一文搞懂蓝牙模块的各种工作模式

摘要： 本文主要归纳总结蓝牙模块的不同工作模式，通过蓝牙模块不同的工作模式了解其扮演不同角色时工作的一个基本原理，为更深入的研究蓝牙模块底层的工作机制和技术方案进行铺垫。

1、主设备工作模式

主设备是能够搜索别人并主动建立连接的一方，从扫描状态转化而来的。其可以和一个或多个从设备进行连接通信，它会定期的扫描周围的广播状态设备发送的广播信息，可以对周围设备进行搜索并选择所需要连接的从设备进行配对连接，建立通信链路成功后，主从双方就可以发送接收数据。例如智能手机，数据传输中做主机的蓝牙模块。

一个蓝牙设备以主模式发起连接时，需要知道从设备的mac地址，配对密码等信息，配对完成后，可直接连接。同时主设备可以设置默认连接从设备的mac地址，这样主设备模块上电会自动搜索该mac地址的从设备并且进行连接。并且支持白名单功能，用户只需要把需要连接的设备的mac写入白名单中，模块搜索到符合白名单的设备时就进行连接。主从透传协议相同时，用户不需要关注串口数据与无线数据包之间的数据转换过程，只需通过简单的参数设置，即可实现主设备串口与从设备串口之间的数据透传。

为保证连接的稳定性，预防断电、信号等异常问题导致模块之间断开连接，可以开启断线重连功能，当异常干扰问题消失，模块工作环境恢复正常，主设备会自动搜索刚刚断连的从设备，尽可能减少数据的丢失，提高系统稳定性。

2、从设备工作模式

从设备模式是从广播者模式转化而来的，未被连接的从设备首先进入广播状态，等待被主机搜索，当主机扫描到从设备建立连接后，就可以和主机设备进行数据的收发，其不能主动的建立连接，只能等别人来连接自己。和广播模式有区别的地方在于，从设备模式的蓝牙模块是可以被连接的，定期的和主机进行连接和数据传输，在数据传输过程中作从机。例如蓝牙手表手环，蓝牙鼠标等工作在从设备模式。

一对一应用中从设备可以设为两种类型，一是静默状态，即只能与指定的主设备通信，不被别的蓝牙设备查找；二是开发状态，既可被指定主设备查找，也可以被别的蓝牙设备查找后建立连接。

从设备模式下，用户可以根据协议自己开发APP。此模式下包含一个串口收发的Service，用户可以通过UUID找到它，里面有两个通道，分别是读和写。用户可以操作这两个通道进行数据的传输。如果用户使用的主设备和从设备是同一个厂家生成的蓝牙模块，那么主设备和从设备相连接可以无需关注里面的协议，蓝牙设备在出厂前预先设置了两个蓝牙设备之间的配对信息，两端设备接通电源后自动构建链路，不需要外围电路的介入，两个设备的串口直接就可以进行数据的透明传输，为用户建立一个简单的无线传输通道。

通过上述对蓝牙模块主设备模式和从设备模式的分别阐述，可以将基本的主从建立连接的过程总结如下：蓝牙主设备发起连接，首先是查找，找出周围处于可被查找的蓝牙设备。主设备找到从设备后，与从设备进行配对，此时需要输入从设备的PIN码，也有设备不需要输入PIN码。

配对完成后，从端蓝牙设备会记录主端设备的信任信息，此时主设备即可向从设备发起连接，已配对的设备在下次连接时不再需要重新配对。已配对的设备，作为从端蓝牙设备也可以发起建立链路的请求，但作数据通信的蓝牙模块一般不启动调用。一旦建立了链接，主机和从机之间就可以进行双向的数据或语音通信。在通信状态下，主设备和从设备都可以发起断链，即断开蓝牙链路。

3、主从一体工作模式

主从一体工作模式是指蓝牙模块可以同时作为主设备和从设备。其可以在两个角色间切换，工作在从模式时，等待其它主设备来连接，需要时，转换为主模式，向其它设备发起连接调用。主从一体提供了扩展蓝牙模块的能力，在蓝牙4.1协议规范后，添加了“链路层拓扑”的功能，就可以允许蓝牙模块同时作为主设备和从设备，在任何角色组合中操作。例如蓝牙HUB终端。

