esp32 蓝牙接收机 esp32蓝牙例子

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mob64ca14017c37 2024-03-22 11:08:55

文章标签 esp32 蓝牙接收机嵌入式蓝牙 Server 特征值 文章分类 架构后端开发

文章目录

低功耗蓝牙（BLE）协议栈

层次协议
蓝牙核心协议（Bluetooth Core）

包含的层次简介

蓝牙应用协议（Bluetooth Application）

包含的层次简介

BT与BLE的区别

经典蓝牙模块（BT）
低功耗蓝牙模块（BLE）
其他分类

BLE的两种模式

ATT简述

属性的种类和分组
服务项Service
特征值characteristic
属性Attribute的数据结构
属性协议ATT PDU
Request后缀

通用属性协议GATT简述

通用访问协议GAP

GAP广播
GATT协议
GATT结构

BLE从初始化到建立连接的过程简述
ESP的蓝牙外设配置

蓝牙配置相关库函数

相关头文件及其作用
蓝牙控制器
经典蓝牙

BLE-GAP相关库函数

外围设备库函数
中心设备库函数
连接配置库函数

GATT Server的配置

Server-Master

基本设置
GAP设置

经典蓝牙的子集SPP

连接流程
SPP协议与GATT协议的对比

在这里着重记述低功耗蓝牙BLE相关内容，库函数部分翻译自乐鑫官网文档

低功耗蓝牙（BLE）协议栈

低功耗蓝牙协议是蓝牙通信协议的一种，BLE协议栈就是实现低功耗蓝牙协议的代码

层次协议

蓝牙协议规定了两个层次的协议，分别为蓝牙核心协议（Bluetooth Core）和蓝牙应用层协议（Bluetooth Application）

蓝牙核心协议就是对蓝牙技术本身的规范，不涉及其应用方式

蓝牙应用层协议是在蓝牙核心协议的基础上，根据具体的应用需求定义出的特定策略

蓝牙协议栈框图如下所示：

esp32 蓝牙接收机 esp32蓝牙例子_嵌入式

蓝牙核心协议（Bluetooth Core）

蓝牙核心协议包含BLE Controller和BLE Host两部分

Controller负责定义RF、Baseband等偏硬件的规范

Host负责在逻辑链路的基础上，进行更为友好的封装，这样就可以屏蔽掉蓝牙技术的细节，让Bluetooth Application更为方便的使用

Controller是工作在物理层、数据链路层、网络层、传输层的协议，Host则是工作在传输层、会话层、表示层、应用层的协议，Host将Controller封装成可被配置为函数的形式供程序使用

esp32 蓝牙接收机 esp32蓝牙例子_嵌入式_02

包含的层次简介

物理层（PHY）

用于指定BLE所用的无线频段、调制解调方式和方法等

BLE工作在1Mbps自适应跳频的GFSK射频，免于许可证的2.4GHz ISM（工业、课学、医疗）频段

可以直观理解为规定了BLE的天线部分

链路层（LL——Link Layer）

BLE协议栈的核心

相当于TCP/IP协议中的数据链路层（负责选择哪个射频通道，管理当前链路）+网络层（负责识别和发送空中数据包）+传输层（负责保证数据包安全、完整的发送、接收、重传等）

