物联网及低功耗蓝牙5.x高级开发

谭晖，男，博士，毕业于哈尔滨工业大学，现任深圳市蓝科迅通科技有限公司总经理。在哈尔滨工业大学多年从事专用通信科研工作，曾获国家科技进步奖，国家教委科技进步奖，省科技进步奖等，拥有国内外多项发明，长期从事中短距离无线技术，低功耗智能蓝牙，物联网及相关技术的研究及创新应用。

第1章 低功耗蓝牙及物联网新技术的发展

 1.1 世界是蓝色的

 1.2 经典蓝牙（Classic Bluetooth）阶段：从蓝牙1.0到蓝牙3.0

 1.2.1 代蓝牙：关于蓝牙早期的探索

 1.2.2 第二代蓝牙：蓝牙进入实用阶段

 1.2.3 第三代蓝牙：高速蓝牙，传输速率可高达24 Mbps

 1.3 低功耗蓝牙与经典蓝牙并存的阶段：从蓝牙4.0开始

 1.3.1 为什么会出现低功耗蓝牙

 1.3.2 低功耗蓝牙的起源

 1.3.3 低功耗蓝牙与可穿戴设备的发展

 1.4 低功耗蓝牙的物联网阶段：从低功耗蓝牙5.0开始

 1.4.1 低功耗蓝牙5.0简介

 1.4.2 低功耗蓝牙5.1简介

 1.4.3 低功耗蓝牙5.2简介

 1.4.4 低功耗蓝牙5.3简介

 1.5 ZigBee、Thread、CHIP、Matter和CSA简介

 1.5.1 ZigBee简介

 1.5.2 Thread简介

 1.5.3 CHIP简介

 1.5.4 Matter简介

 1.5.5 CSA简介

 第2章 低功耗蓝牙5.1与AoA/AoD定位

 2.1 无线测向与AoA/AoD定位

 2.2 AoA方法和AoD方法的测量原理

 2.3 相位测量的基本概念

 2.4 基于CTE信号的相位差检测原理

 2.5 到达角和离开角的计算

 2.6 天线阵列简介

 2.7 基于AoA方法和AoD方法的定位系统架构

 2.8 基于低功耗蓝牙5.1的AoA/AoD定位技术的挑战

 2.9 基于低功耗蓝牙5.1的AoA/AoD精准定位的应用场景

 第3章 低功耗蓝牙5.2与LE音频

 3.1 低功耗蓝牙5.2的新特性

 3.2 更佳音质、更低功耗与更多创新功能的LE音频

 3.3 LE音频的应用场景

 3.3.1 应用场景一：真无线立体声（TWS）耳机

 3.3.2 应用场景二：广播音频与音频分享

 3.3.3 应用场景三：听力辅助

 3.3.4 应用场景四：多语言的实时翻译

 3.4 为什么LE音频具有更高的音质和更低的功耗

 3.5 LE音频为行业提供的解决方案

 第4章 Nordic的无线多协议SoC芯片nRF

 4.1 无线多协议SoC芯片

 4.1.1 无线多协议SoC芯片简介

 4.1.2 无线多协议SoC芯片的未来发展路线图

 4.2 nRF5340的主要规格参数

 4.2.1 nRF5340简介

 4.2.2 nRF5340的主要特性

 4.3 nRF5340的硬件主要参数

 4.4 nRF5340的开发工具

 4.4.1 nRF Connect SDK软件开发平台

 4.4.2 nRF5340 DK开发板（Development Kit）

 4.5 本章小结

 第5章 nRF5340的硬件系统设计

 5.1 实验目标

 5.2 nRF5340硬件小系统的电路设计

 5.2.1 nRF5340的供电模式及其稳压方式

 5.2.2 nRF5340的时钟电路

 5.2.3 nRF5340的天线匹配电路

 5.2.4 去耦电容的放置要求

 5.2.5 USB电路（可选）

 5.2.6 NFC电路（可选）

 5.3 nRF5340的硬件电路设计注意事项

 5.3.1 nRF5340的PCB设计布局指南

 5.3.2 nRF5340的PCB电源走线设计指南

 5.3.3 电源去耦电容的布局要求

 5.3.4 PCB铺地设计指南

 5.3.5 晶振电路的走线设计指南

 ……

 第6章 NCS平台的搭建

 第7章 nRF5340双核处理器之间的通信

 第8章 nRF5340低功耗蓝牙透传应用例程

 第9章 OpenThread协议栈应用例程

 第10章 Matter协议应用例程

 第11章 物联网原型开发平台Thingy

 第12章 基于nRF5340低功耗蓝牙的固件空中升级

 第13章 nRF5340的DTM测试

 第14章 nRF5340的编程烧录工具

 第15章 长距离通信扩展及低功耗电源管理

 第16章 低功耗蓝牙协议的分析

 第17章 低功耗的分析工具及使用

 参考文献

1.1世界是蓝色的

蓝牙自20世纪末诞生以来，就被赋予了连接的使命，从音频传输、图文传输、视频传输，发展到了以低功耗为主的智能物联网传输，蓝牙创新应用的场景变得越来越广阔。据蓝牙联盟预测，到2025年，蓝牙设备的出货量将超过60亿。

