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Arduino ESP32 BLE

阿新 • • 發佈：2020-12-17

一. 藍芽基礎知識

1. 藍芽4.0和BLE的區分

通常在瞭解一點藍芽的朋友看來，往往將BLE等同於藍芽4.0，其實不然。

藍芽4.0是協議，4.0是協議版本號，藍芽4.0是2010年6月由SIG（Special Interest Group）釋出的藍芽標準，它有2種模式：

BLE（Bluetooth low energy）只能與4.0協議裝置通訊，適應節能且僅收發少量資料的裝置（如家用電子）；

BR/EDR（Basic Rate / Enhanced Data Rate），向下相容（能與3.0/2.1/2.0通訊），適應收發資料較多的裝置（如耳機）。這個模式常常也有人稱之為“傳統藍芽”或“經典藍芽”。

可以這樣理解，藍芽4.0協議包含BLE，BLE隸屬於藍芽4.0協議的一部分

2. BLE和雙模藍芽的概念

Bluetooth Low Energy (也被稱為Bluetooth 4.0、BLE、BTLE)，下面記作BLE，是使用2.4GHz的無線短距離無線通訊標準。 迄今為止，雖然高速藍芽已經實現，但BLE在通訊速度上比較普通，主要強調一個鈕釦電池能夠工作幾年的這種省電效能。

裝置端和主機端使用GATT(Generic ATTribute) profile進行通訊。 如果你聽到GATT這個名詞，就可以將其想成使用BLE，這沒什麼問題。

由於與傳統藍芽不相容，在主機端，和藍芽3.0合併做為雙模，實現成兩者都可以使用的情況比較多。

3. BLE藍芽架構圖(瞭解)

最上面綠色的部分是應用層，主要是gatt和att我們可以把它看作是同一層。
sm是安全管理層，負責管理安全。
最下面link layer層和phy層基本上就是一些rf的處理。

4. GATT概念

GATT已經成為BLE通訊的規定，每一個裝置中存在很多的“service”(服務)，service中還包含有多個“Characteristic”（特徵值）。
在藍芽實際資料交換中，就是通過讀寫這些“Characteristic”來實現的。

  • 一個滑鼠是一個BLEDevice
  • 一個BLEDevice建立了一個BLE伺服器 BLEServer
  • 一個BLE伺服器裡有多個服務BLEService
  • 一個服務裡有多個特徵值BLECharacteristic 每個特徵值是一種資料.就是通過讀寫這些“Characteristic”實現讀寫資料

每個characteristic的值可以在不加密的狀態下讀寫，但配對的操作是加密的。 還有當characteristic的值已改變時，可接收通知（notify）。關於通知的概念請見下面小節.

5. UUID

服務和characteristic是通過UUID來進行識別的。

UUID是32位的，但那些被藍芽技術聯盟的標準中定義的UUID是以四個數字來表示的。UUID既有16位的也有128位的，我們需要了解的是16位的UUID是經過藍芽組織認證的，是需要購買的，當然也有一些通用的16位UUID。

UUID：由藍芽裝置廠商提供的UUID，UUID是在硬體程式設計裡已經確定了的，想要操作特定的服務、特徵值都需要通過UUID來找。

6. notify通知的概念

如果主機的一個特徵值characteristic發生改變, 可以使用通知notify來告訴客戶端. 這是伺服器主動給客戶端發的資訊, 並非是響應客戶端的請求.

這樣做有很多好處, 比如ESP32採集到了溫度的變化, 可以將資料寫入對應的特徵值characteristic,然後notify通知客戶端.

我們建立特徵值時, 把它規定為通知型別, 當這個特徵值發生變化時,可以通知客戶端,像這樣:

pCharacteristic = pService->createCharacteristic(CHARACTERISTIC_UUID_TX, BLECharacteristic::PROPERTY_NOTIFY); 
//建立一個(讀)特徵值, 它是通知下發型別的特徵值

其實客戶端可以不接受伺服器傳送的notify,方法是修改自己的Descriptor. BLE伺服器看到你對自己的描述中標識了不想接收notify,也就不會再給你發了.詳見下面的視訊.