主机控制接口层（HCI——Host Controller Interface）

这一层是可选的，HCI主要用于2颗IC实现BLE协议栈的场合，用于贵方两者的通信协议和通信命令等

蓝牙应用协议（Bluetooth Application）

包含的层次简介

通用访问配置文件层（GAP——Generic access profile）

实际配置中常接触到的一层

GAP是对LL层有效数据包（payload）进行解析的两种方式中最简单的一种，主要用于广播、扫描、发起连接这些具体行为

逻辑链路控制及自适应协议层（L2CAP——Logical Link Control and Adaptation Protocol）

这一层是对LL的简单封装，在L2CAP中区分出是使用加密通道还是普通通道，同时负责连接间隔的管理

安全管理层（SM——Security Manager）

负责管理BLE连接的加密、安全，需要兼顾安全性和用户使用的便利性

属性协议层（ATT——Attribute protocol）

实际配置中最常接触到的一层

负责定义用户命令和命令操作的数据（如读写数据等）

详细内容见后文【BLE的两种模式】和【ATT简述】

通用属性配置文件层（GATT——Generic Attribute profile）

实际配置中常接触到的一层

用于规范attribute中的数据内容（attribute见后文【BLE的两种模式】），并使用分组（group）来对attribute进行分类管理

一般地，BLE在没有GATT的情况下也能跑，只不过互联互通会出现问题

BLE需要在GATT和各种应用profile的支持下才能实现最便捷高效稳定的通信

BT与BLE的区别

当前的蓝牙协议分为基础率/增强数据率（BR/EDR）和低耗能（LE）两种技术类型

经典蓝牙统称BT，低功耗蓝牙称为BLE

经典蓝牙模块（BT）

泛指支持蓝牙协议在4.0以下的模块，一般用于数据量比较大的传输。

经典蓝牙模块可再细分为：传统蓝牙模块和高速蓝牙模块。

传统蓝牙模块在2004年推出，主要代表是支持蓝牙2.1协议的模块，在智能手机爆发的

时期得到广泛支持。

高速蓝牙模块在2009年推出，速率提高到约24Mbps，是传统蓝牙模块的八倍。

低功耗蓝牙模块（BLE）

指支持蓝牙协议4.0或更高的模块，也称为BLE模块（Bluetooth Low Energy Module）,最大的特点是成功和功耗的降低。

蓝牙低功耗技术采用可变连接时间间隔，这个间隔根据具体应用可以设置为几毫秒到几秒不等。

另外，因为BLE技术采用非常快速的连接方式，因此可以处于“非连接”状态（节省能源），此时链路两端相互间仅能知晓对方，必要时可以才开启链路，然后在尽可能短的时间内关闭链路。

其他分类

按用途来分：蓝牙模块有数据蓝牙模块，语音蓝牙模块，串口蓝牙模块和车载蓝牙模块

按芯片设计来分：蓝牙模块有flash版本和ROM版本。前者一般是BGA封装（球栅阵列封装），外置flash；后者一般是LCC封装（表面贴装型封装），外接EEPROM。

BLE的两种模式

客户端 Client

请求数据服务

客户端可以主动搜索并连接附近的服务端

客户端类似蹭网的

服务端Server

提供数据服务

服务端不需要进行主动设置，只要开启广播就可以让附近的客户端搜索到，并提供连接

服务端类似被蹭网的wifi

如果想要让ESP处于别人随时可以搜索连接的情况要配置为服务端；如果想让ESP通过扫描连接周围可连接的蓝牙设备，需要把它设置成客户端，正好和WiFi模式的设定相反

Server通过characteristic对数据进行封装，多个characteristic组成一个Service——Server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

要具体了解这些内容需要先了解属性协议层ATT

ATT简述

esp32 蓝牙接收机 esp32蓝牙例子_嵌入式_02

属性协议层ATT（Attribute Protocol）是GATT和GAP的基础，它定义了BLE协议栈上层的数据结构和组织方式；在层内，它定义了属性（Attribute）的内容，规定了访问属性的方法和权限

属性是一个数据结构，它包括了数据类型和数据值，可以像C语言的结构体那样构造

属性包括三种类型：服务项、特征值和描述符，三者呈包含关系：服务项包含一个或多个特征值，特征值包含一个或多个描述符，多个服务项组织在一起，构成属性规范（Attribute Profile）

属性的种类和分组

属性大致可以分为三种类型：服务项Profile、特征值Characteristic和描述符Descriptor

最顶级为Profile, 下面是多个服务项(Service), 服务项下面是多个特征值(Characteristic), 特征值下面是多个描述符(Descriptor)

每个设备都包含以下必要的特征值和服务项：

PROFILE

Generic Access Service（Primary Service）

Device Name（Characteristic）
Appearance（Characteristic）

Generic Attribute Service（Primary Service）

Service Changed（Characteristic）

CCCD（Descriptor）

服务项Service

服务项这种类型本身并不包含数据，仅仅相当于是一个容器，用来容纳特征值

特征值characteristic

特征值用于保存用户数据，但它也有自己的UUID——可以把它看作一个变量，变量里存着数据（用户数据），也有自己的地址信息（UUID）

使用特征值时，也要遵循“先声明再赋值”的步骤——先声明特征值自身，再声明它的项

一个characteristic包含三种条目：

characteristic声明：每个characteristic的分界符，解析时一旦遇到一个声明，就可以认为接下来又是一个新的characteristic；声明还包含了接下来characteristic值的读写属性等
characteristic值：数据的值
characteristic描述符：数据的额外信息

一般BLE的属性体系在系统中以GattDB表示，即属性数据库，gattDB是BLE协议栈在内存中开辟的一段专有区域，会在特定的时候写入Flash进行保存，并在启动时读取出来回写到内存中去，但并非所有的BLE数据通信是操作gattDB

characteristic用Attribute数据结构来实现

属性Attribute的数据结构

Attribute由四部分组成：

属性句柄Attribute handle：可以视为指向属性实体的指针，对端设备通过属性句柄来访问某个属性，大小2字节，起始于0x0001，系统初始化时，各属性的句柄逐步+1，但最大不超过0xFFFF
属性类型Attribute type：用以区分当前属性是服务项或是特征值等，用通用唯一识别码（UUID）标识的16字节十六进制字符串（形如f6257d37-34e5-41dd-8f40-e308210498b4，从网上抄来的示例，如有雷同那就是雷同）表示。一个合法的UUID，一定是随机的、全球唯一的，不应该出现两个相同的UUID。属性类型分类如下：

首要服务项Primary Service
次要服务项Secondary Service
包含服务项Include
特征值Characteristic

他们与UUID的映射关系如下：

0x1800 – 0x26FF ：服务项类型
0x2700 – 0x27FF ：单位
0x2800 – 0x28FF ：属性类型
0x2900 – 0x29FF ：描述符类型
0x2A00 – 0x7FFF ：特征值类型

