ibeacon蓝牙技术简介

xiangzhihong

发布于 2018-02-06 16:35:10

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文章被收录于专栏：向治洪

概述

在讲解ibeacon技术之前，我们首先来看一下蓝牙实际到现在经历了哪些发展。截止目前，蓝牙共有八个版本 V1.0/1.1/1.2/2.0/2.1/3.0/4.0/4.1，各版本的功能变化如下：

V1.0版（发布日期1999.7.5）

传输速率748~810kb/s；
基本支持立体声，只能单工传输；
通信加密方式致使不同厂家模块难以正常通信；
主辐设备难以区分； 5. 通讯易干扰；
Bluetooth技术将2.4GHz的频带划分为79个子频段，而为了适应一些国家的军用需要，Bluetooth 1.0重新定义了另一套子频段划分标准，将整个频带划分为23个子频段作为副标准。

V1.1版（发布日期2001.2.22）

1．传输率约在748~810kb/s； 2．容易受到同频率之产品所干扰下影响通讯质量； 3．已可以进行主副设备的区分； 4．可以支持 Stereo音效的传输要求，但只能够作（单工）方式工作； 5． Bluetooth 1.1标准取消了23子频段的副标准，所有的Bluetooth 1.1设备都使用79个子频段在2.4GHz的频谱范围之内进行相互的通信。解决了使用79个子频段的设备与那些设计为使用23个子频段设备之间互不兼容。

V1.2版（发布日期2003.11.5）

1．传输速率同样是只有 748~810kb/s； 2．采用了AFH可调式跳频技术(Adaptive Frequency Hopping) 增强了抗干扰功能； 3．增强了语音处理，改善了语音连接的品质(可以提高蓝牙耳机的音质)； 4．能更快速的连接设置； 5．可以支持 Stereo音效的传输要求，但只能够作（单工）方式工作

V2.0版（ Bluetooth 2.0 +EDR，发布日期2004.11.9）

1．传输率约在 1.8M/s~2.1M/s； 2．使用了 EDR，可以增加带宽。EDR 即Enhanced data rate，是蓝牙技术中增强速率的缩写，其特色是大大提高了蓝牙技术的数据传输速率，最大可达3Mbps。EDR可以100%和蓝牙1.2版兼容； 3．数据传输速率为原v1.2的3倍，并降低了功耗，从而延长电池的使用时间。由于带宽增加，新规范提高了设备同时进行多项任务处理、或同时连接多个蓝牙设备的能力，并使传输范围可达100米； 4．开始支持双工模式——即一面作语音通讯，同时亦可以传输档案/高质素图片。

V2.1版（ Bluetooth 2.1 +EDR，发布日期2007.7.26）

1．传输率约在 1.8M/s~2.1M/s； 2．使用了 EDR，可以增加带宽； 3．简化了设备间的配对过程，改进过后的连接方式会自动使用数字密码来进行配对与连接； 4．更佳的省电效果：蓝牙2.1版加入了Sniff Subrating的功能，透过设定在2个装置之间互相确认讯号的发送间隔来达到节省功耗的目的。蓝牙2.1将装置之间相互确认的讯号发送时间间隔从旧版的0.1秒延长到0.5秒左右，无形中变为手机和蓝牙设备节省了很多电量，大大提升了续航能力。采用此技术之后，蓝牙装置在开启蓝牙联机之后的待机时间可以有效延长5倍以上。

V3.0版（发布日期2009.4.21）

蓝牙3.0的核心是”Generic Alternate MAC/PHY”(AMP)，这是一种全新的交替射频技术，允许蓝牙协议栈针对任一任务动态地选择正确射频，允许消费类设备使用标准蓝牙射频和无线局域网射频（WIFI）多重传输；
蓝牙3.0的传输速度更高，而秘密就在802.11无线协议上。通过集成”802.11 PAL”(协议适应层)，蓝牙3.0的数据传输率提高到了大约24Mbps(即可在需要的时候调用802.11 WI-FI用于实现高速数据传输)。在传输速度上，蓝牙3.0是蓝牙2.0的八倍；3.0版本的蓝牙的有效传输距离为10米；
功耗方面，通过蓝牙3.0高速传送大量数据自然会消耗更多能量，但由于引入了增强电源控制(EPC)机制，再辅以802.11，实际空闲功耗会明显降低。

