ESP32开发日记5-蓝牙的应用①
ESP32开发日记5-蓝牙的应用①
- 前情提要
- 蓝牙简介
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- 蓝牙的两种主要模式
- GATT 协议（Generic Attribute Profile
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- 1. 什么是 GATT?
- 2. GATT 的角色
- 3. GATT 的层次结构
- 4. GATT 操作
- 5. GATT 通信过程
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- 1）连接阶段
- 2）服务发现
- 3）数据操作
- 4）断开阶段
- 6. GATT 的层级结构
- GATT 示例：心率监测
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- GATT 服务器（心率设备）
- GATT 客户端（手机应用）
- 阅读乐鑫官方提供的例程
- 总结
前情提要
上篇文章我们谈到了串口，本来想接着把其他的通信方式记录一下的，但是奈何手上就只有一个核心板，其他的传感器都没有到。因此我们先来谈谈蓝牙的应用，毕竟ESP32主打的就是WiFi和蓝牙嘛，不用起来对不起他。由于蓝牙这块相对比较复杂，因此我这里拆分成多篇文章一起记录。那么废话不多说，我儿冯正淳在这里再次给各位观众磕个头，麻烦各位观众点点赞点点关注点点收藏
蓝牙简介
蓝牙（Bluetooth）是一种短距离无线通信技术，主要用于设备之间的数据传输和通信。蓝牙技术由 Bluetooth Special Interest Group (SIG) 组织维护，目前已发展至 蓝牙5.x 版本。蓝牙的主要优点是低功耗、低延迟和广泛的设备支持。
蓝牙的两种主要模式
-
经典蓝牙（BR/EDR）：
- 提供较高的带宽，适合音频设备（如蓝牙耳机、音箱等）。
- 功耗较高，通信距离较短。
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低功耗蓝牙（BLE - Bluetooth Low Energy）：
- 专为低功耗设备设计，适合物联网（IoT）设备，如智能手环、温湿度传感器等。
- 数据传输速率较低，但通信效率更高。
GATT 协议（Generic Attribute Profile
1. 什么是 GATT?
GATT 是 BLE 协议栈的一部分，定义了在两台 BLE 设备之间传输数据的方式。它基于 ATT（Attribute Protocol），为数据的组织和交互提供了一个更高层次的框架。
2. GATT 的角色
GATT 定义了两种设备角色：
- GATT 服务器（GATT Server）：
- 提供数据，存储数据（如传感器数据）。
- 响应客户端的请求或推送数据。
- GATT 客户端（GATT Client）：
- 请求服务器上的数据或控制服务器。
- 订阅服务器的通知或指示。
3. GATT 的层次结构
GATT 使用服务（Service）和特征（Characteristic）来组织数据：
-
Profile（配置文件）：
- 定义特定应用的标准行为（例如 Heart Rate Profile）。
- 包含多个服务。
-
Service（服务）：
- 一个逻辑模块，用于划分设备功能。
- 每个服务都有一个唯一的 UUID。
- 服务分为 Primary Service 和 Secondary Service。
-
Characteristic（特征）：
- 服务的核心组成部分，表示一个具体的数据项。
- 包含以下内容：
- 特征声明（Characteristic Declaration）：描述特征的类型和权限。
- 特征值（Characteristic Value）：存储实际数据。
- 描述符（Descriptor）：描述特征值的额外信息。
-
Attribute（属性）：
- GATT 中的基本单元，用于存储特征和描述符等数据。
- 每个属性有一个句柄（Handle）、UUID 和值（Value）。
4. GATT 操作
GATT 定义了客户端和服务器之间的标准操作，主要包括以下内容：
-
Discover（发现）
- 客户端发现服务器上的服务、特征和描述符。
-
Read（读取）
- 客户端读取服务器的属性值。
- 可读取特征值或描述符的值。
-
Write（写入）
- 客户端向服务器写入数据。
- 包括
Write Request和Write Command两种方式。
-
Notify（通知）
- 服务器向客户端推送数据，无需客户端确认。
- 常用于实时数据传输（如心率数据）。
-
Indicate（指示）
- 服务器向客户端推送数据，并需要客户端确认。
-
Subscribe（订阅）
- 客户端通过写入 CCCD（Client Characteristic Configuration Descriptor）来启用通知或指示。
5. GATT 通信过程
1）连接阶段
- BLE 设备通过广播和扫描建立连接，进入 GATT 通信。