为了减少传输的数据量，BLE协议做了一个转换约定，给定一个固定的16字节模板，只设置2个字节为变化量，其他为常量，2字节的UUID在系统内部会被替换，进而转换成标准的16字节UUID；反之，如果一个特征值的UUID是16字节的，在系统内部它的属性类型也可能写成第3、4字节组成的双字节

示例如下：

UUID模板为

0000XXXX-0000-1000-8000-00805F9B34FB

其中从左数第3、4个字节“XXXX”就是变化位，其他为固定位。如：UUID=0x2A00在系统内部会转换成00002A00-0000-1000-8000-00805F9B34FB。

属性值Attribute value：真正的数据值，大小为0-512字节。如果该属性是服务项类型或者是特征值声明类型，那么它的属性值就是UUID等信息；如果是普通的特征值，则属性值是用户的数据，属性值需要预留空间以保存用户数据，可以将属性值的预留空间看做I2C的数据空间，操作特征值里的用户数据，就是对那块内存空间进行读写，所以启用蓝牙后会占用额外的内存
属性权限Attribute permissions：Attribute的权限属性，主要有四种：

访问权限（Access Permission）：只读或只写或读写
加密权限（Encryption Permission）：加密或不加密
认证权限（Authentication Permission）：需要认证或无需认证。指相互确认对方身份，BLE中所说的“认证”过程就是设备配对
授权权限（Authorization Permission）：需要授权或无需授权。指对授信设备开放权利

授权的管控等级要高于认证，认证的设备未必被授权，授权的设备一定是认证的——认证是授权的充分不必要条件。认证是设备配对，两边都符合协议规定就行，但是授权取决于Server设备对Client设备的主动许可。

一个没有经过认证的设备，被称为未知设备（Unknown Device）；经过了认证，该设备会在绑定信息中被标记为Untrusted，被称为不可信设备（Untrusted Device）；经过了认证，并且在绑定信息中被标记为Trusted的设备被称为可信设备（Trusted Device）

具体的权限示例如下所示：

Open（随意读写）
No Access（禁止读写）
Authentication（需要配对才能读写，分成很多子类型用于适配配对的类型）
Authorization（允许应用在回调函数中读写）
Signed（签名后才能随意读写）

属性协议ATT PDU

拥有一组属性的设备称为服务端（Server）；读写该属性值的设备称为客户端（Client）

Client和Server之间通过ATT PDU通信

属性协议ATT PDU共有6种，如下表所示：

ATT PDU种类	发送方向	触发响应	说明
Command	Client -> Server	–	客户端发送Command，服务器无需任何返回
Request	Client -> Server	Response	客户端发送Request，服务器需要返回一个Response，表明服务器收到
Response	Server -> Client	–
Notification	Server -> Client	–	服务器发送Notification，户端无需任何返回
Indication	Server -> Client	Confirmation	服务器发送Indication，客户端需要返回一个Confirmation，表明客户端收到
Confirmation	Client -> Server	–

BLE下，所有命令都是“必达”的，每个命令发送完毕后，发送者会等待ACK信息（类似I2C），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（类似CAN的出错重发机制），可以说只要数据包放到了协议栈射频FIFO中，蓝牙协议栈就能保证该数据包“必达”对方，但是没有回复相对有回复就是“不太可靠”，这时候就需要特殊的“有回复属性”

Request后缀

特别地，如果一个命令需要response，那么可以在相应命令后面加上request后缀，这个response包在应用层有回调事件，可以用于触发特殊的功能，这是默认的协议ACK恢复不具有的，采用request/response方式，应用层可以按顺序地发送一些数据包；如果一个命令只需要ACK而不需要response，那么它的后面就不会带request

然而Request/response会大大降低通信的吞吐率，因为request/response必须在不同的连接间隔中出现，这就导致两个连接间隔最多只能发一个数据包，而不带request后缀的ATT命令就没有这个问题——一般情况下，在同一个连接间隔中可以同时发多个数据包，这样将大大提高数据的吞吐率

常用的带request命令：所有read命令，writerequest，indication等

常用的不带request命令：write command，notification等

通用属性协议GATT简述

GATT(Generic Attribute Profile)，描述了一种使用ATT的服务框架。该框架定义了服务(Server)和服务属性(characteristic)的过程(Procedure)及格式，负责处理具体数据段通过蓝牙连接的发送和接收

现在的BLE大多建立在GATT协议之上，GATT建立在ATT和L2CAP之上，GATT需要使用通用访问协议GAP来确定设备的连接

esp32 蓝牙接收机 esp32蓝牙例子_嵌入式_02

通用访问协议GAP

GAP 使设备被其他设备可见，并决定了当前设备是否可以或者怎样与合同设备进行交互

GAP中，设备被分为外围设备Peripheral和中心设备Central

外围设备：性能相对较弱、功耗相对低的设备，他们通常被连接到更加强大的中心设备

中心设备：性能相对较强、功耗较高的设备

GAP广播

GAP 中外围设备不停向外广播以让中心设备知道它的存在。通过两种方式向外广播数据：

广播数据（Advertising Data Payload）：必须的，外设需要以此来和中心设备取得连接

扫描回复（Scan Response Data Payload）：可选的，中心设备可以向外围设备请求扫描回复，向其提供一些设备的额外信息

外围设备会设定一个广播建个，每个间隔中，它会重新发送自己的广播数据，广播间隔越长约省电，但同时更不容易被扫描到

基于GATT广播的BLE连接只能是一个外围设备连接一个中心设备，可以理解成一个蓝牙耳机只能连接一台手机，不能同时连接两台手机

GATT协议

GATT协议建立在ATT协议的基础上。将ATT协议中的Service、Characteristic 及对应数据都保存在一个查找表中，查找表使用16位的ID作为索引。建立GATT连接前必须先经过GAP协议

