Android 4.2藍(lán)牙介紹

藍(lán)牙一詞源于公元十世紀(jì)丹麥國(guó)王HaraldBlatand名字中的Blatand。Blatand的英文之意就是Blue tooth。這是因?yàn)檫@位讓丹麥人引以為傲的國(guó)王酷愛吃藍(lán)莓以至于牙齦都被染成藍(lán)色。由于Blatand統(tǒng)一了丹麥和挪威，所以，作為無(wú)線通信技術(shù)的一種，藍(lán)牙技術(shù)之所以取名Bluetooth可謂志向遠(yuǎn)大。不過(guò)，在以Android為代表的智能機(jī)出現(xiàn)以前，藍(lán)牙在早期智能機(jī)甚至功能機(jī)中一直扮演著“雞肋”的角色。那么，隨著無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展以及Android的普及，藍(lán)牙能給我們帶來(lái)哪些新的變化呢？

本文將從藍(lán)牙核心規(guī)范的發(fā)展歷史、最具應(yīng)用前景的幾個(gè)藍(lán)牙Profile以及Android 4.2中藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)情況等幾個(gè)方面向讀者介紹藍(lán)牙技術(shù)。
一 藍(lán)牙規(guī)范介紹

作為一種通用的無(wú)線通信技術(shù)，規(guī)范自然是藍(lán)牙技術(shù)的核心。藍(lán)牙規(guī)范可分為兩個(gè)層次，如圖1所示：

由圖1可知藍(lán)牙規(guī)范包括：

Core Specification（核心規(guī)范），用于規(guī)定藍(lán)牙設(shè)備必須實(shí)現(xiàn)的通用功能和協(xié)議層次。它由軟件和硬件模塊組成，兩個(gè)模塊之間的信息和數(shù)據(jù)通過(guò)主機(jī)控制接口（HCI）的解釋才能進(jìn)行傳遞。

Profiles（藍(lán)牙應(yīng)用規(guī)范），它從應(yīng)用場(chǎng)景的角度為藍(lán)牙技術(shù)的使用制定了不同的規(guī)范。這也是和大眾日常生活接觸最多的一部分。藍(lán)牙支持很多Profiles，下文將介紹幾種使用最廣泛的藍(lán)牙應(yīng)用規(guī)范。

1.1  藍(lán)牙核心規(guī)范介紹

核心規(guī)范是藍(lán)牙協(xié)議家族的基礎(chǔ)，自藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（Bluetooth SIG，Special Interest Group）在1999年頒布藍(lán)牙核心規(guī)范1.0版本以來(lái)，到目前為止藍(lán)牙SIG一共發(fā)布了七個(gè)重要版本。每一個(gè)版本都促使藍(lán)牙技術(shù)朝著更快、更安全、更省電的方向發(fā)展。表1所示為藍(lán)牙核心規(guī)]發(fā)展歷史。

 藍(lán)牙核心規(guī)范發(fā)展介紹

表1中，

EDR：全稱為Enhanced Data Rate。通過(guò)提高多任務(wù)處理和多種藍(lán)牙設(shè)備同時(shí)運(yùn)行的能力，EDR使得藍(lán)牙設(shè)備的傳輸速度可達(dá)3Mbps。

HS： 全稱為High Speed。HS使得Bluetooth能利用WiFi作為傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其支持的傳輸速度最高可達(dá)24Mbps。其核心是在802.11的基礎(chǔ) 上，通過(guò)集成802.11協(xié)議適配層，使得藍(lán)牙協(xié)議?？梢愿鶕?jù)任務(wù)和設(shè)備的不同，選擇正確的射頻。

BLE：全稱為Bluetooth Low Energy。藍(lán)牙規(guī)范4.0最重要的一個(gè)特性就是低功耗。BLE使得藍(lán)牙設(shè)備可通過(guò)一粒紐扣電池供電以維持續(xù)工作數(shù)年之久。很明顯，BLE使得藍(lán)牙設(shè)備在鐘表、遠(yuǎn)程控制、醫(yī)療保健及運(yùn)動(dòng)感應(yīng)器等市場(chǎng)具有極光明的應(yīng)用場(chǎng)景。