2）服务发现
- 客户端发送
Discover请求，获取服务器的服务、特征及其句柄。
3）数据操作
- 客户端通过
Read或Write操作访问或修改服务器上的数据。 - 服务器通过
Notify或Indicate主动推送数据。
4）断开阶段
- 通信完成后，客户端与服务器断开连接。
6. GATT 的层级结构
Profile（配置文件）
└── Service（服务）
├── Characteristic（特征）
│ ├── Value（值）
│ └── Descriptor（描述符）
└── Service（嵌套服务）
GATT 示例：心率监测
GATT 服务器（心率设备）
服务：
- UUID：
0x180D（Heart Rate Service）
特征：
-
心率测量：
- UUID：
0x2A37 - Value：心率值（如 88 bpm）
- 描述符：CCCD（用于启用通知）
- UUID：
-
传感器位置：
- UUID：
0x2A38 - Value：传感器位置数据（如手腕）。
- UUID：
GATT 客户端（手机应用）
- 连接到心率设备。
- 发现服务和特征。
- 启用心率通知（写入
CCCD）。 - 接收心率值更新。
（by GPT）
阅读乐鑫官方提供的例程
我们这里还是先从官方例程入手。这次我们选择gatt_server_service_table例程，因为这个例程对后续增加服务、特性等等非常方便
void app_main(void)
{
esp_err_t ret;
/* Initialize NVS. */
ret = nvs_flash_init();
if (ret == ESP_ERR_NVS_NO_FREE_PAGES || ret == ESP_ERR_NVS_NEW_VERSION_FOUND) {
ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_erase());
ret = nvs_flash_init();
}
ESP_ERROR_CHECK( ret );
ESP_ERROR_CHECK(esp_bt_controller_mem_release(ESP_BT_MODE_CLASSIC_BT));
esp_bt_controller_config_t bt_cfg = BT_CONTROLLER_INIT_CONFIG_DEFAULT();
// 初始化蓝牙控制器
ret = esp_bt_controller_init(&bt_cfg);
if (ret) {
ESP_LOGE(GATTS_TABLE_TAG, "%s enable controller failed: %s", __func__, esp_err_to_name(ret));
return;
}
// 设置蓝牙模式为BLE
ret = esp_bt_controller_enable(ESP_BT_MODE_BLE);
if (ret) {
ESP_LOGE(GATTS_TABLE_TAG, "%s enable controller failed: %s", __func__, esp_err_to_name(ret));
return;
}
// 初始化分配蓝牙资源
ret = esp_bluedroid_init();
if (ret) {
ESP_LOGE(GATTS_TABLE_TAG, "%s init bluetooth failed: %s", __func__, esp_err_to_name(ret));
return;
}
// 启用蓝牙
ret = esp_bluedroid_enable();
if (ret) {
ESP_LOGE(GATTS_TABLE_TAG, "%s enable bluetooth failed: %s", __func__, esp_err_to_name(ret));
return;
}
// 设置GATTS回调函数
ret = esp_ble_gatts_register_callback(gatts_event_handler);
if (ret){
ESP_LOGE(GATTS_TABLE_TAG, "gatts register error, error code = %x", ret);
return;
}
// 设置GAP回调函数
ret = esp_ble_gap_register_callback(gap_event_handler);
if (ret){
ESP_LOGE(GATTS_TABLE_TAG, "gap register error, error code = %x", ret);
return;
}
// 注册GATTS应用程序标识符
ret = esp_ble_gatts_app_register(ESP_APP_ID);
if (ret){
ESP_LOGE(GATTS_TABLE_TAG, "gatts app register error, error code = %x", ret);
return;
}
// 设置MTU
esp_err_t local_mtu_ret = esp_ble_gatt_set_local_mtu(500);