GATT连接是独占的，也就是说同一个BLE外设（外部设备）同时只能被一个中心设备连接，一旦外设被连接，它就会停止GAP广播，对其它设备不可见；当设备断开时它又开始广播。

如果中心设备和外设需要双向通信，唯一的方式就是建立GATT连接，GAP通信是单向的，只能让中心设备向外设发送信息

GATT通信双方是C/S关系，外设作为GATT的Server，维持ATT查找表、Service、Characteristic定义；中心设备作为GATT的Client，向Server发起请求，所有通信事件都由中心设备Client发起，从Server接收响应。一旦连接建立，外设将会给中心设备建议一个连接间隔，中心设备可以选择在每个连接间隔尝试重新连接，检查是否有新数据，不过这个间隔只是建议，中心设备可以不严格按照这个间隔执行请求。

GATT结构

GATT结构建立在ATT的属性Attribute数据结构之上（其实和ATT的那些东西一模一样）

Attribute结构体组成种类不同的Characteristic，多个Characteristic被封装在Servce容器中，Characteristic和Service容器都有着自己的UUID（有官方认证的16位UUID和自定义的128位UUID），各种常用的Service集合成Profile

BLE外设的通信主要通过Characteristic，通过在Characteristic中读写数据就实现了双向通信，也可以通过实现类似串口的Service来配置TxCharacteristic和RxCharacteristic，这些都是具体项目的选择了

BLE从初始化到建立连接的过程简述

外围设备开始广播，发送完一个广播包后T_IFS，开启射频Rx窗口接收来自中心设备的数据包
中心设备扫描到广播，在收取此广播T_IFS后如果开启了中心设备的扫描回复，中心设备将向外设发送回复
外设收取到中心设备的回复，做好接收准备，并返回ACK包
如果ACK包未被中心设备接收到，中心设备将一直发送回复直到超时，此期间内只要外设返回过一次ACK包就算连接成功
开始建立通信，后续中心设备将以收取到外设广播的时间为原点，以Connection Interval为周期向外设发送数据包，数据包将具有两个作用：同步两设备时钟和建立主从模式通信

外设每收到中心设备的一个包，就会把自己的时序原点重新设置，以和中心设备同步（Service向Client同步）

BLE通信在建立成功后变为主从模式，中心设备Central变为Master，外设Peripheral变为Slave，Slave只能在Master向它发送了一个包以后才能在规定的时间内把自己的数据回传给Master

连接建立成功
外设自动停止广播，其他设备无法再查找到该外设
按照以下时序进行通信，在中心设备发送包的间隔内，外设可以发送多个包

esp32 蓝牙接收机 esp32蓝牙例子_特征值_05

需要连接断开时只需要中心设备停止连接（停止发送包）即可
中心设备可以将外设的addr写入Flash或SRAM等存储器件，保持监听此addr，当再次收到外设广播时就可以建立通信。BLE Server设备为了省电，当一段时间内没有数据要发送时，可以不再发送包，双方就会因为连接超时（connection timeout）断开，这时需要中心设备启动监听，这样，当BLE Server设备需要发送数据时，就可以再次连接

ESP的蓝牙外设配置

蓝牙配置相关库函数

蓝牙控制器

使用esp_bt_controller_init()

esp_bt_controller_init(esp_bt_controller_config_t *cfg);//esp_bt_controller_config_t是蓝牙控制器配置结构体

struct esp_bt_controller_config_t
{
    uint16_t controller_task_stack_size;//蓝牙控制器栈大小
    uint8_t controller_task_prio;//蓝牙控制器任务优先级
    uint8_t hci_uart_no;//使用哪个UART作为HCI的IO，仅能选择UART1或UART2串口
	uint32_t hci_uart_baudrate;//HCI串口波特率
    uint8_t scan_duplicate_mode;//重复扫描模式
    uint8_t scan_duplicate_type;//重复扫描类型
    uint16_t normal_adv_size;//普通广播报文大小
    uint16_t mesh_adv_size;//mesh广播报文大小
    uint16_t send_adv_reserved_size;//蓝牙控制器最小的内存大小（保留出发送报文所需的内存大小）
    uint32_t controller_debug_flag;//蓝牙控制器debug log的属性
    uint8_t mode;//BR/EDR/BLE/Dual模式选择
	uint8_t ble_max_conn;//BLE模式最多连接个数
    uint8_t bt_max_acl_conn;//BR或EDR最大的ACL连接个数
    uint8_t bt_sco_datapath;//SCO数据路径 用于HCI或PCM模块
	bool auto_latency;//BLE自动延迟，用于降低传统蓝牙的功耗
    bool bt_legacy_auth_vs_evt;//BR/EDR传统的授权完毕事件，用于防止BIAS攻击
    uint8_t bt_max_sync_conn;//BR/EDR最多的ACL连接数目，也可以在menuconfig中配配置
    uint8_t ble_sca;//BLE晶振准确度指数
    uint8_t pcm_role;//PCM角色，选择master或slave
    uint8_t pcm_polar;//PCM触发极性，选择下降沿或上升沿
    uint32_t magic;//神奇数字
}

