CN114040368A - 一种基于ble蓝牙的数据传输方法、系统及蓝牙模块 - Google Patents

一种基于ble蓝牙的数据传输方法、系统及蓝牙模块 Download PDF

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Abstract

本发明涉及数据通信技术领域，提出一种基于BLE蓝牙的数据传输方法、系统及蓝牙模块，包括以下步骤：主设备与从设备建立连接，初始化设置连接事件的持续时间和时间间隔；在从设备中设置延迟计数器，延迟计数器设置有延迟响应次数n；从设备判断当前是否有数据包待传输：若是，则在下一连接事件发生时和/或连接事件持续时间内向主设备交互数据包，并重置延迟计数器；若否，则在后n‑1个连接事件保持静默状态，在第n个连接事件发生时和/或连接事件持续时间内向主设备交互数据包，并重置延迟计数器。本发明通过设置延迟计数器，以及设置主从设备之间的通信规则，在提高数据传输的吞吐率的同时，确保数据传输的实时性及稳定性，且有效降低设备功耗。

Description

一种基于BLE蓝牙的数据传输方法、系统及蓝牙模块
技术领域
本发明涉及数据通信技术领域，更具体地，涉及一种基于BLE蓝牙的数据传输方法、系统及蓝牙模块。
背景技术
当前物联网发展日趋成熟，需求不断增大，联网技术从一开始的RFID、NFC等单向通信技术扩展到ZigBee、Z-Wave、蓝牙、NB-IoT、WiFi、LoRa等无线通信技术。其中蓝牙通信技术作为一种主要的短距离无线通信技术，因其具有全球通用、标准开放、组网灵活、可传输语音和数据、抗干扰能力强、芯片集成度高、低功耗、成本低等特点而被广泛应用。随着移动应用和物联网应用需求的增长，出现低功耗(BLE)蓝牙技术并得到广泛应用。BLE技术的设备间无需配对，工作模式更省电，带来的方便和节能更适合物联网的应用场景。
然而，目前物联网对连接的稳定性、传输的时效性和功耗有更高的要求，特别是使用电池供电的蓝牙模块在物联网应用中，如果采用普通的BLE蓝牙方式，蓝牙模块睡眠时间间隔是个关键因子。当如果时间间隔设置过长，已有的蓝牙连接容易丢失而导致需要重新连接，同时新的连接时间过长，会导致实时性低、功耗增大、用户体验感差；如果时间间隔设置过短，则功耗也会大大增加。即目前蓝牙网络连接机制中普遍存在无法适应对连接稳定性、传输时效性和设备功耗的高要求的问题。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的普通BLE蓝牙无法适应对连接稳定性、传输时效性和设备功耗的高要求的缺陷，提供一种基于BLE蓝牙的数据传输方法、一种基于BLE蓝牙的数据传输系统，以及一种蓝牙模块。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种基于BLE蓝牙的数据传输方法，包括以下步骤：
主设备与从设备建立连接，初始化设置连接事件的持续时间和时间间隔；
在从设备中设置延迟计数器，所述延迟计数器设置有延迟响应次数n，其中n为大于1的正整数；
从设备判断当前是否有数据包待传输：若是，则在下一连接事件发生时和/或连接事件持续时间内向主设备交互数据包，并重置所述延迟计数器；若否，则在后n-1个连接事件保持静默状态，在第n个连接事件发生时和/或连接事件持续时间内向主设备交互数据包，并重置所述延迟计数器。
作为优选方案，在一次连接事件持续时间内，主从设备交互数据包的次数不少于1次。
作为优选方案，所述从设备与主设备交互的数据包包括空数据包和非空数据包。
作为优选方案，所述从设备与主设备之间互相通过ATT协议进行交互。
作为优选方案，所述从设备通过characteristic对数据进行封装，若干characteristic组成从设备的服务单元，其中每个characteristic采用UUID唯一标识。
作为优选方案，还包括以下步骤：所述从设备对经过封装的characteristic进行私有定义。
作为优选方案，所述从设备采用十六进制数据流方式对characteristic进行私有定义。
作为优选方案，所述从设备与主设备在建立连接事件时，所述从设备向所述主设备发送带request后缀的ATT命令或带ACK的ATT命令。
