蓝牙基础(一)：蓝牙软硬件架构介绍

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liwen01 2025.04.05
前言

随着物联网的发展，蓝牙已融入到我们生活的方方面面：手机、平板、手环、耳机、音响、智能灯泡、智能门铃、摄像机、冰箱、空调、洗衣机、血糖仪、键盘、鼠标等等。
关于蓝牙相关的芯片、协议栈、应用方案也因产品需求的不同而存在很大的差异，因而导致关于蓝牙相关的知识相对比较离散。
(一) 蓝牙版本与类型


 蓝牙与 WiFi 类似，WiFi 属于 IEEE 802.11，蓝牙早期属于 IEEE 802.15.1，后面才由 Bluetooth SIG 独立维护。
蓝牙与 WiFi 的发展基本相似。早期蓝牙追求高速率，现在蓝牙主打：低功耗、低成本、高可靠性。
在蓝牙追求高速率转变到低功耗这个过程中，出现了一些不能相互兼容的蓝牙版本。从技术的角度看，蓝牙的历史版本之间并不太优雅。
(1) 经典蓝牙

蓝牙 1.0 版本的时候速率是 721Kbps, 那时 Modem 速度也才 56Kbps，蓝牙速率远超用户需求。
随着互联网的快速发展，1999 年 WiFi1(802.11b) 支持 11Mbps，2003 年wifi3(802.11g)支持 54Mbps， 2009 年 WiFi4(802.11n) 支持 600Mbps。之后各版本均是以 Gbps 速率为单位。
与此同时的蓝牙，为了追求速率的提升，就在 BR(Basic Rate)的基础上开发了EDR(Enhanced Data Rate)技术。随后在 2009 年，蓝牙又引入了 WiFi 的物理层和 MAC 层，推出了AMP 功能，速率达到了 24Mbps。
但是 BR/EDR 技术与外来的 AMP 并不兼容，只能 2 选 1 使用。
由于蓝牙不能直接连接到互联网，且更加偏向于短距离，点对点连接的应用场景，与 WiFi 相比，蓝牙的优势并不明显。
速率越高，功耗自然就会更大。随着物联网的发展，设备对功耗越加敏感。为了区别于 WiFi，蓝牙开始布局低功耗应用场景。
在2010年，蓝牙推出了低功耗蓝牙BLE, 也就是蓝牙4.0版本。
经典蓝牙与低功耗蓝牙之间也不兼容，所以就有了单模蓝牙和双模蓝牙的说法。

• 单模蓝牙：单一传统蓝牙或是单一低功耗蓝牙。即 1 个 Host 结合 1 个 Controller。
  
• 双模蓝牙：同时支持两种不同模式的蓝牙。即 1 个 Host 结合多个 Controller。
  

(2) 低功耗蓝牙

低功耗蓝牙主要应用于小数据量传输，比如：温湿度采集器、手环、心率检测、血氧测试、电子标签、宠物防丢、智能灯泡、门锁等等物联网设备。
它们一般是将采集到的信号发送到服务端(比如手机)，发完之后设备就进入休眠状态以节省功耗。
在双模设备中，如果传输的数据量比较大，蓝牙会切换为经典模式，比如文件传输、音乐播放等。
BLE 蓝牙目前也支持音乐传输，BLE Audio (基于 Bluetooth 5.2) 通过 LC3 编解码器提升了音质 ，但延迟和带宽仍弱于经典蓝牙。
后续会专门介绍蓝牙耳机的实现原理。
(二) 蓝牙软件协议栈

我们把某个协议的实现代码称为协议栈（protocol stack），蓝牙协议栈就是实现蓝牙协议的代码。
简单来说，蓝牙协议栈就是用来对你的应用数据进行层层封包，以生成一个满足蓝牙协议的空中数据包。

• Controller（控制器） 部分：包含 PHY（物理层）和 LL（链路层），并通过 HCI 和上层通信，主要负责底层无线收发与连接管理。
  
• Host（主机） 部分：包含 L2CAP、SMP、ATT、GATT、GAP 等协议层，为应用提供数据传输、安全、属性组织和访问以及连接管理等功能。
  
• Profiles（应用层）：基于 GATT 定义各种标准化或自定义的服务与特征，用于实现特定应用场景。
  

从上图可以看出，蓝牙协议栈是连接芯片(射频)和应用的桥梁，是实现整个蓝牙应用的关键
目前开源的蓝牙协议栈有:

还有些非开源的蓝牙协议栈，它们主要由商业公司开发和维护，通常是为了提供更好的技术支持、认证、优化和专有功能，比如 windows 和苹果设备。

这里只对蓝牙的协议栈做简单的介绍，更详细的分析放到后面单独介绍。
(三)蓝牙硬件架构

蓝牙软件架构，其实主要也就是蓝牙协议栈。如果要做蓝牙开发，基于不同的硬件方案架构，需要对蓝牙协议栈了解的深度也不一样。
(1) SOC单芯片方案


架构特点:

• 蓝牙协议栈（Host + Controller）和应用处理器集成在同一颗芯片内。
  
• 适用于低功耗、小尺寸、低成本的应用场景。
  
• 典型芯片如 Nordic nRF52 系列、Dialog DA14531、TI CC2640。
  

优势:

• 设计简单，开发成本低，功耗优化较好。
  
• 适用于嵌入式系统，无需额外的 MCU 处理数据。
  

典型应用:

• 蓝牙耳机、智能手环、无线传感器、低功耗 IoT 设备。
  

这种方案一般使用在：蓝牙耳机、智能手环、无线传感器、低功耗 IoT 设备。
从软件开发的角度看，这种方案与普通 MCU 开发相似，因为芯片厂家已经把蓝牙协议栈做了封装，我们只需要调用接口使用就可以了。
(2) SoC 蓝牙 + MCU 方案


架构特点:

• 蓝牙协议栈和射频部分（Host + Controller）集成在蓝牙 SoC 内，MCU 负责上层应用逻辑和数据处理。
  
• 适用于计算需求较高的场景，比如复杂的数据处理或多协议支持。
  
• 典型芯片如 Cypress CYW20719。
  

优势:

• MCU 处理应用层任务，蓝牙 SoC 专注于通信，提高系统性能。
  
• 灵活性较高，可以选用不同性能的 MCU 适配需求。
  

典型应用

• 智能家居、工业控制、医疗设备、蓝牙网关。
  

这种蓝牙方案一般是把蓝牙做成模块形式，MCU只需要通过串口发送响应的 AT 指令来实现蓝牙的不同功能。
对于软件开发来说，这是最简单的一种开发方式，方案的局限就是比较难实现一些自定义的蓝牙功能。
(3) 蓝牙 Host + Controller 分离方案


架构特点:

• 蓝牙协议栈拆分为 Host（高层协议，如 L2CAP、GATT、GAP）和 Controller（低层协议，如 PHY、Link Layer）。
  
• Host 运行在主机（MCU/CPU）上，而 Controller 作为独立模块（蓝牙芯片或蓝牙模块）。
  
• 通过 HCI（Host Controller Interface）进行通信，常见接口有 UART、SPI、USB。
  

优势:

• 适用于计算能力较强的设备，如智能手机、PC、车载系统等。
  
• Host 端可以更灵活地管理多个蓝牙连接，提高可扩展性。
  

典型应用:

• 智能手机、笔记本电脑、车载娱乐系统、嵌入式网关设备。
  

这种方案比较常见的就是我们电脑外接的 USB 蓝牙适配器。USB 适配器只实现了（Controller）的功能。 Host 和应用层由 PC 端根据不同的业务需求去实现蓝牙的不同功能。
(4) 蓝牙 + Wi-Fi 方案


架构特点:

• 蓝牙和 Wi-Fi 共享相同的射频前端，通常由同一颗芯片实现共存。
  
• 适用于需要同时使用 Wi-Fi 和蓝牙的设备，如智能家居、智能音箱。
  
• 典型芯片如 Broadcom BCM4375、Qualcomm QCA9377，AIC8800M40B
  

优势:

• 优化射频共存，降低干扰，提高整体通信性能。
  
• 适用于高吞吐量和低功耗结合的应用场景。
  

典型应用:

• 智能手机、智能电视、物联网网关、车载娱乐系统。
  

目前 IPC 摄像机中支持蓝牙配网的设备都基本是使用这种方案。
在配网的时候使用蓝牙将路由器 ssid、 password 等信息由手机传递到设备中。
WiFi 模块在根据蓝牙接收到的 ssid、 password 去连接路由器，之后的音视频等数据都是通过 WiFi 传递到 IOT 平台或手机上。
结尾

这里主要介绍了下蓝牙的软件协议栈和硬件架构方案，如果不对，欢迎评论指出。下一篇将介绍蓝牙核心系统架构。
 
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