esp32系列(5)：esp32 蓝牙架构学习

1 ESP32 蓝牙架构学习

1.1 蓝牙

• 蓝牙是一种短距通信系统。

• 蓝牙系统分为两种不同的技术（ESP32都支持）：

  • 经典蓝牙（Classic Bluetooth）
  • 蓝牙低功耗（Bluetooth Low Energy）

• 整体结构：

  分为控制器（Controller）和主机（Host）两大部分。

  • 控制器
    • 组成：包括PHY、 Baseband、 Link Controller、 Link Manager、 Device Manager、 HCI 等模块。
    • 功能：硬件接口管理、链路管理等。
  • 主机
    • 组成：包括了了 L2CAP、 SMP、 SDP、 ATT、 GATT、 GAP 以及各种规范。
    • 功能：构建了了向应⽤用层提供接⼝口的基础，⽅方便便应⽤用层对蓝⽛牙系统的访问。
    • 特征：可以与控制器在同一宿主或不同宿主。

• 由于主机的特征，ESP32 有几种典型应用场景：

  • 1 宿主相同(ESP-IDF默认)：控制器（ESP32 Bluetooth Controller）与主机（ESP32 BLUEDROID ）。
  • 2 宿主不同：控制器（ESP32 Bluetooth Controller）与主机（PC/Phone/Pad ）。
  • 3 宿主不同：与2类似，但是用于BQB（或其它认证）的控制器器测试。

1.1.1 HCI 接口选择

Host与Bluetooth Controller连接的HCI（主机控制接口, Host Controller Interface）, 在ESP32中只能同时使用以下IO接口中的一个：

• UART
• VHCI
• SDIO

在ESP-IDF中，可以在 menuconfig 中配置蓝牙的 HCI IO接口方式。

1.1.2 蓝牙运行环境

ESP-IDF 的默认运行环境为双核 FreeRTOS, ESP32 的蓝牙可按照功能分为多个任务（task）运行，不同任务的优先级也有不同，其中优先级最⾼的为运⾏控制器的任务。控制器任务对实时性要求高，在FreeRTOS系统中的优先级仅次于IPC任务（IPC任务用于CPU的进程间通信）。BLUEDROID（ESP-IDF默认的蓝牙主机）共包含4个任务：

• BTC
• BTU
• HCI UPWARD
• HCI DOWNWARD

1.1.3 框架

1.1.3.1 控制器

ESP32 同时支持 Classic BT 和 BLE，蓝牙版本4.2 。集成了H4 协议、 HCI、 Link Manager、 Link Controller、 Device Manager、 HW Interface 等功能。这些功能以库的形式提供给开发者。

1.1.3.2 BLUEDROID

BLUEDROID蓝牙主机内部分为两层：

• BTU层
  • 功能：负责蓝⽛主机底层协议栈的处理，包括 L2CAP、 GATT/ATT、 SMP、 GAP 以及部分规范等。
• BTC层（除去HCI）
  • 功能：负责向应用层提供接口支持、处理基于 GATT 的规范、处理杂项等 。

所有的API都在ESP_API层，开发者应当使用“esp”为前缀的蓝牙API。

1.2 经典蓝牙

ESP-IDF 中的蓝⽛主机协议栈源于 BLUEDROID，后经过改良以配合嵌入式系统的应⽤。
在底层中，蓝牙主机协议栈通过虚拟 HCI 接⼝，与蓝牙双模控制器进行通信；
在上层中，蓝牙主机协议栈将为用户应用程序提供用于协议栈管理和规范的 API。

主机协议栈支持的经典蓝牙协议和规范：

• 规范： GAP、A2DP (SNK)、AVRCP (CT)
• 协议： L2CAP、SDP、AVDTP、AVCTP

协议模型：

• L2CAP：L2CAP,Logical Link Control and Adaptation Protocol,即逻辑链路控制和适配协议。
• SDP：Service Discovery Protocol，服务发现协议
  • 功能：允许应用程序发现其他对等蓝牙设备提供的服务，并确定可用服务的特征。
• GAP：Generic Access Profile，通⽤用访问规范
  • 功能：提供有关设备可发现性、可连接性和安全性的模式和过程描述。
• A2DP（Advanced Audio Distribution Profile，高级音频分发规范） 和 AVRCP（Audio/Video Remote Control Profile，⾳音频／视频远程控制规范）
  • 实现高质量单声道或立体声⾳音频内容传输的协议和过程。
• SPP （Serial Port Profile，串口协议）
  • 能在蓝牙设备之间创建串口进行数据传输的一种设备。

1.2.1 代码实现

有关经典蓝牙的例程路径为：examples\bluetooth\bluedroid\classic_bt。
参考 bt_spp_acceptor demo，作为 acceptor 通过 spp 协议进行串口环回通信。
调用api的流程为：