V4.0版（发布日期2010.7.7）

1．有效传输距离可达60米，最大范围可超过100米； 2． 4.0与3.0版本相比最大的不同就是大幅降低能耗，4.0版本的功耗较3.0版本降低了90%； 3．拥有低成本，跨厂商互操作性，3毫秒低延迟、AES-128加密等诸多特色； 4．蓝牙4.0实际是个三位一体的蓝牙技术，它将三种规格合而为一，分别是传统蓝牙、低功耗蓝牙和高速蓝牙技术，这三个规格可以组合或者单独使用。

V4.1版（2013年底）

提供LTE的并存支持,可与LTE等最新一代蜂窝技术无缝协作。蓝牙与LTE无线技术可彼此通讯，以确保协同传输，降低近带干扰。可作为IP连接基础，巩固蓝牙技术在物联网无线连接中的重要地位。
v4.1标准下蓝牙设备可以同时作为发射方（Bluetooth Smart）和接受方（Bluetooth Smart Ready）,并且可以连接到多个设备上。
提升连接质量，提升制造商更多的控制能力，重新连接时，时间间隔更具灵活性与可变性，使建立与维持蓝牙连接更加方便。当设备彼此接近时，就可自动重新连接，改善用户体验;即使用户暂离，但当设备返回原处后，最近曾使用的设备将不需手动操作即可自动重新连接；
改善数据传输：Bluetooth Smart技术可提供大量数据传输；
提升蓝牙技术的组网性能与低功耗特性，拓展物联网市场；
最新的蓝牙4.1标准就能够让蓝牙组网，增加了对路由、网关等协议的支持，满足物联网的应用需求，加入了专用通道允许设备通过 IPv6联机使用，通过IPv6建立网络连接。蓝牙设备只需要通过蓝牙4.1连接到可以上网的设备（如手机），就可以通过IPv6与云端的数据进行同步，即实现“云同步”，不再需要wifi连接。

iBeacon

iBeacon 是苹果公司推出的一项室内低耗能蓝牙技术。其工作方式是：配备有低功耗蓝牙（BLE）通信功能的设备使用BLE技术向周围发送自己特有的ID，接收到该ID的应用软件会根据该ID采取一些行动。 iBeacon蓝牙技术是2010年发布的蓝牙4.0技术规范的基础上发展而来，那么它和传统的蓝牙技术有什么区别，又有哪些优点呢？ iBeacon使用的是BLE技术，具体而言，利用的是BLE中名为“通告帧”（Advertising）的广播帧。通告帧是定期发送的帧，只要是支持BLE的设备就可以接收到。iBeacon通过在这种通告帧的有效负载部分嵌入苹果自主格式的数据来实现。

BLE

BLE（Bluetooth Low Energy）是蓝牙4.0技术规范的一部分,它起源于2006年Nokia的Wibree技术，但最终被整合进了蓝牙。这是一组与传统蓝牙不同的协议，并且使用的设备上也不会向后兼容。因此，现在市面上你可以看到三种类型的设备： 1.Bluetooth设备：只支持传统蓝牙的设备。 2.Bluetooth Smart Ready设备：同时支持传统蓝牙和LE模式的设备。 3.Bluetooth Smart设备：只支持LE模式的设备。

BLE最重要的特点当然在于它的低能耗。除此之外，BLE协议的传输速率比较低，因此除了用于发现设备和做一些简单通信之外，不太适合用于传输大量的数据流。

BLE设备通信

BLE的通信包括两个主要部分：advertising（通告）和connecting（连接）。

通告（Advertising）是一种单向的发送机制。想要被搜索到的设备可以以20毫秒到10秒钟的时间间隔发送一段数据包。使用的时间间隔越短，电池消耗的越快，但设备被发现的速度也就会快。数据包长度最多47个字节，由以下部分组成： 1 byte preamble（1字节做报头） 4 byte access address（4字节做地址） 39 bytes advertising channel PDU（39个字节用于PDU数据包） 3 bytes CRC（3个字节用于CRC数据校验）