雖然藍(lán)牙4.0規(guī)范3年就發(fā)布，但目前使用最廣泛的藍(lán)牙核心規(guī)范版本還是3.0。智能手機(jī)中只有Iphone 4S，Iphone5，三星GallaxyS3、S4、Note2等少數(shù)設(shè)備支持藍(lán)牙4.0。不過(guò)，Google已經(jīng)在Android 4.3中添加了對(duì)4.0的支持。很明顯，隨著Android的持續(xù)推進(jìn)和眾多廠商的齊力支持，筆者估計(jì)在未來(lái)較短的一段時(shí)間內(nèi)，藍(lán)牙核心規(guī)范4.0將得到迅速普及。表2是經(jīng)典藍(lán)牙與低功耗藍(lán)牙的一些區(qū)別：

經(jīng)典藍(lán)牙與低功耗藍(lán)牙的區(qū)別

那么，藍(lán)牙核心規(guī)范4.0有什么特別之處呢？藍(lán)牙核心規(guī)范4.0的模塊如圖2所示：

由圖2可知，藍(lán)牙核心規(guī)范4.0的模塊增加了以下幾個(gè)藍(lán)牙低功耗組件。

GATT表示服務(wù)器屬性和客戶端屬性，描述了屬性服務(wù)器中使用的服務(wù)層次，特點(diǎn)和屬性。BLE設(shè)備使用它作為藍(lán)牙低功耗應(yīng)用規(guī)范的服務(wù)發(fā)現(xiàn)。

ATT實(shí)現(xiàn)了屬性客戶端和服務(wù)器之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議。ATT客戶端給ATT服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)命令。ATT服務(wù)器向ATT客戶端發(fā)送回復(fù)和通知。

SMP用于生成對(duì)等協(xié)議的加密密鑰和身份密鑰。SMP管理加密密鑰和身份密鑰的存儲(chǔ)，它通過(guò)生成和解析設(shè)備的地址來(lái)識(shí)別藍(lán)牙設(shè)備。

1.2 藍(lán)牙應(yīng)用規(guī)范[②]

藍(lán)牙SIG根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景定義了不同的藍(lán)牙應(yīng)用規(guī)范，截止到現(xiàn)在，發(fā)布了40個(gè)藍(lán)牙應(yīng)用規(guī)范。本節(jié)介紹最常用的五個(gè)的藍(lán)牙應(yīng)用規(guī)范。
1.2.1 Advanced Audio Distribution Profile

Advanced Audio Distribution Profile 簡(jiǎn)稱為A2DP（高質(zhì)量音頻分發(fā)規(guī)范）定義了如何將立體聲質(zhì)量的音頻通過(guò)流媒體的方式從媒體源傳輸?shù)浇邮掌魃稀2DP使用Asynchronous Connectionless Link（ACL，藍(lán)牙異步傳輸）信道傳輸高質(zhì)量音頻內(nèi)容，它依賴于Generic Audio/Video Distribution Profile（GAVDP，通用音頻/視頻分發(fā)規(guī)范）。A2DP必須支持低復(fù)雜度及Sub-bandCodec（SBC，低帶寬編解碼），可選支持MPEG1，2音頻，MPEG2、4AAC。A2DP的應(yīng)用場(chǎng)景如圖4[1]所示：A2DP的應(yīng)用場(chǎng)景

由圖3可知，A2DP有兩種應(yīng)用場(chǎng)景分別是播放和錄音。

播放場(chǎng)景是具有藍(lán)牙功能的播放器通過(guò)A2DP向藍(lán)牙耳機(jī)或藍(lán)牙立體聲揚(yáng)聲器傳送高質(zhì)量音頻。

錄音場(chǎng)景是具有藍(lán)牙功能的麥克風(fēng)通過(guò)A2DP向藍(lán)牙錄音器傳送高質(zhì)量音頻。

和A2DP相關(guān)的規(guī)范有Video Distribution Profile（VDP，視頻分發(fā)規(guī)范），Audio/Video Remote Control Profile（AVRCP，音頻/視頻運(yùn)程控制規(guī)范）。