• 1 esp_bt_controller_mem_release
  功能：按模式释放controller内存
  注意：esp_bt_controller_mem_release() 只能在esp_bt_controller_init() 之前或者 esp_bt_controller_deinit() 之后调用。
  初始化时调用了esp_bt_controller_mem_release()之后，使用esp_bt_controller_enable()来使用BLE才是安全的。
• 2 esp_bt_controller_config_t bt_cfg = BT_CONTROLLER_INIT_CONFIG_DEFAULT();
  功能：获得控制器配置选项。通过配置掩码启用了某些功能的一些选项或参数。
• 3 esp_err_t esp_bt_controller_init(esp_bt_controller_config_t *cfg)
  功能: 初始化 BT controller 以分配 task 和其他 资源。
  注意：这个函数需要在调用任何 BT 函数之前调用一次。
• 4 esp_err_t esp_bt_controller_enable(esp_bt_mode_t mode);
  功能：使能 BT controller
  注意：调用之后不能再次调用。如果需要动态改变 controller 的模式，则需要调用 esp_bt_controller_disable() 之后重新调用此函数。
• 5 esp_err_t esp_bluedroid_init(void);
  功能：初始化和分配蓝牙资源
  注意：必须优先于每一个bluetooth stuff。
• 6 esp_err_t esp_bluedroid_enable(void);
  功能：启用蓝牙。
  注意：必须在esp_bluedroid_init()之后。
• 7 esp_err_t esp_bt_gap_register_callback(esp_bt_gap_cb_t callback);
  功能：注册gap回调函数
  注意：此函数应在 esp_bluedroid_enable() 成功完成后调用
  回调函数中对 BT GAP 回调事件进行判断并处理，如果收到认证完成事件（ESP_BT_GAP_AUTH_CMPL_EVT），则输出认证成功的消息。如果收到传统配对的PIN请求的事件（ESP_BT_GAP_PIN_REQ_EVT），先判断PIN的位数，如果是16位则设置PIN为 0000 0000 0000 0000 ，如果是4位则设置PIN为 1234 。
• 8 esp_err_t esp_spp_register_callback(esp_spp_cb_t callback);
  功能：注册spp模块初始化回调函数
• 9 esp_err_t esp_spp_init(esp_spp_mode_t mode);
  功能：初始化 spp 模块
• 10 esp_err_t esp_bt_gap_set_pin(esp_bt_pin_type_t pin_type, uint8_t pin_code_len, esp_bt_pin_code_t pin_code);
  功能：为传统配对（Legacy Pairing）设置默认参数。
  主文件代码：

编译的过程如果报错：fatal error:esp_bt.h: no such file or directory

解决：需要在menuconfig工具中配置SPP环境，配置好的环境设置保存在工程路径下的 sdkconfig 文件中。

• 设置 component config -> Bluetooth 为打开
• 设置 component config -> Bluetooth -> Bluetooth contriller -> Bluetooth contorller mode (BR/EDR/BLE/DUALMODE) 选择为 BR/EDR Only
• 设置 component config -> Bluetooth -> Bluedroid Options 为 选中 Classic Bluetooth下的SPP协议。

修改宏定义为显示数据：
line 32: #define SPP_SHOW_MODE SPP_SHOW_DATA /*Choose show mode: show data or speed*/

测试结果：

• 手机下载蓝牙串口调试助手软件，连接名为“SPP_ACCEPTOR_DEMO”的蓝牙设备
  监视器：W (3646) BT_APPL: new conn_srvc id:26, app_id:255
• 手机发送数据“12345678”
  监视器：

  I (3646) SPP_ACCEPTOR_DEMO: ESP_SPP_SRV_OPEN_EVT
  I (10906) SPP_ACCEPTOR_DEMO: ESP_BT_GAP_MODE_CHG_EVT mode:2
  I (11706) SPP_ACCEPTOR_DEMO: ESP_BT_GAP_MODE_CHG_EVT mode:0
  I (11726) SPP_ACCEPTOR_DEMO: ESP_SPP_DATA_IND_EVT len=4 handle=129
  I (11726) : 12 34 56 78 
  

蓝牙串口通信测试完成。

1.3 低功耗蓝牙

1.3.1 GAP(Generic Access Profile)

Generic Access Profile，通⽤用访问规范。
功能：定义了了 BLE 设备的发现流程，设备管理和设备连接的建立。

BLE GAP采用API调用和事件（Event）返回的设计模式，通过事件返回来获取 API 在协议栈的处理结果。当对端设备主动发起请求时，也是通过事件返回获取对端设备的状态。