对于通告通信信道，地址部分永远都是 0x8E89BED6 。对于其它数据信道，地址部分由不同的连接决定。BLE设备可以运行在单一的不可连接的通告模式中（在这种模式下所有的信息都包含在广告数据包中），然而设备也是允许运行在可被连接的模式下（通常情况下都是这种模式）。当设备被发现之后，一个连接就会被建立起来。之后就可以读取BLE设备提供的Service，以及每个Service的characteristic。每一个characteristic都会提供一些值，这些值可以被读取或者修改。如果你想要了解更多关于连接BLE设备的内容，可以参考 Apple’s Core Bluetooth guide

ibeacon设备整合BLE

Beacon设备只使用了通告通信信道。正如beacon（信标、灯塔）的字面意思，这种设备以一定的时间间隔发送数据包，并且发送的数据被可以被像手机这样的设备获取。也就是说，iBeacon只是BLE广告模式的一种简单的使用，并在此基础上提供了对IOS的一些附加支持。如果你试着拦截一段iBeacon通告数据包，你会发现它是这样的：

02 01 06 1A FF 4C 00 02 15 B9 40 7F 30 F5 F8 46 6E AF F9 25 55 6B 57 FE 6D 00 49 00 0A C5

以上的数据已经将广告数据包的报头、修正地址、广告PDU数据包的报头和其中的MAC地址部分都移除掉了，也就是说这部分数据只包含了实际信息数据——一共30个字节，符合实际信息数据最多31个字节的限制。那么一个iBeacon设备的BLE广告数据是如何组成的？以苹果设备为例：

02 01 06 1A FF 4C 00 02 15: iBeacon prefix (fixed)
B9 40 7F 30 F5 F8 46 6E AF F9 25 55 6B 57 FE 6D: proximity UUID (here: Estimote’s fixed UUID)
00 49: major
00 0A: minor
C5: 2’s complement of measured TX power

iBeacon数据解析

除了修正的iBeacon前缀数据（02 01 … 15），其它各部分数据各代表什么？

Proximity UUID

（上面例子中的B9 … 6D部分）：这是将你所有的beacon与其他人的beacon设备区别开的id！例如，目前在商店里某个区域分布着多个beacon形成一条“链带”，用于为顾客提供特定的服务，那么归属于同一条“链带”的beacon将分配到相同的proximity UUID。为这条“链带”设计的专用应用程序将会在后台使用这个UUID扫描到这条“链带”中的beacon设备。

major

编号（2个字节，上面例子中为0x0049，也就是73）：用于将相关的beacon标识为一组。例如，一个商店中的所有beacon将会分配到相同的major编号。通过这种方式，应用程序就能够知道顾客位于哪一家商店。

minor

标号（也是2个字节，上面例子中为0x000A，也就是10）：用于标识特定的beacon设备。例如一个商店中的每一个beacon设备都拥有唯一的minor编号，这样你才能够知道顾客位于商店中的哪个位置。

TX power

上面例子中为0xC5=197，根据2的补码测得256-197=-59dBm是距离设备1米测得的信号强度值（RSSI- Received Signal Strength Indication，接收到的信号强弱指标）。假如接收到的信号强度减弱了，那么我们可能在远离。只要知道1米距离的RSSI，以及当前的RSSI（我们可以从接收到的信号中一块获取到这些信息），那么计算出当前的距离是可能的。IOS已经实现了个这个功能，对于其它平台需要自己手动编码计算，

IOS整合

在ios7.0以上的设备上默认支持iBeacon。当你进入beacon的范围内，你的应用程序就可以接收到通知，即使你的应用程序处于在后台也能接收到。一个应用程序可以注册一个区域的进入或者退出事件，因此即使应用程序没有运行也可以被唤醒。为了响应这些事件，应用程序可以发送例如本地推送通知，提示用户打开应用程序相关通告。