在现代生活中，我们每天都在不知不觉中使用“蓝牙”——耳机、键盘、鼠标、手环、打印机、甚至汽车……蓝牙早已像空气一样，存在于我们的数字日常。然而，这项技术到底是怎么工作的？它为何叫“蓝牙”？它和Wi-Fi、NFC等技术又有何不同？今天，计算机教程网就来揭开蓝牙技术的神秘面纱。
为什么叫蓝牙？
在讲技术原理之前，先说个趣事：“蓝牙”这个名字，竟然来自一位公元10世纪的北欧国王。
“Bluetooth”直译就是“蓝色的牙齿”，这个名字源自丹麦国王哈拉尔德·布鲁顿（Harald "Bluetooth" Gormsson）。他以统一了丹麦和挪威闻名，而蓝牙技术的发明者认为，这项技术可以统一各种设备之间的通信，就像这位国王统一了国家一样。
于是，这个看似奇怪的名字就被保留了下来，并沿用至今。蓝牙的Logo也是“哈拉尔德”名字的北欧文缩写（ᚼ和ᛒ）组合而成，颇具文化韵味。
蓝牙技术核心
蓝牙技术是一种无线通信技术，它的基本原理是利用2.4GHz的ISM频段进行短距离无线通信。这种技术具有低功耗、低成本、低复杂度、低干扰等优点，被广泛应用于智能家居、物联网、无线耳机等领域。该技术由爱立信公司于1994年首次提出，旨在替代当时用于设备通信的串行电缆。
可见波与不可见波
我们可以拿激光笔来做一个实验。当我们打开激光笔的开关时，我们可以看到一束绿色的激光线。这个绿色的激光线就是一种可见光，因为它的波长在400~700纳米之间，能够被人类眼睛看到。
但是，如果我们将这束激光笔对准手心，我们就会发现手心上出现了一些红色的点。这些红色的点就是被激光笔发射出的红外线反射回来的结果。红外线的波长在700纳米到1毫米之间，超出了可见光的范围，因此我们无法直接看到它们。但是，我们可以使用红外线感应器等设备来检测红外线的存在。
波长是指电磁波中连续相邻两个峰或两个谷之间的距离。在物理学中，波长通常用希腊字母λ（lambda）表示，单位是米（m）。 举一个简单的例子来描述波长。我们可以拿一条水波浪作为例子。当我们在水面扔入一个石子，就会产生一圈圈的水波浪。这些水波浪的距离，就是波长。 如果我们用一个尺子去测量水波浪的波长，我们会发现，波长越长，两个连续的峰或谷之间的距离就越大。反之，波长越短，两个连续的峰或谷之间的距离就越小。
同样的道理也适用于其他类型的波，如电磁波。当我们看到一束光线时，可以想象这束光线是由许多连续的波峰和波谷构成的，波峰和波谷之间的距离就是这束光线的波长。在可见光谱中，不同颜色的光线有不同的波长，例如红光的波长是约700纳米，蓝光的波长是约400纳米。波长的差异使得不同颜色的光线在我们的眼睛中产生不同的感觉。 谐振是指一个物理系统受到外界激励时，如果激励频率与该系统的固有频率相等或接近相等，就会产生共振现象。在共振状态下，系统能量的转换效率最大，振幅也会最大。
例如，我们可以通过摆钟来观察谐振现象。摆钟由重物和摆杆组成，当我们把摆钟拉到一边，然后松手放开时，摆钟会开始摆动，直到最后停下来。这个过程中，重物在摆动时会不断受到重力的作用，而摆杆则会不断受到弹性的作用。当激励频率与摆钟的固有频率相等时，重物和摆杆的振动会达到最大值，这时的摆钟就处于共振状态。在共振状态下，摆钟的振幅会比平时大很多，而摆动的持续时间也会变长。
蓝牙工作原理工作频率
从上面的描述来看，蓝牙的工作本质其实也是一种不可见波的传递。如下图所示，蓝牙工作的波长范围为［120.7mm - 124.9mm］。波长（λ）和频率（f）之间的转换可以使用公式：波长 = 光速（c）/ 频率。即：
其中，光速 c 约为 299，792，458 米每秒（m/s）。