1.2.2  Object Push Profile

OPP（對(duì)象推送規(guī)范）定義了推送服務(wù)器和客戶端之間基于Generic Object Exchange Profile（GOEP，通用對(duì)象交換規(guī)范）進(jìn)行對(duì)象交換的規(guī)范。OPP的應(yīng)用場(chǎng)景如圖4所示：

由圖4可知，OPP主要用于手機(jī)與手機(jī)或者手機(jī)與電腦之間通過(guò)藍(lán)牙進(jìn)行文件操作?？山粨Q的文件類型有電話本，備忘錄，日程表等文本文件，還有視頻，聲音，圖片，音樂等多媒體文件。

Wi-Fi Direct（WiFi直連）[③]和藍(lán)牙OPP有相同的功能。WiFi直連是WiFi設(shè)備之間不需要無(wú)線路由器，直接進(jìn)行對(duì)象交換。它的優(yōu)點(diǎn)是傳輸距離長(zhǎng)、速度快，缺點(diǎn)是功耗高。
1.2.3 Hands-Free Profile

HFP（HFP，免提規(guī)范）定義了藍(lán)牙音頻網(wǎng)關(guān)設(shè)備如何通過(guò)藍(lán)牙免提設(shè)備撥打和接聽電話。HFP的應(yīng)用場(chǎng)景如圖5所示：

由圖5可知，HFP包括兩個(gè)角色：

Audio Gateway（AG，音頻網(wǎng)關(guān)）和Hands-Free Unit（HF，免提設(shè)備）。AG是音頻輸入和輸出的設(shè)備，典型的AG設(shè)備是手機(jī)。HF是執(zhí)行音頻網(wǎng)關(guān)的遠(yuǎn)程音頻輸入輸出設(shè)備。

HFP常見的場(chǎng)景是汽車上的車載套件，當(dāng)車載套件和耳機(jī)通過(guò)藍(lán)牙方式連接到手機(jī)時(shí)，通過(guò)無(wú)線藍(lán)牙耳機(jī)撥打和接聽電話。

和HFP相關(guān)的規(guī)范有Headset Profile（HSP，耳機(jī)規(guī)范），Phonebook Access Profile（PBAP，電話簿訪問(wèn)規(guī)范。
1.2.4 Heart Rate Profile

HRP（心率規(guī)范）定位與和醫(yī)療/健康相關(guān)的應(yīng)用場(chǎng)景中，它使得藍(lán)牙設(shè)備能與心率傳感器交互。相關(guān)場(chǎng)景如圖6所示：

由圖6可知：

左圖是HRP定義的角色關(guān)系。HRP中有兩個(gè)角色：心率感應(yīng)器和收集器。心率感應(yīng)器是GATT服務(wù)器，是測(cè)量心率的設(shè)備，它包含心率服務(wù)和設(shè)備信息服務(wù)，心率服務(wù)導(dǎo)出心率測(cè)量數(shù)據(jù)；收集器是GATT客戶端，是從心率感應(yīng)器接收心率測(cè)量數(shù)據(jù)和其它數(shù)據(jù)的設(shè)備。

右圖是HRP的應(yīng)用場(chǎng)景。心率規(guī)范用于讓設(shè)備獲得心率傳感器的心率測(cè)量和其它數(shù)據(jù)。例如，護(hù)士或醫(yī)生可以用心率傳感器測(cè)量病人的心率，并把心率數(shù)據(jù)傳到筆記本或手持設(shè)備上。

隨著人口老齡化，醫(yī)療設(shè)備和醫(yī)護(hù)人員資源不足，可以運(yùn)用藍(lán)牙健康規(guī)范實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療。筆者所在的Tieto公司在Android平臺(tái)上運(yùn)用心率規(guī)范開發(fā)了心率測(cè)量的原型程序，詳細(xì)介紹請(qǐng)看視頻http://www.youtube.com/watch?v=r_t-hstRgDs&feature=youtu.be。

和HRP相關(guān)的健康規(guī)范有Glucose Profile（GLP，血糖規(guī)范），Blood Pressure Profile（BLP，血壓規(guī)范BLP），Health Thermometer Profile（HTP，健康體溫計(jì)規(guī)范）。
1.2.5 Cycling Speed and Cadence Profile

