书名：人工智能和蓝牙硬件开发实战
ISBN：978-7-115-58484-7
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著 谭康喜 赵见星 李亚明 姚 应
责任编辑 傅道坤
人民邮电出版社出版发行 北京市丰台区成寿寺路11号
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本书以作者在小米公司“探索和实践蓝牙设备结合人工智能，开发新一代智能蓝牙语音设备”为背景，以自己积累的智能蓝牙设备开发经验为基础，介绍了将蓝牙技术和人工智能技术相结合，来开发智能硬件的方法与经验。
本书共7章，分别介绍了蓝牙协议的发展历史、协议栈结构以及蓝牙5.2版本的发展动态；小米“小爱同学”使用的人工智能技术，以及小米公司AIoT的战略布局和发展情况；小米智能语音技术及其架构；小米自定义的蓝牙设备与主机之间进行通信的MMA协议；使用MMA协议进行开发实践（通过小爱耳机和小爱鼠标的实际开发来介绍）；在使用MMA协议进行蓝牙设备的功能开发时涉及的主要功能点；小米生态链企业、合作伙伴与小米一起发布智能产品的合作规范和流程。
本书适合有兴趣了解蓝牙设备在人工智能领域中的应用，或者有兴趣从事相关产品开发和实践的蓝牙应用开发工程师、智能硬件开发工程师、蓝牙协议栈开发工程师阅读。
谭康喜，小米公司高级技术专家、教授级高级工程师、中国计算机学会高级会员，从事应用软件、操作系统、驱动程序、无线通信和智能硬件相关的开发工作，曾获得“中国专利优秀奖”“北京优秀青年工程师标兵”荣誉称号；出版独著《低功耗蓝牙智能硬件开发实战》；持有软件著作权2项；申报国内外发明专利230余件，在中国、美国、日本、韩国、欧洲等国家或地区获得专利授权100余件。
赵见星，小米公司高级软件工程师，从事嵌入式系统应用、Linux应用、蓝牙和WiFi相关的开发工作，当前主要负责智能语音和低功耗蓝牙相关的开发工作，在蓝牙语音开发方面具有丰富的经验；出版译著《BackTrack4：利用渗透测试保证系统安全》和《系统安全保证：策略、方法与实践》；申报发明专利10余件。
李亚明，小米公司软件工程师，从事嵌入式系统、Android系统、Linux驱动与应用等相关的开发工作，当前主要负责智能语音与蓝牙解决方案相关的开发工作，在蓝牙协议与蓝牙设备开发方面具有丰富的经验。
姚应，小米公司高级软件工程师，当前负责“小爱同学”蓝牙解决方案相关的开发工作。在加入小米公司之前，曾先后供职于一号店、京东等公司，从事移动端应用开发工作。当前在小米公司主要负责嵌入式系统应用、Linux应用、蓝牙和WiFi相关的开发工作，在移动端App开发、蓝牙、设备语音方面具有丰富的经验。
智能硬件是打造智能家居的基础，也是物联网普及的基础。小米人工智能创新开放平台是一个以智能家居场景为出发点，深度整合人工智能和物联网能力，并为用户、软硬件厂商和个人开发者提供智能场景及软硬件生态服务的开放创新平台。小米人工智能创新开放平台通过支持2000余款智能硬件产品，涵盖了智慧客厅、智慧卧室、智慧厨房和智慧卫浴等智能家居场景，满足了用户对家居生活更舒适、更健康、更智能和更安全的需要及对创新科技体验和美好生活的向往。
小米致力于建设有利于形成开放创新平台成果转化与应用的机制，以创新成果为牵引，有效整合创新链、产业链和金融链，构筑完整的技术和产业生态，并通过设备与云端的互连互通，以及大数据、物联网和人工智能应用场景的汇聚与打通，推动智能硬件生态的建设，最终实现智能硬件生态的规模化和产业化。小米以生态链投资方式，通过典型企业与典型产品“以点带面”，打通智能硬件的设计、制造、供应链、物流、智能连接与控制等通道，以AIoT开放平台的方式向中国智能家居产业赋能，推动硬件行业向智能化转型升级，实现行业的高质量发展。
2014年，亚马逊发布全球首个智能音箱Echo。由于其自然的人机对话和创新体验，Echo在发布之后取得了巨大的成功。随后，国外的谷歌、苹果以及国内的百度、小米、天猫和华为等公司也纷纷跟进，发布了自己的智能音箱产品。
智能音箱在传统音箱的基础上增加了智能化功能，它采用WiFi连接到网络，支持通过App操作设备，还可以和用户进行语音交互。而且，智能音箱提供了音乐服务、有声读物、信息查询、智能家居控制，甚至外卖预定等功能。由此可见，智能音箱给我们的生活带来了极大的方便，也将我们带入智能生活时代。
2020年3月，知名数据调查机构IDC发布《中国智能家居设备市场季度跟踪报告》。该报告显示，2019年中国智能音箱市场出货量达到4589万台，同比增长109.7%。市场之火热可见一斑。在智能音箱销售火爆的背后，离不开语音识别、信号处理、人声检测等语音技术的进步，也离不开自然语言处理、大数据分析等技术的积累。