所以蓝牙的工作最高频率为：
f = c / λ = 299，792，458 m/s / （120.7 x 10^-3 m） ≈2.487GHz
最低工作频率为：
f = c / λ = 299，792，458 m/s / （124.9 x 10^-3 m） ≈2.40GHz
所以，蓝牙的工作频率为［2.4GHz ~ 2.48GHz］。
蓝牙模块数据透传工作原理
蓝牙模块可以通过串口（SPI、IIC）和MCU控制设备来进行数据传输。
蓝牙模块可以做主机和从机两种模块。主机模式就是能够搜索别的蓝牙模块并且主动与之建立连接。而从机模式不能主动的建立连接，只能够等主机连接自己。
低功耗蓝牙模块工作原理
低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy），简称为BLE。蓝牙低能耗无线技术利用许多智能手段最大限度地降低功耗。
蓝牙低能耗架构共有两种芯片构成：单模芯片和双模芯片。蓝牙单模器件是蓝牙规范中新出现的一种只支持蓝牙低能耗技术的芯片——是专门针对ULP操作优化的技术的一部分。蓝牙单模芯片可以和其它单模芯片及双模芯片通信，此时后者需要使用自身架构中的蓝牙低能耗技术部分进行收发数据。双模芯片也能与标准蓝牙技术及使用传统蓝牙架构的其它双模芯片通信。
注：按应用可分为数据蓝牙模块和语音蓝牙模块，前者完成无线数据传输，后者完成语音和立体声音频的无线数据传输。
蓝牙协议组成工作原理
蓝牙模块无线传输协议体系中的协议按SIG的关注程度分为四层：
1、核心协议：BaseBand、LMP、L2CAP、SDP；
2、电缆替代协议：RFCOMM；
3、电话传送控制协议：TCS-Binary、AT命令集；
4、选用协议：PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP、vCard、vCal、IrMC、WAE。
除上述协议层外，规范还定义了主机控制器接口（HCI），它为基带控制器、连接管理器、硬件状态和控制寄存器提供命令接口。在上图中可见，HCI位于L2CAP的下层，但HCI也可位于L2CAP上层。
蓝牙模块核心协议由SIG制定的蓝牙专用协议组成。绝大部分蓝牙设备都需要核心协议（加上无线部分），而其他协议则根据应用的需要而定。总之，电缆替代协议、电话控制协议和被采用的协议在核心协议基础上构成了面向应用的协议。
蓝牙模块的基本架构原理
蓝牙底层硬件模块
（1）无线射频模块（Radio）：蓝牙模块最底层，带微带天线，负责数据接收和发送。
（2）基带模块（BaseBand）：无线介质访问约定。提供同步面向连接的物理链路（SCO）和异步无连接物理链路（ACL），负责跳频和蓝牙数据及信息帧传输，并提供不同层次的纠错功能（FEC和CTC）。
（3）链路控制模块（LC）：蓝牙数据包的编码和解码。
（4）链路管理模块（LM）：负责创建、修改和发布逻辑链接，更新设备间物理链接参数，进行链路的安全和控制。
（5）主机控制器接口（HCI）：是软硬件接口部分，由基带控制器、连接管理器、控制和事件寄存器等组成；软件接口提供了下层硬件的统一命令，解释上下层消息和数据的传递。硬件接口包含UART、SPI和USB等。
蓝牙中间协议层
（1）逻辑链路控制与适配协议（L2CAP）：蓝牙协议栈的基础，也是其他协议实现的基础。向上层提供面向连接和无连接的数据封装服务；采用了多路技术、分割和重组技术、组提取技术来进行协议复用、分段和重组、认证服务质量、组管理等行为。
（2）音视频发布传输协议（AVDTP）和音视频控制传输协议（AVCTP）：二者主要用于Audio/Video在蓝牙设备中传输的协议，前者用于描述传输，后者用于控制信号交换的格式和机制。
