备
  • observer或者scanner。可以扫描广播的设备
  • initiator。能发起连接的设备
  • master或者central。连接成功后的主设备,即主动发起packet的设备
  • slave或者peripheral。连接成功后的从设备,即被动回传packet的设备

图11通过时间把observer,initiator和central串起来了,其实这三个角色是相互独立的,也就是说一个设备可以只支持observer角色,而不支持initiator和central角色。同样,图11也把advertiser和peripheral串起来了,其实advertiser和peripheral也是相互独立的,即一个设备可以只作为advertiser角色,而不支持peripheral角色。

图11:GAP层角色

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发布时间:02:15:00

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