智能音箱的发展历程证明了设备智能化的强大生命力。但是，由于智能音箱基于WiFi无线技术，功耗较高，体型较大，不太适合室外移动场景。而使用蓝牙技术的蓝牙音箱、蓝牙耳机和蓝牙手环等设备则是基于手机的移动附件，它们无论是在功耗还是体积上都有了很大的改进和性能提升。且近些年TWS（True Wireless Stereo，真无线立体声）蓝牙耳机和蓝牙手环等发展迅速，用户对蓝牙移动附件的智能化亦有较强需求。
小米公司的人工智能团队基于此背景，在蓝牙与人工智能相结合的方向进行了大量的探索和实践，并于2018年11月推出了小米小爱蓝牙音箱，之后连续推出了一系列TWS智能蓝牙耳机。借助于手机上的“小爱同学”语音助手，这些蓝牙附件实现了智能语音交互、OTA升级以及设备的控制等功能。与此同时，小米公司打造了蓝牙设备接入开放平台，通过与大量的蓝牙芯片厂商、方案厂商和设备厂商进行广泛的技术及商务合作，接入了大量的蓝牙设备，从而与业界一起共同促进了智能蓝牙产业的发展。
小米公司人工智能团队在上述的背景下，将积累的实践经验进行总结，最终形成了本书，旨在吸引更多的从业人员进入智能蓝牙开发领域，从而为智能蓝牙产业的发展贡献一份力量。
本书以探索、实践蓝牙设备与人工智能的有机结合，开发新一代智能蓝牙语音设备为背景，首先介绍了传统蓝牙技术协议、蓝牙发展趋势、人工智能技术的发展，以及人工智能结合蓝牙产生的新应用场景，然后介绍了小米人工智能技术在蓝牙设备上的实践和运用，并详细阐述了如何设计和应用供蓝牙设备与手机进行交互的协议，最后介绍了小米生态链企业及第三方产品如何与小米协作，以共同快速发布具备人工智能特色的产品。
本书分为3个部分，共7章，具体内容如下。
第1部分，简要介绍了蓝牙和人工智能技术，以及小米公司在AIoT战略下的发展情况。
第2部分，介绍了小米智能语音技术在蓝牙设备领域的开发实践。
第3部分，小米人工智能生态。
本书内容涵盖了小米人工智能技术在蓝牙设备领域的关键核心应用和场景，同时也通过基于智能耳机和鼠标的开发实战案例，展示了人工智能与蓝牙进行结合创新的方式，及两者结合之后可带来的新功能和体验。
本书对小米公司使用人工智能技术的历史以及人工智能服务的后台架构、服务接口和接口使用方法进行了详细介绍，有助于应用开发人员、硬件开发人员了解和开发语音类应用。
本书还详细介绍了小米基于人工智能语音助手，实现蓝牙耳机、蓝牙鼠标智能化的开发过程，其间涉及通信协议制定、在Android/iOS/Windows三个系统上的蓝牙开发，以及一些蓝牙设备特色功能的开发等，有助于应用开发人员了解如何开发蓝牙应用。
此外，本书具备人工智能和蓝牙应用开发相结合的交叉特性，因此比较适合对蓝牙设备在人工智能领域的前沿应用感兴趣，或者想从事相关产品开发的工程师、产品经理和企业管理人员阅读。
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蓝牙技术开始于爱立信在1994年提出的通信方案，该通信方案旨在研究移动电话和其他配件进行低功耗、低成本的无线通信的方法。开发人员希望为设备间的无线通信创造一组标准化协议，以解决互不兼容的移动电子设备之间的通信问题，从而取代RS-232串口通信标准。
随着该通信方案的研发进展，爱立信把大量资源投入到短距离无线通信技术的研发上。在爱立信的引领下，很多厂家也逐步进入到该通信方案的开发行列。
1998年5月20日，爱立信联合IBM、英特尔、诺基亚以及东芝等厂商成立蓝牙“特别兴趣小组”（Special Interest Group，SIG）。SIG即蓝牙技术联盟的前身，其目标是推出一个成本低、效益高、可以在短距离范围内随意进行无线连接的技术标准，以实现最大传输速率1Mbit/s、最大传输距离10m的无线通信。
该技术被命名为Bluetooth（蓝牙）。Bluetooth来源于10世纪欧洲丹麦一个国王的绰号，他统一了四分五裂的国家，建立起不朽的功业。该技术被命名为蓝牙，也寓意着该技术可以实现对短距离无线通信标准的统一，成为全球性的通信标准。
当年（1998年），蓝牙推出0.7版，它支持基带（Baseband）与链路管理协议（Link Manager Protocol，LMP）两部分，因此奠定了蓝牙技术的底层协议基础。
截至1999年7月，蓝牙特别兴趣小组先后发布了蓝牙0.8版、0.9版、1.0 Draft版，完成了服务发现协议（Service Discovery Protocol，SDP）和电话控制规范（Telephony Control Specification，TCS）的制定。1999年7月26日，蓝牙1.0A版本正式公布，确定使用2.4GHz频段。至此，蓝牙技术发展到实用化阶段。
1999年下半年，微软、摩托罗拉、三星、朗讯与SIG共同发起成立了蓝牙技术推广组织，旨在进一步加强蓝牙技术在应用产业范围内的影响。