进一步的，本发明还提出一种基于BLE蓝牙的数据传输系统，应用于上述任一技术方案提出的基于BLE蓝牙的数据传输方法，其中包括分别作为主设备和从设备的节点，以及数据传输层，其中：
所述从设备中设置有延迟计数器和判断模块，所述延迟计数器设置有延迟响应次数n，其中n为大于1的正整数；
所述数据传输层设置有ATT协议数据单元；
当主设备和从设备建立数据传输连接后，所述延迟计数器工作；当判断模块判断从设备有数据包待传输，则通过所述数据传输层与主设备进行数据交互，并重置所述延迟计数器；当判断模块判断当前从设备没有数据包待传输时，则在接下来的n-1个连接事件保持静默状态，在第n个连接事件发生时和/或连接事件持续时间内向主设备交互数据包。
进一步的，本发明还提出了一种蓝牙模块，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述程序用于被所述处理器运行以执行上述任一数据传输方法中的一个或多个步骤。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明在BLE蓝牙网络连接机制中设置延迟响应次数的计数器，通过控制发送响应数据的间隔降低蓝牙设备的功耗；在蓝牙数据通信过程中通过采用Indicate的方式在一个连接间隔内发送多个数据包从而提高数据吞吐率，提高实时性和稳定性。
附图说明
图1为实施例1的基于BLE蓝牙的数据传输方法的流程图。
图2为主从设备连接成功后的时序图。
图3为GATT事务的示意图。
图4为实施例2的基于BLE蓝牙的数据传输系统的架构图。
图5为实施例3的蓝牙智能锂电池管理系统架构图。
图6为实施例3的蓝牙模块的原理图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本实施例提出一种基于BLE蓝牙的数据传输方法，如图1所示，为本实施例的基于BLE蓝牙的数据传输方法的流程图。
本实施例提出的基于BLE蓝牙的数据传输方法中，包括以下步骤：
步骤1：主设备与从设备建立连接，初始化设置连接事件的持续时间和时间间隔。
当主设备与从设备建立连接后，主设备和从设备理论上在每一个连接事件开始的时候，需要完成一次数据交互，即主设备向从设备发送一个数据包，从设备再想主设备发送一个数据包，整个交互过程称为一个连接事件(connection event)。如图2所示，为主从设备连接成功后的通信时序图。蓝牙芯片只有在连接事件持续时间内把射频模块打开，此时功耗较高，而在其余时间蓝牙芯片处于闲置状态。
步骤2：在从设备中设置延迟计数器，所述延迟计数器设置有延迟响应次数n，其中n为大于1的正整数。
本步骤中设置的延迟计数器用于计算连接事件延迟响应次数，且当次数到达预设的延迟响应次数时，在连接事件持续时间内主设备与从设备执行数据交互。
比如延迟响应次数n＝5时，此时从设备每5个连接事件才回复一次主设备，即自开始计数起n-1个连接事件中主从设备均保持静默状态，直至第5个连接事件到来，主从设备完成进行数据交互，进而节省从设备的功耗，提高蓝牙芯片续航时间。
步骤3：从设备判断当前是否有数据包待传输：若是，则在下一连接事件发生时和/或连接事件持续时间内向主设备交互数据包，并重置所述延迟计数器；若否，则在后n-1个连接事件保持静默状态，在第n个连接事件发生时和/或连接事件持续时间内向主设备交互数据包，并重置所述延迟计数器。
本步骤中，主从设备之间的数据交互除了根据预设的延迟计数器的响应执行，当从设备有数据需要上报给主设备，可以在下一连接事件发生时和/或连接事件持续时间内向主设备交互数据包，不需要延迟响应，进而保证了数据传输的实时性。
其中，本实施例中主从设备之间通过ATT协议进行数据交互。
进一步的，本实施例中主从设备进行数据交互的数据包包括空数据包和非空数据包，本实施例考虑到主从设备不会时刻都有数据需要发送，在一次有效的连接事件中，可以将空数据包发送至主设备，从而提高吞吐率。
进一步的，本实施例中主从设备在一个连接事件持续时间中，从设备与主设备交互数据包的次数不少于1次，即在一次连接事件中，主设备可以发多个数据包给从设备，同样从设备可以发多个数据包给主设备，进一步提高吞吐率。
进一步的，从设备通过characteristic对数据进行封装，若干characteristic组成从设备的服务单元，其中每个characteristic采用UUID(Universally UniqueIdentifier，通用唯一识别码)唯一标识。