当具备主从一体的蓝牙模块工作时，该蓝牙模块可以作为主设备搜集其它外围从节点设备的信息，同时作为一个从设备将搜集到信息上报给主控终端如手机。这样的好处就是外围的从节点设备信息可以不局限在本地保存，通过主从一体的蓝牙模块发挥中继器的作用，搜集后上传给云端或集中控制器保存或显示。

主从一体额外增加了蓝牙模块的功能，成本优化和易用性。 如果蓝牙模块以前在封闭系统中作为主设备工作，那现在还可以同时作为从机连接到智能手机，从而实现新的连接维度。在主从一体工作模式下，一个蓝牙模块就可以扮演两种角色，从而可以优化系统架构。

4、广播者工作模式

蓝牙广播是蓝牙4.0以上设备必须支持的功能。它不涉及到更上层的连接层和协议层。因此，利用蓝牙广播的数据包来传递的信息，在蓝牙设备上具有更好的实时性和兼容性。在广播模式下，蓝牙模块定期持续的向周围发送一定长度广播的数据包，该数据可以被扫描者搜索到，模块可以在低功耗的模式下持续的进行广播，应用于极低功耗，小数据量，单向传输的应用场合。蓝牙广播通道的重要功能就是是用于发现设备，发起连接和发放数据。

广播模式主要有两种使用场景：（1）单一方向的、无连接的数据通信，数据发送者在广播信道上广播数据，数据接收者扫描、接收数据；广播者”将用作服务器。其目的是定期将数据传输到设备，但不支持任何连接。如信标、广告牌、室内定位、物料跟踪等。（2）面向连接的建立，如蓝牙从设备广播消息后由主设备搜索到后进行连接，广播者和从设备模式的唯一区别是不能被主机连接，只能广播数据。

蓝牙的广播一般是向外广播自己的mac地址、名称以及支持的特性，广播主要是用于被其它的设备发现，而不是进行数据发送的。广播包长度是固定的字节，虽然可以有厂商自定义的数据，但是数据也是有限的。

广播数据包有两种：广播包（Advertising Data）和响应包（Scan Response），其中广播包是每个设备必须广播的，而响应包是可选的，每个包长度都是固定字节N，数据包的长度N随着蓝牙协议的标准提高而扩容，例如蓝牙5.0的数据包从蓝牙4.2的31字节升级成为255字节，数据包中分为有效数据和无效数据两部分。每个广播包的长度必须是N个字节，如果不到N个字节 ，则剩下的全用0填充补全，这部分的数据是无效的。

5、观察者工作模式

观察者模式，该模式下模块为非连接，相对广播者模式的一对多发送广播，观察者可以一对多接收数据。在该模式中，设备可以仅监听和读取空中的广播数据。和主机唯一的区别是不能发起连接，只能持续扫描从机。

观察者工作模式可应用于数据采集集中器的应用场合，如传感器集中器采集等功能；另一个典型的例子是蓝牙网关，蓝牙模块处于观察者模式，无广播，它可以扫描周围的广播设备，但不能要求与广播设备连接。

6、iBeacon工作模式

iBeacon 是苹果公司2013年9月推出的一项室内低耗能蓝牙技术。其工作方式是：iBeacon是一个低功耗的蓝牙信标，使用的是BLE技术，工作在广播模式，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。广播的发射功率可以调整，不停的广播蓝牙设备的mac地址、UUID等固定字节的字符串等信息，接收到该字符串应用软件会根据该字符串采取一些措施。

iBeacon是基于2010年发布的蓝牙4.0技术规范的基础上发展而来的微定位技术。它是建立在低功耗蓝牙协议基础上的一种广播协议，同时它也是拥有这个协议的一款低功耗蓝牙设备（从机），但是它不能和任何低功耗蓝牙主机进行连接，通常是放在室内的某个固定位置，借此向周围进行连续性广播，所有广播数据在特定规则下进行排列。