2003年11月，SIG公布了1.2版本。该版本加强了蓝牙在2.4GHz频段的抗干扰能力，在安全性上也得到了提升。
2004年11月，蓝牙2.0版本正式推出。该版本大大提高了蓝牙技术的数据传输速率（达到了2.1Mbit/s，是蓝牙1.2版本的传输速率的3倍）。新版本更高的传输速率可使蓝牙提供更稳定的音频流传送，从而将蓝牙的应用场景扩展到多媒体领域。此外，2.0版本还可充分利用带宽优势，实现多个蓝牙设备的连接保持与使用。
2007年7月，SIG推出了蓝牙2.1版本。该版本最大的改变在于引入了安全简单配对（Secure Simple Pairing，SSP）流程，这在增强蓝牙安全性的同时，也简化了蓝牙配对的操作。用户不再通过输入PIN码这种繁琐的方式完成设备的认证，而是通过更方便的随机数比较等方式实现对蓝牙设备的配对认证。
2009年4月，蓝牙3.0版本发布。3.0版本增加了可选物理层（Alternate MAC PHY，AMP）技术，可允许蓝牙协议栈动态地选择基础射频，调用802.11 WiFi射频实现高速数据传输。它的传输率高达24Mbit/s，是蓝牙2.0的8倍，可轻松实现大数据资料的传输。
需要说明的是，蓝牙AMP与BR/EDR物理层不兼容，基本速率（Basic Rate，BR）和增强数据速率（Enhanced Data Rate，EDR）可以同时存在，但BR/EDR和AMP在物理层只能二选一。
2010年6月，蓝牙4.0版本发布。在该版本之前的蓝牙称为经典蓝牙，主要用于传输音频或较大的数据，应用场景单一，功耗也较大。蓝牙4.0版本引入了低功耗和低成本蓝牙控制器，从而使得低功耗、低成本蓝牙芯片被广泛使用。大量手机、电视、OTT盒子、智能家居设备和可穿戴设备等产品也开始支持低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy，BLE[亦简称为LE]），蓝牙应用场景得到极大扩展。
2016年12月，蓝牙5.0版本发布。该版本优化了低功耗蓝牙物理层，进一步增强了蓝牙的竞争力。在性能和稳定性方面，蓝牙5.0的传输速度是蓝牙4.2的两倍，有效传输距离则扩展了4倍，传输容量提高了8倍。传输性能和稳定性的提升也促进了蓝牙Mesh（网格）的发展，使得蓝牙更加广泛地应用于工业自动化控制、智慧家庭等应用场景，这也进一步扩充了蓝牙在物联网领域的应用。
2019年1月，蓝牙5.1版本发布。该版本最有特色的地方在于增加了定向寻址（Direction Finding）特性。蓝牙5.1优化了蓝牙底层链路发包机制，支持蓝牙5.1版本的蓝牙设备可广播固定频率的扩展信号，扩展信号中包含切换时隙和采样时隙的数据，依赖这些数据通过算法可以定位出广播设备的位置信息。相较于之前蓝牙信标（Beacon）1m左右的定位精度，蓝牙5.1版本的定位精度可达厘米级，这大幅度提高了定位的精度，可在室内导航、资产追踪等场景中发挥重要作用。
2019年12月，蓝牙5.2版本发布。它对低功耗蓝牙协议进行了较大修改，其中最引人注目的是引入了下一代蓝牙音频：低功耗音频（Low Energy Audio，LE Audio）。低功耗音频是通过低功耗蓝牙传输音频数据的技术。通过新增的低功耗同步信道、增强的属性协议以及低功耗功率控制等功能，蓝牙5.2可在低功耗蓝牙链路上支持连接状态及广播状态下的立体声。同时，蓝牙5.2还通过一系列的规格调整增强了蓝牙传输音频的性能，降低了传输延迟，并通过低复杂度编解码器（Low Complexity Communication Codec，LC3）增强了音质。蓝牙5.2版本的发布进一步提升了低功耗蓝牙的技术潜力，这使得低功耗蓝牙技术不只局限在短距离设备的互连互通上，在无线音频领域也可以发挥与经典蓝牙相同的作用。
经过20多年的发展，SIG的成员数在2020年年底已超过36000家，其成长速度远超任何其他无线联盟。伴随着SIG的不断发展和壮大，蓝牙标准协议也在不断更新迭代，与时俱进——从1.0版本对短距离无线连接通信的探索，到支持更高速率的蓝牙EDR标准，再到物联网时代对低功耗数据传输与蓝牙Mesh的加强。蓝牙技术在保持协议兼容性的同时，其应用场景与范围也在不断扩展。除了应用于移动电子设备，蓝牙技术在智能建筑、智慧工业和智慧医疗等领域均有用武之地。可以预见，蓝牙技术在未来还会一如既往地更新发展，继续保持蓬勃的活力以适用于更多创新场景。
蓝牙协议版本的发展历史如表1-1所示。
表1-1 蓝牙协议版本的发展历史
| 版本 |
发布日期 |
增强的功能 |
|---|---|---|
| 0.7 |
1998.10.19 |
蓝牙基带（Baseband）、链路管理协议（LMP） |
| 0.8 |
1999.01.21 |