BLE设备定义四类 GAP 角色：

• 广播者(Broadcaster)：处于这种角色的设备通过发送广播 (Advertising) 让接收者发现自己。这种角色只能发广播，不能被连接。
• 观察者(Observer)：处于这种角色的设备通过接收广播事件并发送扫描（scan）请求。这种角色只能发送扫描请求，不能被连接。
• 外围设备(Peripheral): 当广播者接受了观察者发来的请求后就就会进入这种角色。当设备进入这种角色后，将会作为从设备（slave）在链路中进行通信。
• 中央设备(Central): 当观察者主动进行初始化，并建立一个物理链路时就会进入这种角色。这种角色在链路中被称为主设备（master）

1.3.1.1 BLE角色转换图

1.3.1.2 BLE广播流程

方式：

• 使用public地址进行广播
• 使用可解析地址进行广播
• 使用静态随机地址进行广播

类型：

• 可连接可扫描非定向广播 (Connectable scannable undirected event type)
• 高占空比定向广播 (High duty cycle directed event type)
• 可扫描非定向广播 (Scannable undirected event type)
• 不可连接非定向广播 (Non-connectable undirected event type)
• 可连接低占空比定向广播 (Connectable low duty cycle directed event type)

1.3.1.3 BLE扫描流程

在 ESP32 中，扫描设备主要是通过调用 esp_ble_gap_set_scan_params 来设置扫描时的参数，然后调用 esp_ble_gap_start_scanning 开始扫描。扫描到的设备将会通过ESP_GAP_BLE_SCAN_RESULT_EVT 事件返回，最后当 duration 超时，会通过ESP_GAP_SEARCH_INQ_CMPL_EVT 事件返回。

1.3.2 GATT(Generic Attribute Profile)

1.3.2.1 ATT(Attribute Protocol)

BLE 中的数据以属性(Attribute)方式存在，每条属性由四个元素组成：

• 属性句句柄 (Attribute Handle) ：类似于地址。
• 属性类型 (Attribute UUID) : 每个数据有⾃自⼰己需要代表的意思，用标识码 (UUID)区分。
• 属性值 (Attribute Value)：属性值是每个属性真正要承载的信息。
• 属性许可 (Attribute Permissions) ：每个属性对各自的属性值有相应的访问限制。

服务器（server）： 存有数据（即属性）的设备。
客户端（client）： 获取别人设备数据的设备。

常用操作：

• 客户端给服务端发数据：通过 写入请求 (Write Request)需要对方回复响应（Write Response）。写入命令 (Write
  Command)不需要。
• 服务端给客户端发数据：通过 服务端指示 (Indication) 、通知 (Notification)
• 客户端也可以主动通过读操作读取服务端的数据

服务器和客户端之间的交互操作都是通过上述的消息 ATT PDU 实现的。每个设备可以指定⾃自己设备支持的最大 ATT 消息长度，我们称之为 MTU。 ESP32 IDF 里面规定 MTU 可以设置的范围是 23~517 字节，对属性值的总长度没有做限制。

1.3.2.2 GTAA 规范

ATT 属性协议规定了在 BLE 中的最小数据存储单位，而 GATT 规范则定义了：

• 如何⽤用特性值和描述符表示一个数据
• 如何把相似的数据聚合成服务 (Service)
• 以及如何发现对端设备拥有哪些服务和数据
• GATT 规范引进了了特性值的概念，增加数据额外的信息。

为了包含额外的这些信息，每个属性中均需要安排一大段数据空间，存储这些额外信息。然而，一个数据很有可能用不不到绝大部分的额外信息，因此这种设计并这不符合 BLE “协议尽可能精简”的要求。在此背景下， GATT 规范引进了描述符的概念，每种描述符可以表达一种意思，用户可使用描述符，描述数据的额外信息。必需说明的是，每个数据和描述符并非一一对应，即一个复杂的数据可以拥有多个描述符，而一个简单的数据可以没有任何描述符。

BLE 协议中会把一些常⽤用的功能定义成一个个的服务 (Service)*，每个服务包含若干个特性，每个特性包含若干个描述符。

1.3.2.3 基于 ESP32 IDF 建立 GATT 服务（GATT 服务器）

通过属性表 (Attribute Table)* 添加服务和特性的功能。用户只需将要添加的服务和特性逐一填入一个表格，然后调用
esp_ble_gatts_create_attr_tab 函数，即可添加对应的服务和特性。

1.3.2.4 基于 ESP32 IDF 发现对方设备的服务信息（GATT 客户端）

• 首先发现对方所有的 Service 信息，包括 Service 的 UUID 和 Handle 范围。
• 然后在 GATT 的 Handle 范围内 ，继续查找所有的特性。
• 然后在 GATT 的 Handle 范围内 ，继续查找特性后的所有的描述符。