在BLE蓝牙通信中，从设备通过characteristic对数据进行封装。多个characteristic组成从设备的一个单独的服务单元(Service)，或者说Service是一个基本的BLE应用。如果某个Service是一个蓝牙联盟定义的标准服务，也可以称其为Profile，比如HID/心率计/体温计/血糖仪等，都是标准蓝牙服务，因此都有相应的Profile规格书。本实施例中，Service是把数据分成一个个的独立逻辑项，它包含一个或者多个Characteristic。每个Service有一个UUID唯一标识。Characteristic是GATT(GenericAttribute Profile，通用属性协议)事务中的最低界别，如图3所示，为GATT事务的示意图。Characteristic是最小的逻辑数据单元，当然它可能包含一个组关联的数据，例如加速度计的X/Y/Z三轴值。与Service类似，每个Characteristic用UUID唯一标识。
进一步的，本实施例中的从设备对经过封装的characteristic进行私有定义，且从设备采用十六进制数据流方式对characteristic进行私有定义。本实施例中，在对characteristic进行私有定义时，其规则遵循蓝牙标准，内容包括Name、UUID、Type字段。
一般情况下BLE蓝牙外设都采用官方定义的Service和Characteristic，具有设备间通信兼容性高的特点，不同厂商设备和软件可以无缝兼容，但其存在数据包开销大的缺点，导致传输有效性降低和传输发射时间增长，从而导致蓝牙功耗的增大。
而在物联网中，设备多为专业型、定制化的应用，不同厂商设备之间的无缝兼容可以采用私有定义的Profile来实现，而在定义Characteristic时，采用十六进制数据流方式定义可以提升数据传输效率缩短发送时间，大大节省数据开销，而因此带来的应用端解析的难度相比功耗的节省和传输效率的提升可以完全忽略。
进一步的，本实施例中从设备与主设备在建立连接事件时，所述从设备向所述主设备发送带request后缀的ATT命令或带ACK的ATT命令。
本实施例中的主从设备之间通过ATT协议通信，其中ATT协议命令包括read，write，notify和indicate。其中，主从设备间发送的ATT命令带有request后缀，或带ACK(Acknowledge character，确认字符)。
当采用带request后缀的ATT命令时，可以按顺序地发送一些数据包，但request/response方式的通信方式要求在不同的连接间隔中出现，例如在连接事件的间隔1中发送了一个request命令，那么response包必须在间隔2或者稍后间隔中回复，而不能在间隔1中回复，这就导致两个连接间隔最多只能发一个数据包。
而采用带ACK的ATT命令时，当命令发出后需要等待接收ACK确认信息，如果收到了ACK包，发起方认为命令完成；否则发起方会一直重传该命令直到超时导致BLE连接断开。在对数据包的顺序没有要求的情况下，采用带ACK的ATT命令能够有效提高数据的吞吐率。
在具体实施过程中，主设备和从设备根据实际应用场景设置，在物联网领域中，主设备一般为手机等移动终端，从设备为位于物联网范围内的设备。在主设备和从设备建立数据传输连接时，根据蓝牙规范规定进行，连接成功后，BLE通信进入主从模式。
本实施例中，通过设置延迟计数器，以及设置主从设备之间的通信规则，在提高数据传输的吞吐率的同时，确保数据传输的实时性及稳定性，且有效降低设备功耗。
实施例2
本实施例提出一种基于BLE蓝牙的数据传输系统，应用于实施例1提出的数据传输方法。如图4所示，为本实施例的基于BLE蓝牙的数据传输系统的架构图。
本实施例提出的基于BLE蓝牙的数据传输系统中，包括分别作为主设备和从设备的节点，以及数据传输层，其中：
从设备中设置有延迟计数器和判断模块，所述延迟计数器设置有延迟响应次数n，其中n为大于1的正整数；
所述数据传输层设置有ATT协议数据单元；
当主设备和从设备建立数据传输连接后，所述延迟计数器工作；当判断模块判断从设备有数据包待传输，则通过所述数据传输层与主设备进行数据交互，并重置所述延迟计数器；当判断模块判断当前从设备没有数据包待传输时，则在接下来的n-1个连接事件保持静默状态，在第n个连接事件发生时和/或连接事件持续时间内向主设备交互数据包，并重置所述延迟计数器。