if (local_mtu_ret){
ESP_LOGE(GATTS_TABLE_TAG, "set local MTU failed, error code = %x", local_mtu_ret);
}
}
还是先来看一下main函数，我们可以看到main函数中基本上是对BLE进行配置和使能，并且注册了GAP和GATTS回调函数
static void gatts_event_handler(esp_gatts_cb_event_t event, esp_gatt_if_t gatts_if, esp_ble_gatts_cb_param_t *param)
{
/* If event is register event, store the gatts_if for each profile */
// 注册应用事件
if (event == ESP_GATTS_REG_EVT) {
if (param->reg.status == ESP_GATT_OK) {
heart_rate_profile_tab[PROFILE_APP_IDX].gatts_if = gatts_if;
} else {
ESP_LOGE(GATTS_TABLE_TAG, "reg app failed, app_id %04x, status %d",
param->reg.app_id,
param->reg.status);
return;
}
}
do {
int idx;
// 将事件分配给他们的回调，这个例程中就是gatts_profile_event_handler
for (idx = 0; idx < PROFILE_NUM; idx++) {
/* ESP_GATT_IF_NONE, not specify a certain gatt_if, need to call every profile cb function */
if (gatts_if == ESP_GATT_IF_NONE || gatts_if == heart_rate_profile_tab[idx].gatts_if) {
if (heart_rate_profile_tab[idx].gatts_cb) {
heart_rate_profile_tab[idx].gatts_cb(event, gatts_if, param);
}
}
}
} while (0);
}
我们先来看一下GATTS回调函数。这里面上半部分首先是检查注册是否成功，如果不成功就退出并打印错误日志。下半部分则是事件到来时，将事件分配给各个应用的回调函数
上面我们提到了将事件分配给相对应的应用回调进行处理，那么我们现在就看看吧
static struct gatts_profile_inst heart_rate_profile_tab[PROFILE_NUM] = {
[PROFILE_APP_IDX] = {
.gatts_cb = gatts_profile_event_handler,
.gatts_if = ESP_GATT_IF_NONE, /* Not get the gatt_if, so initial is ESP_GATT_IF_NONE */
},
};
这段代码我们可以看出回调就是gatts_profile_event_handler，那就细看一下这个函数的实现。由于这个函数的实现比较长，因此我们只将重要的case进行分析
static void gatts_profile_event_handler(esp_gatts_cb_event_t event, esp_gatt_if_t gatts_if, esp_ble_gatts_cb_param_t *param)
{
switch (event) {
// 注册事件
case ESP_GATTS_REG_EVT:{
// 这个地方没啥用，因为后面使用了自定义广播包，所以名字不会用这里的
esp_err_t set_dev_name_ret = esp_ble_gap_set_device_name(SAMPLE_DEVICE_NAME);
if (set_dev_name_ret){
ESP_LOGE(GATTS_TABLE_TAG, "set device name failed, error code = %x", set_dev_name_ret);
}
#ifdef CONFIG_SET_RAW_ADV_DATA
// 自定义广播包@raw_adv_data,如果用要改名字的话在raw_adv_data这个里面改，记的注意长度也要跟着修改
esp_err_t raw_adv_ret = esp_ble_gap_config_adv_data_raw(raw_adv_data, sizeof(raw_adv_data));
if (raw_adv_ret){
ESP_LOGE(GATTS_TABLE_TAG, "config raw adv data failed, error code = %x ", raw_adv_ret);
}
adv_config_done |= ADV_CONFIG_FLAG;