7. write寫入的概念

我們可以把特徵值定為寫入型別, 這樣客戶端可以給我們寫入, 觸發寫入回撥函式

BLECharacteristic *pCharacteristic = pService->createCharacteristic(CHARACTERISTIC_UUID_RX, BLECharacteristic::PROPERTY_WRITE);
//建立一個(寫)特徵, 它是寫入型別的特徵值
  pCharacteristic->setCallbacks(new MyCallbacks());  
//為特徵新增一個回撥

除了通知和寫入, 還有好幾種特徵值型別, 請後續瞭解

其實BLE理論非常複雜,但我們理解到這個程度即可.附上一個幫助我們理解的視訊:
https://www.bilibili.com/video/bv17v41117sq

二. ESP32 arduino 藍芽BLE通訊的實現

1. 思路

把藍芽裝置看作伺服器, 把手機看作一個客戶端, 客戶端可以給伺服器傳送資料, 伺服器可以給客戶端下發通知

實現思路:

  1. 建立BLE裝置 BLEDevice::init(ble_name);
  2. 建立BLE伺服器 BLEServer *pServer = BLEDevice::createServer();
  3. 建立若干服務 BLEService *pService = pServer->createService(SERVICE_UUID);
  4. 建立服務的特徵值

下面的例子中, 我們建立了一個叫做pService 的服務, 這個服務其實是為了模擬串列埠
為了實現"串列埠",我們在這個服務下添加了兩個特徵值, 一個是TX. 一個是RX.

#include <Arduino.h>
#include <BLEDevice.h>
#include <BLEServer.h>
#include <BLEUtils.h>
#include <BLE2902.h>
#include <String.h>

BLECharacteristic *pCharacteristic; //建立一個BLE特性pCharacteristic
bool deviceConnected = false;       //連線否標誌位
uint8_t txValue = 0;                //TX的值
long lastMsg = 0;                   //存放時間的變數
String rxload = "BlackWalnutLabs";  //RX的預置值

#define SERVICE_UUID "6E400001-B5A3-F393-E0A9-E50E24DCCA9E" // UART service UUID
#define CHARACTERISTIC_UUID_RX "6E400002-B5A3-F393-E0A9-E50E24DCCA9E"
#define CHARACTERISTIC_UUID_TX "6E400003-B5A3-F393-E0A9-E50E24DCCA9E"

//伺服器回撥
class MyServerCallbacks : public BLEServerCallbacks
{
  void onConnect(BLEServer *pServer)
  {
    deviceConnected = true;
  };
  void onDisconnect(BLEServer *pServer)
  {
    deviceConnected = false;
  }
};

//特性回撥
class MyCallbacks : public BLECharacteristicCallbacks
{
  void onWrite(BLECharacteristic *pCharacteristic)
  {
    std::string rxValue = pCharacteristic->getValue();
    if (rxValue.length() > 0)
    {
      rxload = "";
      for (int i = 0; i < rxValue.length(); i++)
      {
        rxload += (char)rxValue[i];
        Serial.print(rxValue[i]);
      }
      Serial.println("");
    }
  }
};

void setupBLE(String BLEName)
{
  const char *ble_name = BLEName.c_str(); //將傳入的BLE的名字轉換為指標
  BLEDevice::init(ble_name);              //初始化一個藍芽裝置

  BLEServer *pServer = BLEDevice::createServer(); // 建立一個藍芽伺服器
  pServer->setCallbacks(new MyServerCallbacks()); //伺服器回撥函式設定為MyServerCallbacks

  BLEService *pService = pServer->createService(SERVICE_UUID); //建立一個BLE服務

  pCharacteristic = pService->createCharacteristic(CHARACTERISTIC_UUID_TX, BLECharacteristic::PROPERTY_NOTIFY); 
//建立一個(讀)特徵值 型別是通知
  pCharacteristic->addDescriptor(new BLE2902());
//為特徵新增一個描述