本实施例中的数据传输层基于ATT协议进行数据传输，并相应设置有ATT PDU。
实施例3
本实施例提出一种基于BLE蓝牙的数据传输方法的应用，将实施例1提出的基于BLE蓝牙的数据传输方法应用于锂电池的智能管理系统中。如图5所示，为本实施例的蓝牙智能锂电池管理系统架构图。
本实施例包括一种蓝牙模块，其中包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述程序用于被所述处理器运行以执行实施例1所述的基于BLE蓝牙的数据传输方法中的一个或多个步骤。
进一步的，将所述蓝牙模块与锂电池组连接安装，通过UART/GPIO与锂电池的BMS(Battey Manage System)进行数据交互，其原理图如图6所示。
本实施例中，锂电池组作为从设备，将其电量数据通过蓝牙模块与主设备进行数据传输。采用本实施例提出的蓝牙模块，由于传输效率和自耗电的大大降低，蓝牙通信模块的耗电量不足GPRS/NB-IoT的十分之一，一个普通的48V10A的锂电池即使闲置2年也不会因为自耗电而导致电池过放故障。
进一步的，主设备通过蓝牙模块接收来自从设备传输的数据后，可以进一步通过互联网与云服务平台进行数据交互，实现主设备间的数据交互。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于BLE蓝牙的数据传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
主设备与从设备建立连接，初始化设置连接事件的持续时间和时间间隔；
在从设备中设置延迟计数器，所述延迟计数器设置有延迟响应次数n，其中n为大于1的正整数；
从设备判断当前是否有数据包待传输：若是，则在下一连接事件发生时和/或连接事件持续时间内向主设备交互数据包，并重置所述延迟计数器；若否，则在后n-1个连接事件保持静默状态，在第n个连接事件发生时和/或连接事件持续时间内向主设备交互数据包，并重置所述延迟计数器。
2.根据权利要求1所述的数据传输方法，其特征在于，在一次连接事件持续时间内，主从设备交互数据包的次数不少于1次。
3.根据权利要求1所述的数据传输方法，其特征在于，所述从设备与主设备交互的数据包包括空数据包和非空数据包。
4.根据权利要求1所述的数据传输方法，其特征在于，所述从设备与主设备之间互相通过ATT协议进行交互。
5.根据权利要求4所述的数据传输方法，其特征在于，所述从设备通过characteristic对数据进行封装，若干characteristic组成从设备的服务单元，其中每个characteristic采用UUID唯一标识。
6.根据权利要求5所述的数据传输方法，其特征在于，还包括以下步骤：所述从设备对经过封装的characteristic基于蓝牙标准进行私有定义。
7.根据权利要求6所述的数据传输方法，其特征在于，所述从设备采用十六进制数据流方式对characteristic进行私有定义。
8.根据权利要求4所述的数据传输方法，其特征在于，所述从设备与主设备在建立连接事件时，所述从设备向所述主设备发送带request后缀的ATT命令或带ACK的ATT命令。
9.一种基于BLE蓝牙的数据传输系统，其特征在于，包括分别作为主设备和从设备的节点，以及数据传输层，其中：
所述从设备中设置有延迟计数器和判断模块，所述延迟计数器设置有延迟响应次数n，其中n为大于1的正整数；
所述数据传输层设置有ATT协议数据单元；
当主设备和从设备建立数据传输连接后，所述延迟计数器工作；当判断模块判断从设备有数据包待传输，则通过所述数据传输层与主设备进行数据交互，并重置所述延迟计数器；当判断模块判断当前从设备没有数据包待传输时，则在接下来的n-1个连接事件保持静默状态，在第n个连接事件发生时和/或连接事件持续时间内向主设备交互数据包，并重置所述延迟计数器。
10.一种蓝牙模块，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述程序用于被所述处理器运行以执行权利要求1～8任一项所述的数据传输方法中的一个或多个步骤。
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