物联网这个词，相信大家耳朵都听出茧子了。简单来说，物联网就是把各种设备连起来，接入网络，让它们能互相聊聊天。无线技术在物联网里可是个大明星，尤其是低功耗蓝牙BLE，堪称省电小能手。今天咱们就来聊聊BLE的那些事儿，从基本原理到协议栈，再到用nRF52整一个BLE外设的实战案例，带你从零到一彻底搞懂BLE！
BLE是什么
低功耗蓝牙BLE，全称Bluetooth Low Energy，是一种专为低功耗场景设计的无线通信技术，运行在2.4GHz ISM频段。它的目标很明确：让设备用最少的电量，干最多的活，特别适合那些需要靠电池撑上几个月甚至几年的应用场景，比如智能手环、温度传感器。
BLE的起源得追溯到蓝牙技术的早期。蓝牙这名字，来自10世纪丹麦国王哈拉尔·蓝牙，象征着连接与统一。1994年，爱立信推出了初版蓝牙，主要是为了取代有线连接，比如鼠标、键盘这种。到了2010年，蓝牙4.0横空出世，带来了BLE这个新物种。注意，BLE并不是传统蓝牙的升级版，而是全新设计的产物，专为物联网场景优化，数据量小、速率低，但省电到飞起。
传统蓝牙和BLE的恩怨情仇
传统蓝牙和BLE虽然都姓蓝牙，但技术上完全是两种生物，互不兼容，用途也大不同。传统蓝牙适合音频流、文件传输这种需要持续高带宽的场景，而BLE则是传感器数据、设备控制这些低带宽应用的首选。
来个直观的对比：
传统蓝牙：擅长流式传输，比如耳机听歌、文件分享，最高速率3Mbps，功耗较高，跑在79个射频通道上。
BLE：专为低功耗设计，适合断续传输小数据包，最高速率2Mbps（蓝牙5后），用40个通道，其中3个专门用来广播，连接速度更快。
BLE自2010年问世后，进化速度很快。2016年的蓝牙5带来了速度翻倍、距离提升4倍、广播数据量增8倍的硬核升级。2019年的蓝牙5.1又引入了AoA和AoD测向技术，让定位更精准。
BLE的优点与局限
任何技术都有两面性，BLE也不例外。搞清楚它的优缺点，才能判断适不适合你的项目。
优点：
超低功耗：BLE通过尽量让射频休眠、传输小数据包来省电
规格免费：蓝牙SIG的文档随便看，不像某些协议得交会员费
芯片便宜：BLE模块和芯片价格亲民，性价比高
局限：
吞吐量有限：BLE的物理层速率受限，干不了大数据传输的活
距离短：BLE设计初衷是短距离通信，2.4GHz频段容易被墙、金属、人体干扰，实际距离其实经常受限
需要网关：BLE设备想联网，必须通过另一个支持IP的设备中转，比如手机或网关
BLE协议栈全解析
BLE的协议栈看着复杂，其实拆开看就简单了。
以下是BLE协议栈的层级示意图（实际开发中你主要关心上层）：
物理层PHY：负责射频通信，跑在2.4GHz ISM频段，调制解调数据。
链路层Link Layer：跟物理层打交道，管理射频状态和时序，严格遵守BLE规范。
直接测试模式Direct Test Mode：用来测试射频性能，比如发射功率、接收灵敏度。
主机控制器接口HCI：主机和控制器通信的桥梁，可能在同一芯片，也可能分芯片实现。
逻辑链路控制与适配协议L2CAP：负责协议多路复用，把上层数据打包成标准BLE数据包。
安全管理器Security Manager：定义配对、绑定、认证、加密等安全机制。
属性协议ATT：规定服务器如何向客户端暴露数据，分为服务器（暴露数据）和客户端（读取或控制）两种角色。
作为开发者，ATT以上的层是你重点关注的，尤其是GAP和GATT，下面详细展开。
GAP、广播、扫描和连接
GAP，通用访问配置文件，定义了BLE设备如何互相发现、连接、通信。核心包括设备角色、广播、连接建立和安全。
设备角色：
广播者Broadcaster：只发广播包，不接受连接，比如Beacon。
观察者Observer：只监听广播包，不发起连接。
中心设备Central：主动扫描、发起连接，比如手机。
外设Peripheral：发送广播并接受连接，比如智能手环。
一个设备可以身兼多职，比如手机既可以是中心设备连手环，也可以是外设连电脑。
广播与扫描： BLE有40个射频通道，每通道间隔2MHz，其中3个主广播通道（37、38、39）专门用来发广播包。外设以固定间隔（广播间隔）发送广播包，中心设备通过扫描这3个通道发现外设。广播包里可以塞设备名、UUID等信息。为了提高发现效率，广播和扫描参数得调好，比如缩短广播间隔或延长扫描窗口。
连接： 连接的建立是个精密的舞蹈：
外设发送可连接的广播包。
中心设备扫描，收到广播包后发送连接请求。
外设在广播后短时间内监听同一通道，收到请求后双方开始建连。
连接创建后，中心设备变为主设备Master，外设变为从设备Slave。
连接正式建立需要双方互发数据包确认。
连接事件： 连接后，双方通过连接事件交换数据。主设备先发包，从设备必须回复，否则主设备会关闭本次事件。连接间隔决定事件频率，典型值在7.5ms到4s之间。还可以通过从设备延迟（Slave Latency）让从设备跳过某些事件进一步省电。
GATT、服务与特征值
GATT，通用属性配置文件，定义了BLE设备如何组织和传输数据。GATT有两种角色：
服务器Server：暴露数据的设备，比如手环提供心率数据。
客户端Client：读取或控制服务器的设备，比如手机读取心率。
一个设备可以同时是服务器和客户端，比如手环既提供心率数据，也可能读取手机的通知。
服务与特征值：
属性Attribute：服务器暴露的数据单元，服务和特征值都是属性的子集。
服务Service：一组相关属性的集合，代表特定功能。比如电池服务包含电池电量特征值。
特征值Characteristic：服务里的具体数据点，比如电池电量特征值表示剩余电量百分比。
服务和特征值的结构像个树：一个服务下挂多个特征值，每个特征值代表一个具体数据或控制点。GATT操作包括：
命令Command：客户端发给服务器，不需回复，比如写命令。
请求Request：需要服务器回复，比如读请求、写请求。
响应Response：服务器对请求的回复。
通知Notification：服务器主动推数据给客户端，客户端不用回复。
指示Indication：类似通知，但需要客户端确认。
确认Confirmation：客户端对指示的确认。
通知和指示通过客户端特征值配置描述符CCCD控制，写1启用通知，写2启用指示，写0禁用。
总结
从协议栈到实际开发，BLE虽然细节多，但核心逻辑不复杂：广播、连接、数据交互。希望这篇文章能让你对BLE有个全面认识，如果你有啥BLE开发的心得或问题，欢迎留言。