（3）服务发现协议（SDP）：蓝牙技术框架至关重要一层，所有应用模型基础。动态的查询设备信息和服务类型，建立一条对应的服务通信通道，为上层提供发现可用的服务类型和属性协议信息。
（4）串口仿真协议（RFCOMM）：实现了仿真9针RS232串口功能，实现设备间的串行通信。
（5）二进制电话控制协议（TCS）：基于 ITU-T Q.931 建议的采用面向比特的协议，它定义了用于蓝牙设备之间建立语音和数据呼叫的控制信令（Call Control Signalling），并负责处理蓝牙设备组的移动管理过程。
蓝牙Profile通信接口
Bluetooth Profile是蓝牙设备间数据通信的无线接口规范。目前有四大类、十三种协议规则，厂商可以自定义规格。几种最常见的Profile文件：
（1）通用访问配置文件（GAP）：其他所有配置文件的基础，定义了在蓝牙设备间建立基带链路的通用方法，并允许开发人员根据GAP定义新的配置文件。包含所有蓝牙设备实施的功能，发现和连接设备的通用步骤，基本用户界面等通用操作。
（2）服务发现应用配置文件（SDAP）：描述应用程序如何用SDP发现远程设备服务，可与向/从其他蓝牙设备发送/接收服务查询的SDP连接。
（3）串行端口配置文件（SPP）：基于ETSI TS 07.10规格定义如何设置虚拟串行端口及如何连接两个蓝牙设备。速度可达128kb/s。
（4）通用对象交换配置文件（GOEP）：可以将任意对象（如图片、文档等）从一个设备传输到另一个设备。
蓝牙协议栈层次
1、物理层（PHY）：射频传输。
2、链路层（LL）：控制射频状态，包括等待、广告、扫描、初始化、连接。
3、主机控制接口层（HCI）：主机和控制器通信接口。
4、逻辑链路控制及适配协议层（L2CAP）：提供数据封装服务，允许逻辑上点对点通信。
5、安全管理层（SM）：加解密，为安全连接和数据交换提供服务。
6、属性协议层（ATT）：允许设备（服务器）向另一个设备（客户端）展示特定的数据（属性）。
7、通用属性配置文件层（GATT）：定义了使用ATT的服务框架，两个建立连接的设备之间的所有数据通信都是通过GATT子程序处理。
8、通用访问配置文件层（GAP）：对所有蓝牙设备提供共同的功能，如传输模式和访问程序、协议和应用描述。GAP服务包含设备发现、连接模式、安全、认证、联合模型和服务发现。
蓝牙模块传输过程工作原理
蓝牙模块主从机建立过程
蓝牙主从通信透传模块
分为主透传协议模块（MTTM）和从透传协议模块（STTM）。
MTTM可以工作在透传模式（TTM）和指令模式（CM），工作如下：用户通过AT指令控制模块连接从设备。在成功建立链接后，MTTM自动查找从设备的透传通道，如果从设备属于STTM，MTTM默认进入TTM，否则进入CM。
透传模式，目的是实现透传或直驱控制功能，主机CPU可以通过通用串口模块与STTM双向通信，MTTM直接将数据转发给STTM，再从STTM串口输出到从机CPU。反向亦可。
未来的蓝牙，会走向哪里？
随着物联网（IoT）、智能家居、可穿戴设备和车联网的发展，蓝牙的地位还在持续上升。
蓝牙Mesh网络：支持设备组成“网状网络”，数据可在多个节点之间跳转，适合智慧照明、仓储物流等大规模设备协同场景。
LE Audio应用扩大：未来蓝牙耳机不仅听歌、通话，还可能支持助听功能和空间音频体验。
室内定位系统（RTLS）：蓝牙5.1支持“到达角度AoA/离开角度AoD”定位技术，精准度达厘米级，应用于商场导航、资产追踪等。