初始化蓝牙控制器，此函数只能被调用一次，且必须在其他蓝牙功能被调用之前调用

使用esp_bt_controller_deinit()来取消初始化，用于关闭蓝牙并清除其占用的内存，还会将蓝牙任务删除

下面是蓝牙控制器的常用API

esp_bt_controller_enable(esp_bt_mode_t mode);//使能蓝牙控制器，mode是蓝牙模式，如果想要动态改变蓝牙模式不能直接调用该函数，应该先用下面的disable关闭蓝牙再使用该API来改变蓝牙模式
esp_bt_controller_disable(void);//关闭蓝牙控制器
sp_bt_controller_get_status(void);//获取蓝牙控制器状态
esp_bt_get_mac(void);//获取蓝牙MAC地址

esp_bt_controller_mem_release(esp_bt_mode_t mode);//释放蓝牙控制器的所有内存，包括BSS、数据和其他蓝牙使用的堆栈空间
//这个API仅仅应该再esp_bt_controller_init()或after esp_bt_controller_deinit()之前被调用
esp_bt_mem_release(esp_bt_mode_t mode);
//释放蓝牙控制器和蓝牙数据的所有内存，比esp_bt_controller_mem_release()更彻底
esp_bt_sleep_enable(void);//让蓝牙进入睡眠模式，这个函数应该在esp_bt_controller_enable()被调用之后再调用

特别地，官方文档中给出了一套在线升级蓝牙设备软件时的关闭流程

esp_bluedroid_disable();
esp_bluedroid_deinit();
esp_bt_controller_disable();
esp_bt_controller_deinit();
esp_bt_mem_release(ESP_BT_MODE_BTDM);

经典蓝牙

用于蓝牙运行的API如下所示

esp_bluedroid_get_status(void);//获取蓝牙当前状态
//可能的状态如下所示
ESP_BLUEDROID_STATUS_UNINITIALIZED==0//未初始化
ESP_BLUEDROID_STATUS_INITIALIZED//已被初始化但是未开启
ESP_BLUEDROID_STATUS_ENABLED//初始化并开启
    
esp_bluedroid_enable(void);//使能蓝牙
esp_bluedroid_disable(void);//关闭蓝牙
esp_bluedroid_init(void);//初始化蓝牙并分配系统资源，它应该被第一个调用
esp_bluedroid_deinit(void);//取消初始化蓝牙并将系统资源释放，用于蓝牙结束工作后的收尾

用于设备蓝牙配置的API如下所示

esp_bt_dev_get_address(void);//获取当前设备蓝牙地址
esp_bt_dev_set_device_name(const char *name);//设置设备名

这些函数都应该在蓝牙启用后被调用

BLE-GAP相关库函数

外围设备库函数

esp_ble_gap_start_advertising(esp_ble_adv_params_t *adv_params);//开始广播
esp_ble_gap_stop_advertising(void);//停止广播

esp_ble_gap_config_adv_data(esp_ble_adv_data_t *adv_data);//广播数据参数设置
//adv_data数据结构如下
bool set_scan_rsp//设置是否需要扫描response
bool include_name//广播内容是否包括设备名
bool include_txpower//广播数据是否包括发射功率
int min_interval//最小广播时间间隔
//计算公式：connIntervalmin = Conn_Interval_Min * 1.25 ms
//Conn_Interval_Min在0x0006到0x0C80之间，0xFFFF就是没有特定的最小值
int max_interval//最大广播间隔
//计算公式：connIntervalmax = Conn_Interval_Max * 1.25 ms
//Conn_Interval_Max在0x0006到0x0C80之间，Conn_Interval_Max应大于等于Conn_Interval_Min
//0xFFFF代表没有特定的最大值
int appearance//设备外形（External appearance）
uint16_t manufacturer_len//生产商数据长度
uint8_t *p_manufacturer_data//生产商数据指针
uint16_t service_data_len//Service数据长度
uint8_t *p_service_data//Service数据指针
uint16_t service_uuid_len//Service的UUID长度
uint8_t *p_service_uuid//Service的UUID数组指针
uint8_t flag//广播属性（flag）
    
esp_ble_gap_config_adv_data_raw(uint8_t *raw_data, uint32_t raw_data_len);//设置空的广播数据包，用户需要自行设置包的内容