主机控制器接口（HCI）、逻辑链路控制与适配协议（L2CAP）、射频通信协议（RFCOMM） |
| 0.9 |
1999.04.30 |
串行通信（UART）传输层、红外通信（IrDA）互连 |
| 1.0 |
1999.07.26 |
N/A |
| 1.2 |
2003.11.05 |
自适应跳频（Adaptive Frequency Hopping，AFH）、增强的面向同步连接（enhanced Synchronous Connection-Oriented，eSCO） |
| 2.0 + EDR |
2004.08.01 |
2.0版本作为单独的蓝牙规范，增加了增强速率蓝牙（EDR）规范 |
| 2.1 |
2007.07.26 |
减速呼吸（Sniff Subrating），用于节省功耗；安全简单配对（Secure Simple Pairing，SSP） |
| 3.0 + HS |
2009.04.21 |
可选接入层与物理层（Alternate MAC/PHY，AMP），用于适配802.11标准 |
| 4.0 + LE |
2010.06.30 |
低功耗蓝牙技术（BLE） |
| 4.1 |
2013.12.03 |
低功耗蓝牙与移动网络（LTE）共存 |
| 4.2 |
2014.12.02 |
进一步提升了数据传输容量；增加了椭圆双曲线密钥交换（ECDH）算法以增强安全性 |
| 5.0 |
2016.12.06 |
增强了广播长度，提升了传输距离 |
| 5.1 |
2019.01.21 |
支持到达角（Angle of Arrival，AoA）与出发角（Angle of Departure，AoD）技术，可实现厘米级别的定位 |
| 5.2 |
2019.12.31 |
支持同步信道（Isochronous Channel）、增强属性协议（EATT）、低功耗蓝牙功率控制（LEPC） |
蓝牙是典型的低成本、近距离无线通信技术，可在通信范围内实现设备间连接的建立与资源的共享。这种通信技术的初衷是以更低的成本实现线缆传输的功能，帮助用户摆脱有线的束缚。与其他无线通信技术相比，蓝牙可在安全且稳定地传输数据的前提下，具有较低的传输功率与成本。
具体来说，蓝牙技术有以下技术特点。
蓝牙使用2.4GHz频段传输信息，这个频段即ISM频段（Industrial Scientific Medical Band，工业、科学和医疗频段）。任何设备可以免费使用ISM频段而不用申请，只要遵守一定的发射功率（一般低于1W）并且不要对其他频段造成干扰即可。ISM频段在各国家/地区的规定并不统一，如在美国有3个频段，分别是902MHz～928MHz、2400MHz～2484.5MHz及5725MHz～5850MHz。而在欧洲，900MHz频段则有部分用于GSM通信。但2.4GHz频段是唯一可在任何国家/地区直接使用而无须授权的频段，这意味着无论在哪里购买使用这个频段的产品，都可以直接使用而无须配置。这也为蓝牙技术的广泛应用提供了良好的政策支持。
由于ISM频段是公共频段，而WiFi路由器等很多设备都工作在该频段，因此为了避免设备间的相互干扰，蓝牙技术联盟特别设计了跳频扩频（Frequency-Hopping Spread Spectrum，FHSS）方案来确保通信链路的稳定性。FHSS技术是一种常用的扩频通信物理层技术，在通信时发送端根据扩频码序列进行调制，使载波的频率不断地跳变；接收端由于有与发送端完全相同的扩频码序列，从而可以跟踪频率不断跳变的信号并对信号进行解调，正确地恢复原有的信息。
蓝牙技术通过使用扩频的方式，使得设备间传输的信号工作在一个很宽的频带上，传统的窄带干扰只会影响扩频信号的一小部分，这就使得信号不容易受到电磁噪声和其他干扰信号的影响。同时，蓝牙技术以跳频技术作为频率调制手段，如果设备在一个频道上传送的信号因受到干扰而出现了差错，就可以跳到另一个频道上重发。
经典蓝牙将32个频点定义为一个频段，总共划分为79个子频段。蓝牙主设备时钟和主设备地址的最低28位决定了蓝牙的工作频段及跳频序列。蓝牙协议定义了5种工作状态下的跳频序列：寻呼、寻呼响应、查询、查询响应和连接。在不同状态下，有不同的策略产生跳频序列，例如在连接状态下跳频速率为1600跳/秒，而在建立连接时（包括寻呼和查询）则提高为3200跳/秒。低功耗蓝牙则将信道划分为40个子频段，其中37个子频段用于连接通信，另外3个子频段专用于收发蓝牙广播。与工作在相同频段的其他通信协议相比，蓝牙的跳频速度更快，传输的分组数据包更短。