CSCP（自行車速度和步調(diào)規(guī)范）讓人們?cè)隍T自行車鍛煉時(shí)跟蹤速度和節(jié)奏。CSCP也基于GATT的規(guī)范。自行車速度和步調(diào)規(guī)范的角色關(guān)系和應(yīng)用場(chǎng)景如圖7所示：

左 圖是CSCP的角色關(guān)系。CSCP定義了兩個(gè)角色：自行車速度和步調(diào)感應(yīng)器和收集器。CSC感應(yīng)器是GATT服務(wù)器，向收集器報(bào)告車輪轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)或軸轉(zhuǎn)速數(shù) 據(jù)。CSC感應(yīng)器包含CSC服務(wù)和設(shè)備信息服務(wù)；收集器是GATT客戶端，從CSC感應(yīng)器接收自行車的速度和步調(diào)數(shù)據(jù)。

右圖是CSCP的應(yīng)用場(chǎng)景。傳感器測(cè)量被廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)和健身，通過(guò)傳感器來(lái)監(jiān)視和控制訓(xùn)練強(qiáng)調(diào)，以及在多個(gè)訓(xùn)練中衡量進(jìn)展情況。自行車速度傳感器和自行車踏頻傳感器是用戶測(cè)量車輪速度或蹬踏節(jié)奏的設(shè)備。任何設(shè)備實(shí)現(xiàn)CSC規(guī)范可以與CSC傳感器連接并接收數(shù)據(jù)。

和CSCP相關(guān)的規(guī)范有Running Speed and Cadence Profile（RSCS，跑步速度和步調(diào)規(guī)范）。
二 Android中的Bluetooth

Android 4.2之前，Google一直使用的是Linux官方藍(lán)牙協(xié)議棧，即知名老牌開源項(xiàng)目BlueZ。BlueZ實(shí)際上是由高通公司在2001年5月基于GPL協(xié)議發(fā)布的一個(gè)開源項(xiàng)目，該項(xiàng)目?jī)H發(fā)布一個(gè)月后就被Linux之父Linux Torvalds納入了Linux內(nèi)核，并做為L(zhǎng)inux 2.4.6內(nèi)核的官方藍(lán)牙協(xié)議棧。隨著Android設(shè)備的流行，BlueZ也得到了極大的完善和擴(kuò)展。例如Android 4.1中BlueZ的版本升級(jí)為4.93，它支持藍(lán)牙核心規(guī)范4.0，并實(shí)現(xiàn)了絕大部分的Profiles。

BlueZ現(xiàn)在正處于其巔峰時(shí)期，但好景不長(zhǎng)。從Android 4.2即Jelly Bean開始，Google便在Android源碼中推出了它和博通公司一起開發(fā)的BlueDroid以替代BlueZ。雖然因?yàn)闀r(shí)間及成熟度的原因，大部分手機(jī)廠商在Android 4.2中仍繼續(xù)使用BlueZ。但據(jù)筆者了解，BlueZ的創(chuàng)始者，高通公司也將在基于其芯片的Android參考設(shè)計(jì)中去除BlueZ，并僅支持BlueDroid。

BlueZ的未來(lái)如何筆者姑且不論。不過(guò)，能讓高通改弦易轍，BlueDroid自有其合理之處。相比BlueZ，BlueDroid最值得稱道的地方就是其框架結(jié)構(gòu)變得更為簡(jiǎn)潔和清晰。另外，借助HAL（Hardware Abstraction Layer，硬件抽象層），BlueDroid終于不再和dbus有任何瓜葛。圖8所示為Android 4.2中BlueDroid的框架結(jié)構(gòu)圖[④]：

由圖8可知，Android4.2中BlueDroid框架包括以下幾個(gè)部分：

應(yīng)用程序通過(guò)android.bluetooth package下的API來(lái)調(diào)用系統(tǒng)的Bluetooth功能。

應(yīng)用層空間增加了一個(gè)名為Bluetooth的App。它做為系統(tǒng)的bluetooth核心進(jìn)程而存在。其內(nèi)部將通過(guò)JNI來(lái)調(diào)用Bluetooth HAL層以完成各種藍(lán)牙請(qǐng)求。