//自定义扫描包@raw_scan_rsp_data
esp_err_t raw_scan_ret = esp_ble_gap_config_scan_rsp_data_raw(raw_scan_rsp_data, sizeof(raw_scan_rsp_data));
if (raw_scan_ret){
ESP_LOGE(GATTS_TABLE_TAG, "config raw scan rsp data failed, error code = %x", raw_scan_ret);
}
adv_config_done |= SCAN_RSP_CONFIG_FLAG;
#else
//config adv data
esp_err_t ret = esp_ble_gap_config_adv_data(&adv_data);
if (ret){
ESP_LOGE(GATTS_TABLE_TAG, "config adv data failed, error code = %x", ret);
}
adv_config_done |= ADV_CONFIG_FLAG;
//config scan response data
ret = esp_ble_gap_config_adv_data(&scan_rsp_data);
if (ret){
ESP_LOGE(GATTS_TABLE_TAG, "config scan response data failed, error code = %x", ret);
}
adv_config_done |= SCAN_RSP_CONFIG_FLAG;
#endif
// 创建一个服务属性
esp_err_t create_attr_ret = esp_ble_gatts_create_attr_tab(gatt_db, gatts_if, HRS_IDX_NB, SVC_INST_ID);
if (create_attr_ret){
ESP_LOGE(GATTS_TABLE_TAG, "create attr table failed, error code = %x", create_attr_ret);
}
}
break;
结合我在上面添加的注释可以看出，这一部分实际上就是自定义广播包，扫描包等等，可以看成一个初始化函数。
static uint8_t raw_adv_data[] = { ///< 广播包
/* Flags */
0x02, ESP_BLE_AD_TYPE_FLAG, 0x06,
/* TX Power Level */
0x02, ESP_BLE_AD_TYPE_TX_PWR, 0xEB,
/* Complete 16-bit Service UUIDs */
0x03, ESP_BLE_AD_TYPE_16SRV_CMPL, 0xFF, 0x00,
/* Complete Local Name */
0x0F, ESP_BLE_AD_TYPE_NAME_CMPL,
'E', 'S', 'P', '_', 'G', 'A', 'T', 'T', 'S', '_', 'D', 'E', 'M', 'O'
};
static uint8_t raw_scan_rsp_data[] = { ///< 扫描包
/* Flags */
0x02, ESP_BLE_AD_TYPE_FLAG, 0x06,
/* TX Power Level */
0x02, ESP_BLE_AD_TYPE_TX_PWR, 0xEB,
/* Complete 16-bit Service UUIDs */
0x03, ESP_BLE_AD_TYPE_16SRV_CMPL, 0xFF, 0x00
};
由于我们自定义了广播包，所以我们没办法通过esp_ble_gap_set_device_name接口来设置我们的蓝牙名称，如果需要修改的话，要修改raw_adv_data中的ESP_BLE_AD_TYPE_NAME_CMPL部分，在下一篇文章中我们再具体的了解一下如何修改名称，MAC地址。
接下来这个是一个读事件，这里的读指的是客户端来读
case ESP_GATTS_READ_EVT:
ESP_LOGI(GATTS_TABLE_TAG, "ESP_GATTS_READ_EVT");
break;
然后就是写事件了，这里指的是客户端来写。我们可以看到这里面是对客户端写入的数据进行处理。不过历程中是heart_rate_handle_table[IDX_CHAR_CFG_A] == param->write.handle ，但是我测试过程中一直对不上。改成heart_rate_handle_table[IDX_CHAR_CFG_A] == param->write.handle + 1才正常。具体的原理还不太清楚，感觉跟偏移有关？
// 写事件(客户端去写)
case ESP_GATTS_WRITE_EVT:
if (!param->write.is_prep){
// the data length of gattc write must be less than GATTS_DEMO_CHAR_VAL_LEN_MAX.
