ibeacon协议简单分析

Publish: November 7, 2016 Category: 小玩具 No Comments

什么是Bluetooth LE,简写BLE

Bluetooth Low Energy(BLE)是2010年发布的蓝牙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。

最新的手机(iPhone 4s+, SG3+)、笔记本、平板电脑等,基本上都已经支持蓝牙4.0,也就是Bluetooth Smart Ready设备。Beacon,从另一方面来说,这种设备只支持low energy protocols(LE低功耗协议),属于上面说所的“Bluetooth Smart”设备,这也是它们靠一颗纽扣电池就能运行很长时间的原因。老式设备,比如外设、汽车系统、旧手机等通常只支持传统蓝牙协议。

BLE最重要的特点当然在于它的低能耗。举个例子,一些beacon设备靠一颗微型电池就能够持续发送一个信号两年左右(这种电池一般是不可拆卸的,你可能需要在beacon停止工作之后替换一个新的beacon)。传统蓝牙和LE蓝牙使用的都是相同的波段(2.4GHz-2.4835GHz)。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。在协议条款上,LE和传统蓝牙的信号都能够覆盖到100米的范围。

协议分析

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

广告(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)

对于广告通信信道,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。

返回的PDU数据也拥有自己的数据报头(2个字节:声明有效载荷数据的长度和类型——设备是否支持连接等等)和当前有效载荷数据(最多37个字节)。

最终,有效载荷数据中的头6个字节是设备的MAC地址,所以实际信息数据最高可占31个字节。

BLE设备可以运行在单一的不可连接的广告模式中(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(属性,类似于GATT Profile实例)。每一个characteristic都会提供一些值,这些值可以被读取或者修改。例如,一个小型温控器可以开放一个service用于获取当前的温度或者湿度读数(相当于是service的characteristic),同时也可以开放其它的service和characteristic用于设置期望的温度。这里因为beacon不使用连接模式,我将会跳过这些细节。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,尽管你可能不是一个IOS开发者。

更多相关技术性的文章,可以参考Introduction to BLE,Making the most out of BLE Advertising mode。

这是一段ibeacon的数据包:

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

格式化之后如下:

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

解析iBeacon的数据格式

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。
最后一个值,TX power,用于确定你和beacon之间距离有多近。根据这个值不但可以获得粗略的信息(比如靠近/远离/不在范围内等),也可以获取精确到米的距离(当然你也可以转换为以步为单位的距离)。那么如何实现?

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,可以参考这里。
Java中计算距离简单demo

protected static double calculateAccuracy(int txPower, double rssi) {
  if (rssi == 0) {
    return -1.0; // if we cannot determine accuracy, return -1.
  }

  double ratio = rssi*1.0/txPower;
  if (ratio < 1.0) {
    return Math.pow(ratio,10);
  }
  else {
    double accuracy =  (0.89976)*Math.pow(ratio,7.7095) + 0.111;    
    return accuracy;
  }
}  

总体来说这个下一还是比较简单的,因为简单所以在现在的IOT大背景下有更大的作为。

Tags: ibeacon协议, ibeacon协议分析

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