蓝牙1.2版本中增加了自适应跳频（Adaptive Frequency Hopping，AFH）算法。当设备在蓝牙通信过程中发现某些信道的信号质量较差，比如因为WiFi通信干扰而导致通信出现“坏”信道时，可以使用该算法在跳频时避开这些坏信道，而选取通信质量更好的其他信道来代替，这进一步增强了蓝牙的抗干扰能力。快跳频（跳频速率为1600跳/秒，在建立连接时提高为3200跳/秒）与短分组（基带分组有效载荷最多为2745比特）技术可使得蓝牙在应对同频干扰时，尽可能降低干扰的影响，从而保证了数据传输的可靠性与稳定性。
得益于芯片制造技术的快速发展，芯片的集成度越来越高，蓝牙芯片越来越轻薄，所需的外部元器件越来越少，物料成本越来越低，相应的硬件成本也随之降低。相较于其他无线技术芯片，大批量采购的蓝牙芯片在成本上存在优势。
基本速率/增强数据速率（BR/EDR）蓝牙设备的最大发射功率支持3个等级（class），功率范围为-20dBm（0.01mW）～+20dBm（100mW）。不同产品的最大输出功率不同，但是其功率需在功率等级范围内。
具体来说，蓝牙设备3个等级的最大发射功率与传输距离如下所示。
需要说明的是，蓝牙功率的等级概念仅适用于传统蓝牙产品或同时支持传统蓝牙和低功耗蓝牙（双模）的产品，不适用于仅支持蓝牙低功耗（单模）的产品。蓝牙功率控制用于控制发射器的发射功率，以优化通信信号或服务质量。蓝牙核心规范中的链路管理协议（Link Manager Protocol，LMP）描述了BR/EDR蓝牙设备之间协商和调整传输功率的方式。其中，发射器可自行调整其传输功率或由对端设备请求更改其传输功率，这使得蓝牙传输功率始终处于节能高效的状态。同时，蓝牙核心规范也定义了BR/EDR低功耗状态，如呼吸模式（Sniff Mode）与保持模式（Hold Mode），蓝牙设备在这些状态下既能处于低功耗状态，也能保持连接状态。当数据量传输减少或者无数据传输时，支持低功耗状态的蓝牙设备将自动进入低功耗工作模式，并周期性地监听数据，因此比正常连接状态节省更多能量。
LE（低功耗蓝牙）更加注重设备的低功耗，其在设计之初就专门在低成本、低带宽和低功耗等方面进行了优化。支持LE的蓝牙设备只需一颗纽扣电池就可稳定运行数月时间，甚至数年之久。LE主要应用在数据传输较少的场景中，建立连接的LE设备只在固定连接时隙内交互数据即可，在大多数情况下设备都处于休眠状态，因此电量消耗很少。随着LE的逐步发展，LE也已支持语音流媒体数据的传输。蓝牙5.2版本增加了LE功率控制功能，它通过对接收信号强度指示（RSSI）的监控，来通知发射方增加或降低发射功率，使功耗刚好满足应用。这一特性使得LE在音频传输性能与功耗上取得了很好的平衡。
蓝牙协议栈在架构上分为蓝牙核心（Bluetooth Core）协议和蓝牙应用（Bluetooth Application）协议两大逻辑实体，如图1-1所示。
图1-1 蓝牙协议栈的整体架构
蓝牙核心协议定义了蓝牙设备互连互通的核心机制，包括如何发现周边的蓝牙设备、如何与其建立连接、如何对蓝牙设备进行认证等。蓝牙核心协议由多个分层的协议族共同组成，经典蓝牙与低功耗蓝牙在核心协议的组成上有交叉，但又存在差异。
蓝牙应用协议根据应用场景进行区分，有丰富且满足各种应用场景的封装协议。经典蓝牙的应用协议主要实现了各种蓝牙规范，低功耗蓝牙的应用协议则主要实现了各种蓝牙通用属性服务。
蓝牙协议栈整体架构介绍如下。
蓝牙协议栈网络模型与经典TCP/IP模型的对比如图1-2所示。蓝牙协议在发展过程中，根据场景不同衍生出了不同的协议栈，目前有经典蓝牙、低功耗蓝牙和蓝牙Mesh这3种。它们之间的架构类似，共享部分概念，但又有差异。
经典蓝牙与低功耗蓝牙的网络架构一致，主要为点对点连接，不涉及复杂的网络拓扑，因此没有网络层。
图1-2 蓝牙协议栈网络模型与经典TCP/IP模型的对比
蓝牙Mesh在2017年7月由蓝牙技术联盟首次发布，并于2019年1月更新为1.1版本。蓝牙Mesh基于低功耗蓝牙技术并全面支持网状网络，可在蓝牙设备间提供多对多的数据传输，因此非常适合构建大范围的网络覆盖，常用于楼宇自动化、无线传感器网络等物联网解决方案。
蓝牙Mesh协议栈网络模型与其他协议栈不同，具体体现如下。
根据功能，可将蓝牙核心协议划分为主机协议与控制器协议两大模块。蓝牙核心协议架构包含一个主机和一个或者多个控制器。根据实现的规范的不同，控制器又分为BR/EDR控制器、低功耗（Low Energy，LE）控制器和可选接入层与物理层（Alternate MAC/PHY，AMP）控制器。根据蓝牙设备支持的控制器的不同，蓝牙核心架构的实现有如下几种方式。
图1-3 蓝牙核心架构1
图1-4 蓝牙核心架构2
仅支持低功耗控制器的设备属于单模蓝牙设备，其架构模式如图1-3的最左侧所示，具有该架构模式的蓝牙设备只支持低功耗蓝牙，其复杂度较低，很适合资源消耗较少的小型设备使用。此类典型的设备有蓝牙手环、蓝牙体脂秤等。