中心设备库函数

esp_ble_gap_start_scanning(uint32_t duration);//使用该函数让设备扫描附近正在广播的外设，duration为扫描间隔
esp_ble_gap_stop_scanning(void);//停止扫描

esp_ble_gap_set_scan_params(esp_ble_scan_params_t *scan_params);//设置扫描参数
esp_ble_gap_register_callback(esp_gap_ble_cb_t callback)//间隔回调函数
    
esp_ble_gap_set_pkt_data_len(esp_bd_addr_t remote_device, uint16_t tx_data_length);//设置最大数据包大小

esp_ble_gap_set_prefer_conn_params(esp_bd_addr_t bd_addr, uint16_t min_conn_int, uint16_t max_conn_int, uint16_t slave_latency, uint16_t supervision_tout);//设置当默认连接参数无法使用时的优先连接参数，这个库函数只能用在中心设备master上

esp_ble_gap_config_scan_rsp_data_raw(uint8_t *raw_data, uint32_t raw_data_len);//设置空的response数据包，用户需要自行设置数据

esp_ble_gap_read_rssi(esp_bd_addr_t remote_addr);//读取远程设备的RSSI，结果会在间隔回调函数中随ESP_GAP_BLE_READ_RSSI_COMPLETE_EVT事件返回

连接配置库函数

esp_ble_gap_update_conn_params(esp_ble_conn_update_params_t *params);//在连接建立后更新连接参数
esp_ble_gap_clear_rand_addr(void);//清空应用的随机地址

esp_ble_gap_update_whitelist(bool add_remove, esp_bd_addr_t remote_bda, esp_ble_wl_addr_type_t wl_addr_type);//新建或移除白名单中的设备
esp_ble_gap_get_whitelist_size(uint16_t *length);//获取白名单的大小

esp_ble_gap_set_device_name(const char *name);//设置本机设备名
esp_ble_gap_get_local_used_addr(esp_bd_addr_t local_used_addr, uint8_t *addr_type);//获取本机设备地址

GATT Server的配置

Server-Master

基本设置

esp_err_t ret;//用于debug
esp_bt_controller_config_t bt_cfg = BT_CONTROLLER_INIT_CONFIG_DEFAULT();//设置蓝牙为默认参数

ret = nvs_flash_init();//初始化NVS
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_LOGI(TAG, "%s init NVS finished\n", __func__);

ESP_ERROR_CHECK(esp_bt_controller_mem_release(ESP_BT_MODE_BLE));//释放蓝牙所需空间

ret = esp_bt_controller_init(&bt_cfg);//初始化蓝牙控制器
if (ret)
{
	ESP_LOGE(TAG, "%s enable controller failed: %s\n", __func__, esp_err_to_name(ret));
	return;
}
ret = esp_bt_controller_enable(ESP_BT_MODE_BLE);//使能蓝牙控制器
if (ret)
{
	ESP_LOGE(TAG, "%s enable controller failed: %s\n", __func__, esp_err_to_name(ret));
	return;
}
ret = esp_bluedroid_init();//初始化蓝牙栈bluedroid stack
/*
蓝牙栈bluedroid stack包括了BT和BLE使用的基本的define和API
初始化蓝牙栈以后并不能直接使用蓝牙功能，
还需要用FSM管理蓝牙连接情况
*/
if (ret)
{
	ESP_LOGE(TAG, "%s init bluetooth failed: %s\n", __func__, esp_err_to_name(ret));
	return;
}
ret = esp_bluedroid_enable();//使能蓝牙栈
if (ret) 
{
	ESP_LOGE(TAG, "%s enable bluetooth failed: %s\n", __func__, esp_err_to_name(ret));
	return;
}
ESP_LOGI(TAG, "%s init bluetooth finished\n", __func__);
//建立蓝牙的FSM
//这里使用回调函数来控制每个状态下的响应，需要将其在GATT和GAP层的回调函数注册
ret = esp_ble_gatts_register_callback(BLE_gatts_event_handler);
if (ret)
{
	ESP_LOGE(TAG, "gatts register error, error code = %x", ret);
	return;
}
ret = esp_ble_gap_register_callback(BLE_gap_event_handler);
if (ret)
{
	ESP_LOGE(TAG, "gap register error, error code = %x", ret);
	return;
}
/*BLE_gatts_event_handler和BLE_gap_event_handler处理蓝牙栈可能发生的所有情况，达到FSM的效果*/

//下面创建了两个BLE GATT profile，相当于两个独立的应用程序
ret = esp_ble_gatts_app_register(GATT_APP_A_ID);
if (ret)
{
	ESP_LOGE(TAG, "gatts app register error, error code = %x", ret);
	return;
}
ret = esp_ble_gatts_app_register(GATT_APP_B_ID);
if (ret)
{
	ESP_LOGE(TAG, "gatts app register error, error code = %x", ret);
	return;
}

有限状态机FSM（finite state machine），或者说状态机SM（state machine）是一种特殊的控制算法，能够根据控制信号按照预先设定的状态进行状态转移