与WIFI定位相比，iBeacon定位具有低成本和高安全性，其应用场景多种多样。常见的应用是精确营销，比如博物馆、展厅的信息推送或者购物中心服务商向顾客发送折扣卷及进店积分等。如果把它放在室内固定的位置，可以作为一个定位器，手机打开蓝牙连接之后通过APP就可以获取其位置，同时会推送一些设置好的信息到我们手机上。

微信摇一摇也加入了iBeacon功能，例如住酒店，用户在酒店大堂摇一摇，就可以获取房间信息。很简单，你的手机加入装了一个支持iBeacon的APP或者你用微信摇一摇周边，刚好你又在这个iBeacon设备旁边，手机就会收到一段蓝牙信号，然后手机带着这个信号，去服务器问，这个信号是啥意思，服务器看到这个信号，又看到是你的手机带着这个信号过来的，那就给你发信息。

蓝牙iBeacon是一种非常新颖的交互方式，它是一种低功耗协议，也是一种低功耗蓝牙设备。在智能领域有非常广泛的前景。

7、Mesh组网工作模式

蓝牙Mesh组网技术在2017年得到SIG批准，这是一种独立的网络技术，兼容4及5系列蓝牙协议。它把蓝牙设备作为信号中继站，利用低功耗蓝牙广播的方式进行信息收发，蓝牙Mesh技术拓展了蓝牙的通讯关系，打破了以往蓝牙设备只能够主从一对一、广播一对多通信的限制，使网络内的蓝牙设备可以实现“多对多”的设备通信，这将大大增加蓝牙的通讯距离和应用场景，填补了蓝牙在大规模组网，大面积覆盖应用领域的空白。

Mesh网络也称为"多跳网络"，或者“网状网络”。Mesh网络的每一个节点都可以作为AP和路由器，通信时，当某个节点损坏或者堵塞时，可以自动绕过该节点，重新选择路径达到目的地，可以让网络更高效可靠。

工作在Mesh组网模式的BLE蓝牙模块可以简单的将多个模块加入到网络中来，一个加入到蓝牙Mesh网络中的设备称为节点利用星型网络和中继技术，每个网络可以连接理论最大65536个节点，每个节点都可以发送、接收、转发消息。消息可以在Mesh网络中被转发从而到达更远的距离。网络和网络还可以互连，最终可将无数蓝牙模块通过手机、平板电脑或 PC 进行互联或直接操控。并且不需要网关，即使某一个设备出现故障也会跳过并选择最近的设备进行传输。整个联网过程只需要设备上电并设置通信密码就可以自动组网，真正实现简单互联。

由于目前几乎所有的智能手机都具备蓝牙功能，所以可以使用手机对蓝牙Mesh设备进行直接控制。蓝牙Mesh是一种可以像ZigBee一样实现大规模组网，同时又不必依赖网关，可以使用手机进行直接控制的方案。

总而言之，蓝牙Mesh组网有着广阔的发展前景，这种技术可组节点成百上千，无需网关可以直接与智能终端通信，满足物联网的连接需求，这是任何其它短距离无线技术都不具备的条件，在智能家居、智能建筑等众多领域具有应用优势，蓝牙Mesh技术将成为物联网短距离规模组网的最优方案。

总结

可以看出，不同类型的蓝牙模块根据使用场景的不同，可以有不同的工作模式，并不仅仅是简单的点对点通信，随着蓝牙协议标准的升级，蓝牙技术也跟着不断提高，工作模式的不同使得蓝牙模块可以扮演不同的角色，适配不同的技术应用，发挥其所需要的功能，最后通过一张思维导图来对本文进行概述性总结。

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PLC初学者指南：盘点自动化行业常见的传感器！

电机自动生产线中，传感器可监测温度、压力、流量等参数，确保生产线的稳定运行和产品质量。通过对生产数据的实时监测和分析，可优化生产过程，提高生产效率和产品质量。传感器在电机生产线中发挥着至关重要的作用。

