Beacon浅析

作者：hongbosun

一、Beacon简介　　　

　　Beacon是基于BLE技术实现的物理设备。BLE（全称Bluetooth Low Energy）是蓝牙4.0技术规范的一部分。它起源于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，被称之为BLE低功耗协议。BLE以超低功耗的特点被熟知，具有很大的应用价值。目前在较新的智能终端同时支持传统蓝牙和BLE模式的设备。由于BLE的低功耗特点，Beacon只靠一颗纽扣电池就能运行很长时间。（当然一般情况下这种电池是不可拆卸的，耗尽电量之后就需要更换新的Beacon了。）

二、Beacon工作原理

Beacon的工作原理是怎样的呢？

　　官方：Beacon设备使用BLE技术向周围发送自己“特有的ID”，接收到该ID的应用软件会根据接收到的ID和信号源产生互动。不同功率的BLE设备的信号范围在10m~100m不等，当手机进入信号范围时，能接收到信号源广播的ID（UUID+Major+Minor）, App通过解析接收到的ID向用户推送通知或者其它资讯。

“特有的ID”是什么？

　　先介绍下 BLE发送的信号结构:

　　在BLE规范下，有两种类型的信号波，我们分别叫做广播报文和数据报文（网络中交换传输数据的单元，我们一般称之为报文）。

数据报文只能被连接中的两个主、从设备所理解，广播报文则可以广播给多个侦听设备或者只发送给某个特定的设备。广播报文是间断性发射信号的，这个时间间隔可以配置。

　　Beacon使用的就是广播报文。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1 广播报文

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2 传输实际信息数据格式

　　在Beacon的广播报文里，是以iBeacon+UUID+Major+Minor+TX power格式传输实际信息数据，如上图。(UUID+Major+Minor) 组合作为唯一标识来区分beacon，也就是上文所说的“特有ID”的组成。举个例子，海底捞连锁部署beacon,那么所有门店将使用同一个UUID，各门店通过不同的Major值区分，店内的beacon如果位置不同则Minor 不同。

　　Beacon的广播报文里的TX power字段，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）。实现方法如下：

　　TX power（比如为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。这也解释了使用Beacon定位功能的原理。

　　苹果家的i系列iBeacon正是Beacon的一种，iBeacon只能发送(UUID+Major+Minor)组合类型的广播报文。

　　Google推出的Eddystone也是Beacon的一种，不过Eddystone相较iBeacon的优势在于它是开源并且还支持发送其他组合类型的广播报文。有更丰富的利用价值。

　　由于较新智能终端一般都支持BLE模式，所以iPhone/Android/MacBook/其它笔记本/树莓派等设备都可以转换成Beacon模拟器。

三、BLE协议栈

　　协议栈是协议的具体实现形式，通俗的理解为用代码实现的函数库，以便于开发人员调用。

　　Beacon是基于BLE技术实现的物理设备，那么Beacon开发主要是学习BLE开发。而BLE开发的重点就是学习BLE协议栈。整个BLE协议栈以lib库的形式提供，BLE协议栈中的重点则是与具体蓝牙应用相关的GAP和GATT，这两层直接与应用程序打交道。

　　BLE协议栈简单了解，后面重点说一下GAP和GATT（以Android设备与BLE设备交互为例）。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图3 BLE协议栈

　　3.1、Physical Layer：任何一个通信系统，首先要确定的就是通信介质，BLE也不例外。在BLE协议中，“通信介质”的定义是由物理层Physical Layer（其它通信协议也类似）负责。

　　3.2、Link Layer:负责在这些物理介质上收发数据，与此同时，控制物理介质收发相关的参数。可在两个设备之间建立用于点对点通信的Logical Channel。

　　3.3、HCI:定义Host和Controller之间的通信协议.

　　3.4、L2CAP:一个介于应用程序（Profile、Application等）和Link Layer之间的协议。可以将Logical Channel换分为一个个的L2CAP Channel，以便提供应用程序级别的通道复用。

　　3.5、ATT

　　3.5.1、了解ATT前先了解下物联网

　　物联网中传输的数据和传统的互联网有什么区别呢？抛开其它不谈，物联网中最重要、最广泛的一类应用是：信息的采集。

　　这些信息往往都很简单，如温度、湿度、速度、位置信息、电量、水压、等等。

　　3.5.2、ATT协议将这些“信息”以“Attribute”的形式抽象出来，并提供一些方法，供远端设备读取、修改这些属性的值（Attribute value）。

　　3.6、GAP：GAP定义了蓝牙设备如何发现和建立与其他设备的安全或不安全的连接，其中具体包括：设备发现，创建连接，终止连接，安全结构的初始化和设备连接参数配置等。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图4 android中BLE设备的连接流程

　　在Android中对BLE设备操作实际上是对BluetoothGatt的操作，所以我们首先要想办法获取到BluetoothGatt。

　　如图经历以下步骤获取到BluetoothGatt。

　　扫描设备->建立连接

　　通过BluetoothManager的getAdapter()方法获得BluetoothAdapter，然后再通过BluetoothAdapter的startSacn( LeScanCallback)的方法开始扫描设备。我们还需要实现LeScanCallback的回调方法。

　　在其回调方法中会有这样一个函数，onLeScan(BluetoothDevice, rssi, byte[])。当中的bluetoothDevice就是我们扫描的设备；rssi是int类型，代表设备的信号强度，是负的，数值越大代表信号强度越大；byte[]这个byte数组就是设备广播的相关数据。

　　3.7、GATT是一个在蓝牙连接之上的发送和接收数据的通用规范。