蓝牙（Bluetooth）一词取自10世纪丹麦国王哈拉尔的名字——Harald Bluetooth。哈拉尔国王由于统一了因宗教战争和领土争议而分裂的挪威与丹麦而闻名于世。传说哈拉尔国王特别喜欢吃蓝莓，甚至吃得牙齿都变成蓝色了，因而当时人们把这位国王的牙齿称为蓝牙(Bluetooth)。

1996年，英特尔、诺基亚、爱立信等公司都在短距离无线技术领域进行了研究。英特尔在研究“商业无线”的项目，爱立信在研究“MC-Link”网络，而诺基亚在研究“低功耗无线”项目。在这种情况下，和三个或更多个的独立标准相比，有一个统一的标准显然是更好的选择，并且更容易在市场上取得成功。因此，这些利益相关方聚在一起，成立了特别兴趣小组（SIG），以制定一个共同的标准。

1997年夏天，英特尔的吉姆·卡尔达奇（Jim Kardach）和爱立信的斯文·马蒂森（SvenMattisson）一起去了一家酒吧。在酒吧里，他们开始谈论历史，斯文·马蒂森说他最近读完了《长船》，该书讲述的是丹麦国王哈拉尔·戈尔姆森的统治。吉姆·卡尔达奇回家后读了一本名叫《维京人》的书，在这本书中，他更多地了解了当时的国王是如何统一斯堪的纳维亚半岛的。后来，吉姆·卡尔达奇建议特别兴趣小组（SIG）的名称就叫蓝牙特别兴趣小组

（Bluetooth SIG），通常也将蓝牙特别兴趣小组称为蓝牙联盟。

2007年，吉姆·卡尔达奇在一篇专栏文章中写道：蓝牙的名称是从10世纪丹麦国王Harald

Bluetooth的名字中借鉴来的；哈拉尔因统一斯堪的纳维亚半岛而闻名，正如我们打算用短距离无线技术的统一标准将个人计算机和手机连接起来一样。

这就是蓝牙名字的由来，蓝牙成为统一的通用传输标准——将所有分散的设备与内容互联互通。蓝牙的LOGO来自后弗萨克文的字母组合，将国王Harald Bluetooth名字的首字母H和B对应后弗萨克文的字母拼在一起，构成了大家熟知的蓝色LOGO，如图1-1所示。

1999年5月20日，爱立信、IBM、英特尔、诺基亚及东芝等公司创立了蓝牙特别兴趣小组（Special Interest Group,SIG）,也称为蓝牙技术联盟或蓝牙联盟。

蓝牙联盟既不生产、也不出售蓝牙设备，其主要任务是发布蓝牙规范，进行资格管理保护蓝牙商标，推广蓝牙技术。来自蓝牙联盟的成员在蓝牙技术的发展中扮演重要的角色。

2019年蓝牙联盟的成员已达到35761个，如图1-2所示。亚太地区的成员占比是最多的，这是因为众多蓝牙设备生产商位于中国，这也说明蓝牙技术在中国有良好的发展基础和应用前景。在2015年，蓝牙联盟成员总数为28525个，在2019年达到了35761家，5年内的成员数量增长超过了25%。中国拥有超过6000个会员，成为蓝牙技术的一个重要和积极的参与国家。据统计，每周付运的蓝牙设备数量目前已超过2亿部。

1.2经典蓝牙（Classic Bluetooth）阶段：从蓝牙1.0到蓝牙3.0

1.2.1第一代蓝牙：关于蓝牙早期的探索

1999年：蓝牙1.0。

蓝牙1.0不仅存在很多问题，产品的兼容性也不好，而且蓝牙设备还十分昂贵，因此蓝牙1.0推出以后，蓝牙技术并未得到广泛的应用。

2003年：蓝牙1.2。

针对蓝牙1.0的安全问题，蓝牙1.2完善了匿名方式，可以保护用户免受身份嗅探攻击和跟踪。此外，蓝牙1.2还增加了4项新功能：适应性跳频（Adaptive Frequency Hopping,AFH）功能，可减少蓝牙产品