同时支持LE 控制器与BR/EDR 控制器的设备称为双模蓝牙设备，其架构如图1-4所示。具有该架构的蓝牙设备同时支持经典蓝牙与低功耗蓝牙，因此在设计上要兼容两者的差异。双模蓝牙设备通常具有较大的复杂度，可适用于多样化的场景。此类典型的设备有手机、车载蓝牙设备等。
支持AMP控制器的蓝牙设备可以高速传输数据，AMP控制器通常由802.11协议适配层（Protocol Adaptation Layer，PAL）、802.11介质访问控制层（MAC）、物理层（PHY）和可选的主机控制器接口（HCI）层组成。由于移动网络的快速发展，支持AMP控制器的蓝牙设备应用范围较少。这类典型的设备有蓝牙适配器。
蓝牙核心协议的架构如图1-5所示。主机与控制器这两个模块都有一组关联的协议来提供相应的管理服务。服务分为3种类型，分别如下。
图1-5 蓝牙核心协议的架构
在图1-5中，黑线代表数据，灰线代表控制信令，主机与控制器主要以命令（Command）、事件（Event）的形式交互数据。主机与控制器建立的逻辑链路有3种类型。
蓝牙核心协议架构各层次模块的简单说明如下。
经典蓝牙协议栈在架构上分为应用层、主机与控制器3个部分，其架构如图1-6所示。
在图1-6中，各个模块的含义如下。
图1-6 经典蓝牙协议栈的架构
低功耗蓝牙是经典蓝牙的扩展，专门在低成本、低带宽、低功耗与低复杂性方面进行了优化。低功耗蓝牙的设计目标与经典蓝牙不同，它以经典蓝牙技术为基础，在协议层次上进行了优化，以达成设计目标。
低功耗蓝牙协议栈架构也分为3部分：应用层、主机和控制器，如图1-7所示。
图1-7 低功耗蓝牙协议栈架构
各个模块的介绍如下。
2020年1月6日，SIG发布了新的蓝牙5.2版本，它最引人注目的是引入了下一代蓝牙音频，即低功耗音频（LE Audio）。LE Audio不仅支持连接状态及广播状态下的立体声，还通过一系列的规格调整增强了蓝牙音频性能，包括缩小延迟和通过低复杂度通信编解码器（Low Complexity Communications Codec，LC3）增强音质等。蓝牙5.2的更新在技术上主要体现在如下3个方面：
下面分别来看一下。
LE同步信道定义了有时间依赖的数据传输信道和传输策略。LE同步信道又分为连接模式与非连接模式两种类型。连接模式定义了主设备与多连接设备之间数据同步的机制，它采用同步连接串流（Connected Isochronous Stream，CIS）逻辑信道传输数据；非连接模式则定义了广播者与接收者之间数据同步的机制，它采用同步广播串流（Broadcast Isochronous Stream，BIS）逻辑信道传输数据。LE同步信道使得蓝牙音频不再局限于单一的点对点连接，拓展了新的音频应用场景。
（1）多流音频（Multi-Stream Audio）
多流音频是低功耗音频的主要新特性之一，它能够在音频源设备（如智能手机）和一个或多个音频接收设备（如耳机）之间传输多个独立的同步音频流。为了支持多流音频，蓝牙5.2引入了同步连接组（Connected Isochronous Group，CIG）和同步连接串流两个新概念，如图1-8所示。
CIG由中心设备创建。在建立CIG时，中心设备同时指定参数ISO间隔（ISO Interval）。在建立连接之后，CIG可以建立一个或多个CIS（蓝牙5.2规定最大支持的CIS为31个）。CIS是中心设备和外围设备之间的点对点数据流，其通信是带有应答的双向通信。
图1-8 CIG和CIS示意图
每个CIS中又定义了子事件（Sub Event）。子事件是数据传输的最小单元，在这些子事件中，中央和外围设备使用特定的PDU交换分组数据。蓝牙5.2规定一个CIS中最多包含31个子事件，在每个子事件中，主从设备一收一发，完成一次数据交互。子事件之间的最小间隔按需确定，最小为400μs。
在图1-8所示的时隙图中，主机（Master）与两个从设备（Slave1和Slave2）建立连接。两个从设备（Slave1、Slave2）在同一个CIG中，但处于不同的CIS中。在图1-8中，每个CIS划分为4个子事件，在每个CIS子事件中，主从设备持续地传输数据。首先由Slave1占用时隙，在CIS1中连续传输数据，之后切换到CIS2，由Slave2占用时隙传输数据，这种模式称为顺序发送模式。相应地，还有交错发送模式，即CIS1与CIS2中每个子事件交替传输数据。由此可见，蓝牙5.2在时隙划分上更加精细，相应的数据调度也更加细致，这使得蓝牙能够在较低延迟的情况下，传输多个音频流。
（2）音频共享（Audio Sharing）
音频共享是LE Audio的一个重要应用，它使音频源设备（如智能手机）能够向无限数量的音频接收设备（如音箱、耳机）广播一个或多个音频流。为了支持音频共享，蓝牙5.2引入了同步广播组（Broadcast Isochronous Group，BIG）和同步广播串流（Broadcast Isochronous Stream，BIS）两个概念，如图1-9所示。