若输出只和状态有关而与输入无关，则称为Moore状态机；若输出不仅和状态有关而且和输入有关系，则称为Mealy状态机

控制蓝牙的状态机一般为Moore状态机，随蓝牙所处的状态进行不同的操作（代码中通过switch语句进行控制）

Server的profile利用一个结构体来定义，结构体成员取决于在这个profile中执行的service和characteristic，如下所示

struct gatts_profile_inst {
    esp_gatts_cb_t gatts_cb;//GATT回调函数
    uint16_t gatts_if;//GATT接口
    uint16_t app_id;//应用的ID
    uint16_t conn_id;//连接的ID
    uint16_t service_handle;//Service句柄
    esp_gatt_srvc_id_t service_id;//Service ID
    uint16_t char_handle;//Characteristic句柄
    esp_bt_uuid_t char_uuid;//Characteristic的UUID
    esp_gatt_perm_t perm;//属性Attribute 授权
    esp_gatt_char_prop_t property;//Characteristic的优先级
    uint16_t descr_handle;//Client的Characteristic配置句柄
    esp_bt_uuid_t descr_uuid;//Client的Characteristic UUID
};

可以将这个结构体进一步组合为结构体数组

static struct gatts_profile_inst gl_profile_tab[PROFILE_NUM] = {
    [PROFILE_A_APP_ID] = {
        .gatts_cb = gatts_profile_a_event_handler,
        .gatts_if = ESP_GATT_IF_NONE,
    [PROFILE_B_APP_ID] = {
        .gatts_cb = gatts_profile_b_event_handler,
        .gatts_if = ESP_GATT_IF_NONE,
    },
};

这样使用类似gl_profile_tab[i].gatts_if的语句就可以访问结构体的成员，i用于指示第（i+1）个profile

使用上面的结构体数组来定义每个profile对应的GATT回调函数（gatts_profile_a_event_handler()、gatts_profile_b_event_handler()），就使得每个不同的profile使用不同的接口；初始化时，将gatts_if = ESP_GATT_IF_NONE，在之后通过各自的处理函数将profile连接到接口

最后使用esp_ble_gatts_app_register()这个API将应用的ID注册到GATT

ret = esp_ble_gatts_app_register(GATT_APP_A_ID);//run GATT app A register
if (ret)
{
	ESP_LOGE(TAG, "gatts app register error, error code = %x", ret);
	return;
}
ret = esp_ble_gatts_app_register(GATT_APP_B_ID);//run GATT app B register
if (ret)
{
	ESP_LOGE(TAG, "gatts app register error, error code = %x", ret);
	return;
}

GAP设置

使用esp_ble_adv_data_t结构体来配置GAP广播情况，并使用esp_ble_gap_config_adv_data()函数进行广播

typedef struct {
    bool set_scan_rsp;//是否作为扫描的回应信号广播
    bool include_name;//是否包括设备名
    bool include_txpower;//是否包括信号的发射功率
    int min_interval;//广播数据显示slave设备的连接最小时间间隔
    int max_interval;//广播数据显示slave设备的连接最大时间间隔
    int appearance;//设备外观（？）
    uint16_t manufacturer_len;//附加数据长度
    uint8_t *p_manufacturer_data;//附加数据指针
    uint16_t service_data_len;//Service数据长度
    uint8_t *p_service_data;//Service数据指针
    uint16_t service_uuid_len;//Servic UUID长度
    uint8_t *p_service_uuid;//Servic UUID指针
    uint8_t flag;//广播的发现模式，可选BLE_ADV_DATA_FLAG枚举值
} esp_ble_adv_data_t;

//设置示例
static esp_ble_adv_data_t adv_data = {
    .set_scan_rsp = false,
    .include_name = true,
    .include_txpower = false,
    .min_interval = 0x0006, //slave connection min interval, Time = min_interval * 1.25 msec=7.5ms
    .max_interval = 0x0010, //slave connection max interval, Time = max_interval * 1.25 msec=20ms
    .appearance = 0x00,
    .manufacturer_len = 0, //TEST_MANUFACTURER_DATA_LEN
    .p_manufacturer_data = NULL, //&test_manufacturer[0]
    .service_data_len = 0,
    .p_service_data = NULL,
    .service_uuid_len = sizeof(adv_service_uuid128),
    .p_service_uuid = adv_service_uuid128,
    .flag = (ESP_BLE_ADV_FLAG_GEN_DISC | ESP_BLE_ADV_FLAG_BREDR_NOT_SPT),
};

一个广播的有效数据是31字节，如果超过会导致超出部分被截掉

使用esp_ble_gap_config_adv_data_raw()和esp_ble_gap_config_scan_rsp_data_raw()函数可以广播自定义的空数据