  BLECharacteristic *pCharacteristic = pService->createCharacteristic(CHARACTERISTIC_UUID_RX, BLECharacteristic::PROPERTY_WRITE);
 //建立一個(寫)特徵 型別是寫入
  pCharacteristic->setCallbacks(new MyCallbacks());
//為特徵新增一個回撥

  pService->start();                  //開啟服務
  pServer->getAdvertising()->start(); //伺服器開始廣播
  Serial.println("Waiting a client connection to notify...");
}
void setup()
{
  Serial.begin(115200);
  setupBLE("ESP32BLE"); //設定藍芽名稱
}

void loop()
{
  long now = millis(); //記錄當前時間
  if (now - lastMsg > 1000)
  { //每隔1秒發一次訊號
    if (deviceConnected && rxload.length() > 0)
    {
      String str = rxload;
      if (str=="10086\r\n")
      {
        const char *newValue = str.c_str();
        pCharacteristic->setValue(newValue);
        pCharacteristic->notify();
      }
    }
    lastMsg = now; //重新整理上一次傳送資料的時間
  }
}

　下面這個是我自己驗證可行的程式：

// 包含所必需的庫
#include <BLEDevice.h>
#include <BLEServer.h>
#include <BLEUtils.h>
#include <BLE2902.h>

BLEServer *pServer = NULL;
BLECharacteristic *pTxCharacteristic;
bool deviceConnected = false;
bool oldDeviceConnected = false;

char BLEbuf[32] = {0};
String data = "";

// 定義收發服務的UUID（唯一標識）
#define SERVICE_UUID           "6E400001-B5A3-F393-E0A9-E50E24DCCA9E"
// RX串列埠標識
#define CHARACTERISTIC_UUID_RX "6E400002-B5A3-F393-E0A9-E50E24DCCA9E"
// TX串列埠標識
#define CHARACTERISTIC_UUID_TX "6E400003-B5A3-F393-E0A9-E50E24DCCA9E"


class MyServerCallbacks: public BLEServerCallbacks {
    void onConnect(BLEServer* pServer) {
      deviceConnected = true;
    };

    void onDisconnect(BLEServer* pServer) {
      deviceConnected = false;
    }
};

class MyCallbacks: public BLECharacteristicCallbacks {
    void onWrite(BLECharacteristic *pCharacteristic) {
      std::string rxValue = pCharacteristic->getValue();

      if (rxValue.length() > 0) {
        Serial.println("*********");
        Serial.print("Received Value: ");
        for (int i = 0; i < rxValue.length(); i++){
                Serial.print(rxValue[i]);
            }
        Serial.println();
        data =rxValue.c_str();
        //Serial.println(data);
        Serial.println("*********");
        Serial.println();
      }
    }
};

// setup()在復位或上電後執行一次:
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  // 初始化藍芽裝置
  BLEDevice::init("ESP32 test");
  // 為藍芽裝置建立伺服器
  pServer = BLEDevice::createServer();
  pServer->setCallbacks(new MyServerCallbacks());
  // 基於SERVICE_UUID來建立一個服務
  BLEService *pService = pServer->createService(SERVICE_UUID);
  pTxCharacteristic = pService->createCharacteristic(
                                        CHARACTERISTIC_UUID_TX,
                                        BLECharacteristic::PROPERTY_NOTIFY
                                    );
  pTxCharacteristic->addDescriptor(new BLE2902());
  BLECharacteristic * pRxCharacteristic = pService->createCharacteristic(
                                             CHARACTERISTIC_UUID_RX,
                                            BLECharacteristic::PROPERTY_WRITE
                                        );
  pRxCharacteristic->setCallbacks(new MyCallbacks());
  // 開啟服務
  pService->start();
  // 開啟通知
  pServer->getAdvertising()->start();
  Serial.println("Waiting a client connection to notify...");
  Serial.println();
}

// loop()一直迴圈執行:
void loop() {

    if (deviceConnected==1&data.length()>0) {
        memset(BLEbuf, 0, 32);
        memcpy(BLEbuf, data.c_str(), 32);
        Serial.println(BLEbuf);

        pTxCharacteristic->setValue(BLEbuf);   //收到資料後返回資料
        pTxCharacteristic->notify();
        data = "";  //返回資料後進行清空，否則一直髮送data
    }

    // 沒有新連線時
    if (!deviceConnected && oldDeviceConnected) {
        // 給藍芽堆疊準備資料的時間
        delay(500);
        pServer->startAdvertising();
        // 重新開始廣播
        Serial.println("start advertising");
        oldDeviceConnected = deviceConnected;
    }
    // 正在連線時
    if (deviceConnected && !oldDeviceConnected) {
        // 正在連線時進行的操作
        oldDeviceConnected = deviceConnected;
    }
}

　



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