图1-9 BIG和BIS示意图
在蓝牙同步广播场景中，有同步广播者（Isochronous Broadcaster）和同步接收者（Synchronized Receiver）这两种类型的设备。前者周期性地广播数据，后者周期性地接收数据。需要说明的是，蓝牙同步广播使用的是蓝牙5.0版本中提出的周期广播（Periodic Advertising），周期广播中包含同步广播的控制字段，有了相关控制字段信息，同步广播与接收者就可以建立单向通信机制。BIG由同步广播者创建，一个BIG事件中可包含一个或多个BIS，蓝牙5.2规定最多31个BIS。BIS是一对多的数据流，它采用了无应答的广播包传输机制。此外，BIS还可以划分为一个或多个子事件，在这些子事件中，中心设备广播发送特定的广播同步数据单元，该数据单元可由同步接收者接收和处理。在图1-9中，每个BIG中包含两个BIS，每个BIS占用一定时隙，独立地广播蓝牙数据。
蓝牙5.2在L2CAP层新增了基于信用的增强流量控制模式（L2CAP Enhanced Credit Based Flow Control Mode），当L2CAP信道采用了该模式后，在其信道内的传输被认为是可靠的。L2CAP信道模式决定了ATT承载上属性协议的行为，如果L2CAP信道模式使用基于信用的增强流控模式，则ATT承载称为增强型ATT承载。任何不是增强型ATT的ATT承载，以及其他的L2CAP信道模式，则称为非增强型ATT承载。
增强型ATT承载可并行处理不同应用程序交织后的数据包，允许ATT最大传输单元（MTU）在连接过程中动态变化。在蓝牙5.1及之前的版本中，ATT与L2CAP之间的MTU的大小是固定的，一旦连接建立，应用的MTU便一一对应且固定不可更改；事务的处理是顺序的，不支持并发。对于蓝牙5.2的EATT，EATT修改了顺序事务模型，允许堆栈处理并发事务，而且新增的流量控制提升了EATT的稳定性。也就是说EATT协议允许并发事务可以在不同的L2CAP信道上执行。MTU在ATT和L2CAP之间不再一一对应，可以独立配置，因此ATT和L2CAP之间的MTU和PDU的大小可以动态调节，不同业务之间的PDU也可以交叉处理。若有多个应用程序同时运行，EATT可显著减少某个程序独占堆栈的时间，提升总体的数据吞吐量，降低应用程序的延迟，改善用户体验。
蓝牙5.2在L2CAP层新加了两个协议数据单元指令，这两个指令用于在两个设备间建立最多5个L2CAP信道。新加入的指令介绍如下。
蓝牙5.2也在ATT层增加了新的ATT协议指令，可实现之前需要多个ATT指令交互才能实现的功能，因此精简了蓝牙数据的交互流程，增强了数据读取的效率。新增加的指令介绍如下。
增强型ATT的提出使得ATT与L2CAP间不再使用相同的MTU配置，ATT承载大数据的能力得到增强。如图1-10所示，若L2CAP的MTU小于ATT的MTU，则较大的ATT原始数据包将会被分片，分片后的数据包交叉传递到L2CAP层，因此L2CAP层的PDU将包含多个应用的数据包，这些应用数据会被L2CAP层并行处理，这减少了由于协议栈数据阻塞导致的应用延迟问题，提升了多个应用同时使用蓝牙的体验。
图1-10 增强ATT示意图
蓝牙5.2可动态管理发射功率。通常情况下，接收器接收的信号需要一定的信噪比，因此发射方的功率不应过高或过低。对接收器而言，只有信号强度落在适当的匹配区域，其性能才能达到最佳状态——不会因为信号太强而饱和，也不会因为信号太弱而产生解码错误。蓝牙5.2的功率控制功能通过对RSSI的监控，来通知发射方增大或降低发射功率。对于在使用时设备之间的距离经常发生变化的应用来说，这可以让应用具有所需的最佳功耗，从而达到节省功耗的目的。
蓝牙5.2在链路层增加了相应的控制协议数据单元，在相应的主机控制器接口上也增加了对应的接口指令，以提供功率控制功能。需要说明的是，低功耗功率控制（Low Energy Power Control，LEPC）功能是面向连接的，主设备与从设备都可以发起功率调整请求，而设备在广播数据时，则不支持对其进行功率调节。
从蓝牙5.2版本扩展提升的技术特性看，在可以预见的未来，这些技术必将极大地促进低功耗蓝牙设备在音频、智能家居等领域的发展。尤其是LE Audio和多流音频技术，当前已有众多厂商积极入场抢占先机，推出了具有相应功能的产品。
由于众所周知的原因，芯片制造和芯片供应当前成为各大科技厂商关注的焦点。如何保证产品的供应安全、供应充足，成为科技厂商的重要考量。而随着蓝牙技术在无线可穿戴、工业和智能家居等领域的深入应用，市场对蓝牙芯片的需求量也越来越大。据SIG估计，到2023年，蓝牙设备的年度总出货量将增加到54亿台，它们将广泛用于个人穿戴、车载、医疗、智能建筑和工业等领域。