两种类型的传感器：模拟和离散

模拟传感器 是输出与环境变化呈线性关系的连续电压的设备。

它们广泛应用于温度传感、距离传感、亮度传感、压力传感以及涉及精确、特定测量单位的 PLC 应用。

在 PLC 自动化中，通常使用的模拟输入为 0-20mA、4-20mA 或 0-10V。因此，感测也可能变成电流感测 或电压感测 。

然而，即使传感器是模拟的，PLC 仍然是数字设备。这就是使用 A/D 转换器的原因。

简单来说，PLC 会定期对模拟值进行采样。这通常每秒发生一百到一千次（事实：语音模拟信号的采样率至少为每秒 8000 次，以便最不容易理解）。

然后将这些样本转换为位表示（位数取决于 PLC 的设计）。这称为量化。为了轻松直观地了解它，请查看下表：它显示了 -3.5V 至 +3.5V 范围内的位等效值。

因为PLC有CPU，所以它会进行数字信号处理，以便处理数据并将其转换为输出模块中的等效结果。

另一方面，离散传感器仅输出高电平或低电平。这是从二进制数系统衍生而来的，其中唯一可能的数字是 0 和 1，分别表示低电平和高电平。

高电平信号，即使在某些 PLC 中表示为 1，也不由 1 伏表示。PLC 通常以 24 伏直流电运行。

这意味着仅当电压为 24 伏直流电时，PLC 才会在输入侧读取高电平。

这些离散传感器具有内部开关电路，可将其归类为漏极(NPN) 或源极(PNP)。基本上，PNP 提供 +24 V 作为输入，而 NPN 提供 -24V 作为输入。因此，输入模块也必须归类为源极或漏极。

传感器示例

接近传感器

在 PLC 自动化中，接近传感器通常用于检测由不同材料制成的物体的存在与否。它们无需接触即可实现检测。有时它们被称为“接近开关”，因为输出是二进制的，高或低 — 就像开关一样。

电感式接近传感器

电感式接近传感器由缠绕导体的铁质金属芯组成。

当金属芯的末端靠近另一个铁质金属物体时，线圈的有效电感会发生变化。传感器中的另一个电路会监控这一变化，然后激活开关元件。

在 PLC 自动化中，电感式接近传感器在金属制造过程中最为常见。

电容式接近传感器

电容式接近传感器能够检测金属和非金属物体。本质上，电容器的两个极板之间相隔一段距离。两个极板之间的距离决定了其电容 ，即其在特定电压降下储存能量的能力。

为了利用这一特性，电容式接近传感器只有一个板，而与之平行的另一个板将是被感测的物体。

由于物体具有不同的介电常数，因此可以通过电容的变化来检测物体。

请注意，许多物体具有介电特性，这使得它们适合使用电容式接近传感器在 PLC 自动化中进行检测。

磁簧开关

簧片开关由两种密封在玻璃或塑料中的铁磁材料组成。这两种材料最初并不接触，但当来自永磁体或感应磁体（来自载流线圈）的磁场放置在雌黄开关附近时，开关会闭合并实现电气连通。

对于 PLC 自动化，这可以完美地用于涉及门的通知/警报系统：例如，当一个房间只允许授权人员进入时，打开门将点亮保安办公室的灯泡，表示有人正在打开那扇门。

光电传感器

光电传感器使用发光二极管作为发射器，接收器侧通常使用光电晶体管或光电二极管。基本上，当发射器 LED 发出的光（通常是红外线）照射到接收器时，传感器的状态会从低变为高。

由于光电传感器具有不同的操作模式，这些传感器可在 PLC 自动化中以创造性的方式使用。

光电传感器的工作模式

通过光束

当发射器和检测器的放置位置使得光线完全入射到检测器时，光电传感器将以对射式运行。“检测器看到它前面的发射器”。

在 PLC 自动化系统中，只有能够阻挡发射器和检测器之间光路的物体才可能被光电传感器检测到。通常，这些物体是连续放置的，并由传送带移动，以便可以计算出物品的总数。