ESP_LOGI(GATTS_TABLE_TAG, "GATT_WRITE_EVT, handle = %d, value len = %d, value :", param->write.handle, param->write.len);
// 这里的param->write.value和param->write.len就是分别写来的value及其长度
ESP_LOG_BUFFER_HEX(GATTS_TABLE_TAG, param->write.value, param->write.len);
// 判断特征
if (heart_rate_handle_table[IDX_CHAR_CFG_A] == param->write.handle + 1 && param->write.len == 2){
uint16_t descr_value = param->write.value[1]<<8 | param->write.value[0];
if (descr_value == 0x0001){
ESP_LOGI(GATTS_TABLE_TAG, "notify enable");
uint8_t notify_data[15];
for (int i = 0; i < sizeof(notify_data); ++i)
{
notify_data[i] = i % 0xff;
}
//the size of notify_data[] need less than MTU size
// 以通知的方式吧上面拼接出来的notify_data给客户端,注意最后一个形参，如果为false则是通知的形式
esp_ble_gatts_send_indicate(gatts_if, param->write.conn_id, heart_rate_handle_table[IDX_CHAR_VAL_A],
sizeof(notify_data), notify_data, false);
}else if (descr_value == 0x0002){
ESP_LOGI(GATTS_TABLE_TAG, "indicate enable");
uint8_t indicate_data[15];
for (int i = 0; i < sizeof(indicate_data); ++i)
{
indicate_data[i] = i % 0xff;
}
// if want to change the value in server database, call:
// esp_ble_gatts_set_attr_value(heart_rate_handle_table[IDX_CHAR_VAL_A], sizeof(indicate_data), indicate_data);
//the size of indicate_data[] need less than MTU size
// 这里是以指示的方式发送上面拼凑好的indicate_data数据
esp_ble_gatts_send_indicate(gatts_if, param->write.conn_id, heart_rate_handle_table[IDX_CHAR_VAL_A],
sizeof(indicate_data), indicate_data, true);
}
// 这个地方起始很明显了，啥都不干就打印一个东西出来
else if (descr_value == 0x0000){
ESP_LOGI(GATTS_TABLE_TAG, "notify/indicate disable ");
}else{
ESP_LOGE(GATTS_TABLE_TAG, "unknown descr value");
ESP_LOG_BUFFER_HEX(GATTS_TABLE_TAG, param->write.value, param->write.len);
}
}
/* send response when param->write.need_rsp is true*/
// 响应请求
if (param->write.need_rsp){
ESP_LOGI(GATTS_TABLE_TAG, "send_response");
esp_ble_gatts_send_response(gatts_if, param->write.conn_id, param->write.trans_id, ESP_GATT_OK, NULL);
}
}else{
/* handle prepare write */
example_prepare_write_event_env(gatts_if, &prepare_write_env, param);
}
break;
下面就是连接事件啦，这里如果你为了低功耗，可以将你的连接间隔增大。但同样的会降低你的连接速率
// 连接事件
case ESP_GATTS_CONNECT_EVT:
ESP_LOGI(GATTS_TABLE_TAG, "ESP_GATTS_CONNECT_EVT, conn_id = %d", param->connect.conn_id);
ESP_LOG_BUFFER_HEX(GATTS_TABLE_TAG, param->connect.remote_bda, 6);
esp_ble_conn_update_params_t conn_params = {0};
memcpy(conn_params.bda, param->connect.remote_bda, sizeof(esp_bd_addr_t));
/* For the iOS system, please refer to Apple official documents about the BLE connection parameters restrictions. */
conn_params.latency = 0; ///< 从设备延迟
conn_params.max_int = 0x20; ///< 最大连接间隔 max_int = 0x20*1.25ms = 40ms
conn_params.min_int = 0x10; ///< 最小连接间隔 min_int = 0x10*1.25ms = 20ms
conn_params.timeout = 400; ///< 连接超时时间 timeout = 400*10ms = 4000ms
//start sent the update connection parameters to the peer device.
// 更新连接参数
esp_ble_gap_update_conn_params(&conn_params);
break;
至此，例程就降的差不多了。关于服务和特征，我打算放到后面添加服务特征的地方再详细记录。相信到了这个地方，最起码就可以通过蓝牙来实现ESP32和手机间的交互了。
总结
还是没啥好总结的，由于蓝牙这块比较的复杂需要长久的学习，两三篇文章也只是记录最基础的使用方式而已。所以我在这里还是让冯正淳给大家磕个头吧