广播数据设置完毕后，会自动进入ESP_GAP_BLE_ADV_DATA_SET_COMPLETE_EVT()或ESP_GAP_BLE_ADV_DATA_RAW_SET_COMPLETE_EVT状态，此时可以在gap_event_handler()中设置FSM控制程序

static void BLE_gap_event_handler(esp_gap_ble_cb_event_t event, esp_ble_gap_cb_param_t* param)
{
    switch (event)
    {
#ifdef CONFIG_SET_RAW_ADV_DATA
    case ESP_GAP_BLE_ADV_DATA_RAW_SET_COMPLETE_EVT:
        adv_config_done &= (~adv_config_flag);
        if (adv_config_done == 0)
        {
            esp_ble_gap_start_advertising(&adv_params);
        }
        break;
    case ESP_GAP_BLE_SCAN_RSP_DATA_RAW_SET_COMPLETE_EVT:
        adv_config_done &= (~scan_rsp_config_flag);
        if (adv_config_done == 0)
        {
            esp_ble_gap_start_advertising(&adv_params);
        }
        break;
#else
    case ESP_GAP_BLE_ADV_DATA_SET_COMPLETE_EVT:
        adv_config_done &= (~adv_config_flag);
        if (adv_config_done == 0)
        {
            esp_ble_gap_start_advertising(&adv_params);
        }
        break;
    case ESP_GAP_BLE_SCAN_RSP_DATA_SET_COMPLETE_EVT:
        adv_config_done &= (~scan_rsp_config_flag);
        if (adv_config_done == 0)
        {
            esp_ble_gap_start_advertising(&adv_params);
        }
        break;
#endif
    case ESP_GAP_BLE_ADV_START_COMPLETE_EVT:
        //advertising start complete event to indicate advertising start successfully or failed
        if (param->adv_start_cmpl.status != ESP_BT_STATUS_SUCCESS)
        {
            ESP_LOGE(TAG, "Advertising start failed\n");
        }
        break;
    case ESP_GAP_BLE_ADV_STOP_COMPLETE_EVT:
        if (param->adv_stop_cmpl.status != ESP_BT_STATUS_SUCCESS)
        {
            ESP_LOGE(TAG, "Advertising stop failed\n");
        }
        else
        {
            ESP_LOGI(TAG, "Stop adv successfully\n");
        }
        break;
    case ESP_GAP_BLE_UPDATE_CONN_PARAMS_EVT:
        ESP_LOGI(TAG, "update connection params status = %d, min_int = %d, max_int = %d,conn_int = %d,latency = %d, timeout = %d",
            param->update_conn_params.status,
            param->update_conn_params.min_int,
            param->update_conn_params.max_int,
            param->update_conn_params.conn_int,
            param->update_conn_params.latency,
            param->update_conn_params.timeout);
        break;
    default:
        break;
    }
}

只要使用了esp_ble_gap_start_advertising()函数，GATT Server就会开始广播，在此之前还需要用esp_ble_adv_params_t结构体配置相关的参数

//广播参数
typedef struct {
    uint16_t adv_int_min;
	//非定向和循环定向广播的最小时间间隔
    //间隔设置在0x0020到0x4000，默认0x0800（1.28s），实际时间=N * 0.625 ms，时间范围在20ms到10.24s
    
    uint16_t adv_int_max;
    //非定向和循环定向广播的最大时间间隔
    //间隔设置在0x0020到0x4000，默认0x0800（1.28s），实际时间=N * 0.625 ms，时间范围在20ms到10.24s
    
    esp_ble_adv_type_t adv_type;//广播类型
    esp_ble_addr_type_t own_addr_type;//拥有者的蓝牙设备地址类型
    esp_bd_addr_t peer_addr;//附近的蓝牙设备地址
    esp_ble_addr_type_t peer_addr_type;//附近的蓝牙设备地址类型
    esp_ble_adv_channel_t channel_map;//广播通道映射
    esp_ble_adv_filter_t adv_filter_policy;//广播过滤器设置
}
esp_ble_adv_params_t;

//设置示例
static esp_ble_adv_params_t adv_params = {
    .adv_int_min        = 0x20,//最小时间间隔
    .adv_int_max        = 0x40,//最大时间间隔
    .adv_type           = ADV_TYPE_IND,
    .own_addr_type      = BLE_ADDR_TYPE_PUBLIC,//公共地址
    //.peer_addr            =默认
    //.peer_addr_type       =默认
    .channel_map        = ADV_CHNL_ALL,//全通道
    .adv_filter_policy = ADV_FILTER_ALLOW_SCAN_ANY_CON_ANY,//扫描所有连接
};

设置完毕后，可以使用esp_ble_gap_start_advertising()进行广播

注意：esp_ble_gap_config_adv_data()使用esp_ble_adv_data_t结构体进行设置，配置的是广播出去的数据；而esp_ble_gap_start_advertising()使用esp_ble_adv_params_t结构体进行设置，配置的是该怎样广播

经典蓝牙的子集SPP

蓝牙串口协议Serial Port Profile简写为SPP，SPP就是一种能在蓝牙设备之间创建串口进行数据传输的协议，最终目的是在两个不同设备（通信的两端）上的应用之间保证一条完整的通信路径

SPP的协议栈示意图如下

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-BUaaKr3F-1613579734870)(C:\Users\NH55\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20210205162726034.png)]

连接流程

创建虚拟连接
接受虚拟串口连接
在本地SDP数据上注册服务

SPP协议与GATT协议的对比

经典蓝牙BT-SPP	低功耗蓝牙BLE-GATT
速率高	灵活多变、集成很多profile
兼容性好	高速率传输时兼容性难以保障
对IOS不友好	对IOS很友好
APP编程不方便	开发资源丰富、接口多

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