Bluetooth HAL也屬于Android 4.2新增模塊，它由藍(lán)牙核心規(guī)范硬件抽象層和藍(lán)牙應(yīng)用規(guī)范硬件抽象層組成。由于HAL層的隔離作用，上層代碼可輕松移植到不同芯片平臺(tái)。

作 為整個(gè)藍(lán)牙服務(wù)的核心，Bluetooth Stack模塊則由Bluetooth Application Layer（縮寫為BTA）和Bluetooth Embedded System（縮寫為BTE）兩大部分組成。BTA實(shí)現(xiàn)了藍(lán)牙設(shè)備管理、狀態(tài)管理及一些應(yīng)用規(guī)范。而BTE則通過(guò)HCI與廠商藍(lán)牙芯片交互以實(shí)現(xiàn)了藍(lán)牙協(xié) 議棧的通用功能和相關(guān)協(xié)議。另外，BTE還包括一個(gè)統(tǒng)一內(nèi)核接口（GKI），藍(lán)牙芯片廠商可借助GKI快速輕松得移植藍(lán)牙協(xié)議棧到其他操作系統(tǒng)或手機(jī)平臺(tái) 上。

Vendor Extentions（廠商擴(kuò)展）：開發(fā)者可以添加自定義擴(kuò)展以實(shí)現(xiàn)廠商特定的模塊和組件。

除了BlueDroid外，在今年的Google I/O大會(huì)，谷歌公司還宣布將于與蘋果、微軟和黑莓等公司共同支持Bluetooth Smart Ready（BSR，藍(lán)牙智能就緒）和Bluetooth Smart（BS，藍(lán)牙智能）技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)使藍(lán)牙設(shè)備或應(yīng)用可以非常容易地連接全球成千上萬(wàn)的藍(lán)牙設(shè)備，藍(lán)牙使用者的生活也因此變得更加簡(jiǎn)單。BSR和BS都是建立在藍(lán)牙核心規(guī)范4.0和GATT應(yīng)用規(guī)范。即將發(fā)布的Android 4.3（MR2）支持BSR技術(shù)，使得BS的開發(fā)者可以輕易地將其設(shè)備和應(yīng)用與Android BSR設(shè)備進(jìn)行連接和發(fā)布。藍(lán)牙使用者運(yùn)用BS的智能應(yīng)用配件（如健康監(jiān)控或醫(yī)療設(shè)備）收集數(shù)據(jù)，再傳送到支持BSR設(shè)備（如智能手機(jī)或平板）上。

另外，藍(lán)牙SIG也正在研發(fā)工具Bluetooth Application Accelerator（藍(lán)牙應(yīng)用加速器）。據(jù)可靠消息，該工具將隨Android 4.3發(fā)布，并將幫助開發(fā)者在Android 4.3上快速開發(fā)藍(lán)牙應(yīng)用，從而加快相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)時(shí)間。
三 總結(jié)

本文對(duì)藍(lán)牙核心規(guī)范、藍(lán)牙應(yīng)用規(guī)范以及Android 4.2中的藍(lán)牙協(xié)議棧BlueDroid進(jìn)行了一些簡(jiǎn)單介紹。

從筆者了解的情況來(lái)看，BlueDroid雖然對(duì)BlueZ大有取而代之的趨勢(shì)，但現(xiàn)在它對(duì)藍(lán)牙應(yīng)用規(guī)范的支持還不夠完善。例如BlueDroid僅支持AVRCP 1.0，而非最新的AVRCP 1.5。所以，國(guó)內(nèi)某些芯片或手機(jī)廠商若能及早完成BlueZ相關(guān)模塊到BlueDroid的移植工作，相信能幫助它們?cè)诟?jìng)爭(zhēng)日趨白日化的移動(dòng)世界中拔得先機(jī)。

另外，作為一種成熟、低功耗無(wú)線通信技術(shù)的先鋒，藍(lán)牙未來(lái)在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域中也將扮演越來(lái)越重要的作用。那時(shí)，藍(lán)牙或許就會(huì)真正像“牙齒”一樣成為各種設(shè)備中不可或缺的一部分了。

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