下面了列出了国外部分蓝牙芯片和方案提供商。
物联网、可穿戴设备和智能硬件等市场需求的发展带动了蓝牙市场的发展，国内也因此出现了不少蓝牙芯片公司。
除上述厂商外，恒玄科技、中科蓝讯、昇润科技等厂商也在蓝牙领域占据重要的市场地位。
在芯片制造方面，蓝牙主控芯片的主频一般不超过400MHz，部分功能简单的产品甚至不超过120MHz。因此蓝牙芯片对芯片制造技术要求不高，国内外厂商均有相应的制造工艺，可满足相应的生产需求。
此外，蓝牙技术并不局限于主控芯片，它也有一个完整的产业链。围绕着蓝牙主控芯片，配套的电池、充电仓、麦克风、模组和声学等供应链需求也非常广泛。以TWS耳机为例，主控芯片的方案提供商有苹果、联发科、高通和瑞昱等；微机电系统麦克风的提供商有瑞声科技、歌尔声学等；模组代工提供商有立讯精密、歌尔声学等；存储提供商有兆易创新、赛普拉斯等；电池提供商有亿纬锂能、LG等；声学服务提供商有思必驰、地平线和国声声学等。
随着蓝牙技术的发展和应用场景的成熟，蓝牙产业链也取得了长足的发展。一些传统的音频厂商，如Sony、万魔、漫步者、爱国者、先锋、QCY、捷波朗、博世和铁三角等，都已纷纷进入蓝牙领域。
在过去20多年的发展过程中，蓝牙协议在不断迭代与完善。蓝牙协议的每次重大更新都会催生出新的技术变革，并带来很多创新场景与应用。不同的场景、应用和需求，反过来对蓝牙技术提出了更高的要求，也影响了蓝牙技术的发展路径。这使得蓝牙技术从个人短距离无线通信方案，逐步拓展到商业、工业级互连方案，以满足不断增长的无线创新需求。
总体来说，目前蓝牙的典型应用场景大致有4类：蓝牙音频传输、蓝牙数据传输、蓝牙位置服务和蓝牙Mesh。
蓝牙音频传输是目前应用最广泛的蓝牙技术，在无线音频领域中占有主导地位。据估计，到2023年，蓝牙设备的年度总出货量将增加到54亿台，预计其中有39%支持蓝牙音频传输。为了持续改进蓝牙音频传输的体验，2020年，蓝牙技术联盟在蓝牙5.2中推出了新一代的低功耗蓝牙音频（LE Audio）技术。相较于经典蓝牙音频，基于低功耗蓝牙的音频传输能够提供更好的音质与更低的功耗，并且带来了音频多流、音频共享等改变传统音频体验的创新应用，这进一步巩固了蓝牙在音频传输领域的主导地位。
蓝牙音频传输的典型应用包括以下3方面。
蓝牙数据传输是蓝牙早期的主要发展和应用方向，即蓝牙作为短距离无线通信技术，替代繁杂的有线连接。早期经典蓝牙的数据传输关注的是数据的传输速率，它主要用于大数据量的信息传输。
蓝牙4.0和低功耗蓝牙的出现将蓝牙数据传输带入一个新的赛道，蓝牙传输逐渐过渡为用于进行低功耗、低成本和低宽带的数据传输。在蓝牙不断发展的过程中，得益于低功耗蓝牙基于GATT丰富多样的Profile以及自定义服务，其数据传输功能在物联网连接中得到了广泛的使用，蓝牙数据传输功能的使用占比甚至超过了WiFi与蜂窝网络。
此外，在2016年年底推出的蓝牙5.0中，新增了物理层LE 2M PHY和LE Coded PHY，可实现更高速率传输和更长距离的连接，这大幅提升了低功耗蓝牙数据传输的性能，使得蓝牙数据传输应用得到进一步扩展。
蓝牙数据传输的典型应用包括以下应用场景。
图1-11 支持蓝牙的智能穿戴设备
蓝牙5.1版本中新增了蓝牙寻向功能（Direction Finding）。开启了该功能的蓝牙设备通过追踪蓝牙信号的方向，具备了测距、测向能力，而且使得定位精度提升到厘米级别。使用蓝牙技术开发的厘米级别的实时定位方案，包括室内导航、寻物、地标信息获取和资产跟踪等，可解决GPS难以覆盖室内的问题。可见，蓝牙位置服务与智能手机的结合，将大大提升用户的体验，蓝牙位置服务也将迎来新的发展契机和潜力。可以预见，蓝牙位置服务将成为未来智能手机中不可或缺的一个功能。
蓝牙寻向功能的基本原理就是利用无线电的相位差计算出位置信息。它主要是将到达角（Angle-of-Arrival，AoA）和出发角（Angle of Departure，AoD）两种定位技术加到了蓝牙的设计链路中，从而能够在室内的密闭空间（比如会场、广场和酒店等场合），通过一定的算法估算当前角度，实现更高精度的位置定位。蓝牙位置服务的示意如图1-12所示。
图1-12 蓝牙位置服务
蓝牙位置服务的典型应用包括以下应用场景。
蓝牙技术联盟于2017年发布蓝牙Mesh（网格）规范，该规范定义了基于低功耗蓝牙的多对多网络拓扑结构，弥补了传统蓝牙点对点单一拓扑结构的缺陷，使得蓝牙可以提供多对多的数据传输。基于蓝牙Mesh技术，可以构建大范围的蓝牙设备网络，可用于楼宇自动化、无线传感器网络等物联网解决方案，如图1-13所示。
图1-13 蓝牙Mesh
蓝牙Mesh在以下场景有广泛应用。