反光的

当光电传感器需要物体将发射的光反射到探测器上时，它就作为反射型传感器工作。

在PLC自动化系统中，反射型最常用于检测容器的液位并判断其是否达到所需的液位。

超声波传感器

超声波传感器利用声波及其反射来检测物体的存在。显然，吸收声音的物体无法被超声波传感器检测到。

您可能认为该传感器会发出声音，打扰周围的人。这是不可能的，我会解释原因。

“超声波”一词意味着所使用的频率高于人类能够听到的频率。

基本上，超声波传感器的频率足够高，甚至可以被人类解读。

可听见的声音频率仅在20Hz至20kHz之间，并且该范围会随着衰老而自然缩小。

这就是为什么一些老人可能听不到 18 kHz 的正弦音，而年轻人却能听到的原因。

位移/位置传感器

位移传感器测量指定参考点与目标物体位置之间的距离。通常，它们用于制造以获得更高的精度水平。因此，这些传感器无疑是模拟的，因为它们会给出一系列值。

线性和旋转电位器

它们使用欧姆定律的原理来提供有关目标位移的信息。在 PLC 控制系统中，当物体沿直线从一个点移动到另一个点时，使用线性电位器。

线性电位器有三个端子：一个连接到源，一个连接到地，一个连接到 PLC 的输入 - 我们称之为输出引脚。

根据输出引脚与电位器的接触点，有效电阻会发生变化。

当接点到达最上层时，输出电压与源极电压相同；当接点位于中间时，输出电压为源极电压的一半。

根据 PLC 读取电压的精度，电阻的每一个微小变化（以电压源的百分比表示）也可能代表距离的变化。

旋转电位器也适用相同的概念，只不过它测量的是角距离。这意味着运动是圆形的，而不是直线的。

在 PLC 自动化中，当使用直流电压来表示距离的变化时，使用电位器。

线性可变差动变压器

这些类型的变压器由变压器的两个次级绕组和初级绕组之间的铁芯位移控制。

当铁芯居中时，两个次级绕组的电压变得相等。

直观地讲，当磁芯沿绕组向上或向下移动时，两个次级绕组之间的电压差可能会变得更正或更负。与电位计类似，输出电压的这些变化可以表示距离的变化。

在PLC自动化中，当使用恒定交流电压来表示距离的变化时，使用线性可变差动变压器。

电容式位移传感器

电容式位移传感器的原理与电容式接近传感器相似。

本质上，当电容器的平行板完全对齐时，电容器的有效面积最大。

现在，当您移动一侧而不改变板之间的距离时，例如向下或向上移动另一块板，电容器的有效面积就会发生变化。

这会改变传感器的电容，从而可以改变电容器中可存储的最大电压。

不过，电容式位移传感器在用于 PLC 自动化之前，应该先重新调节其输出信号。

基本 PLC 输入设备如何连接

由于特定原因，这些 PLC 输入设备并非仅仅直接连接到 PLC。

从逻辑上讲，不能保证有人总是会为 PLC 输入连接适当额定的设备。

此外，不同极性的直流输入可以连接到 PLC 的 I/O 模块。

由于这些特定原因， PLC 通过一种称为光隔离 的原理来保证安全。

光隔离

还记得光电开关的概念吗？PLC 配有这些光电开关的微型版本，以保护系统。

光隔离的工作原理是将 LED（发射器）和光电晶体管（检测器）直接放置在一起。

例如，当将适当极性的直流电压施加到输入端 1 时，LED 就会亮起。

光电晶体管在该特定输入端建立源和 PLC 之间的连接。

PLC 将其读取为“来自端子 1 的输入已打开，让我们根据程序对输出进行更改”

使用光隔离，PLC 输入侧只有在极性正确的情况下才能为 PLC 供电。如果输入电压或功率过高，则只有光隔离器的输入侧会损坏。

这使得 PLC 比Arduino 等其他微控制器更加强大。

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