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蓝牙介绍

官网：https://www.bluetooth.com/zh-cn/。

wiki：蓝牙 - 维基百科，自由的百科全书。

分为经典蓝牙和低功耗蓝牙（BLE），前者支持传统的点对点通信，比如无线耳机，无线打印机等，后者支持低功耗，支持更多的拓扑结构，比如蓝牙广播，mesh等。BLE除了数据传输，还支持设备定位，比如蓝牙beacon技术。（参考链接：https://www.bluetooth.com/zh-cn/learn-about-bluetooth/tech-overview/）

蓝牙规范：https://www.bluetooth.com/zh-cn/specifications/specs/。

蓝牙协议栈


参考链接：

  1. https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/zh_CN/stable/esp32/api-guides/ble/overview.html
  2. https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/esp32_bluetooth_architecture_cn.pdf

有 ESP-Bluedroid 和 ESP-NimBLE 两个主机，其主要区别如下：

  • 虽然两者都支持低功耗蓝牙，但 ESP-NimBLE 需要的堆和 flash 空间更少。

  • ESP-Bluedroid 支持经典蓝牙和低功耗蓝牙，而 ESP-NimBLE 仅支持低功耗蓝牙。

从整体结构上，蓝⽛可分为控制器 (Controller) 和 主机 (Host) 两⼤部分：控制器包括了PHY、 Baseband、 Link Controller、 Link Manager、 Device Manager、 HCI 等模块，⽤于硬件接⼝管理、链路管理等等；主机则包括了 L2CAP、 SMP、 SDP、 ATT、 GATT、 GAP 以及各种规范，构建了向应⽤层提供接⼝的基础，⽅便应⽤层对蓝⽛系统的访问。主机可以与控制器运⾏在同⼀个宿主上，也可以分布在不同的宿主上。 

控制器提供蓝牙能力，比如射频，PHY，链路控制等，主机提供软件能力，比如蓝牙协议栈实现，两者通过总线解耦，方便将蓝牙能力拓展到不同的主机上。

GAP规范

Generic Access Profile，通用访问规范。

参考链接：https://www.bluetooth.com/specifications/specs/core-specification-5-0/

下载V5.0的pdf文档后，GAP规范的章节在Vol 3 → Part C。

GAP规范的用于定义以下内容：

  1. 角色分类。
  2. 发现模式和发现过程。 
  3. 连接模式和连接过程。
  4. 安全相关的模式和过程。

GAP定义了以下几种角色：

  1. 广播者（Broadcaster）
  2. 观察者（Observer）
  3. 外围设备（Peripheral）
  4. 中心设备（Central）

典型的可扫描、可连接蓝牙设备建立连接的过程如下：

有些设备只需要发送即可，比如Apple Beacon，有些设备只需要接收即可，比如BLE Sniffer，不同的设备对应不同的角色。比如Apple Beacon对应广播者，BLE Sniffer对应观察者。一些低功耗的蓝牙传感器，比如心律监测计，是外围设备，而负责接收的设备，比如手机，则是中心设备。

对于外围设备和中心设备，在连接建立后，需要区分Slave Role和Master Role。

GATT规范

Generic Attribute Profile，通用属性规范。

GATT区分客户端和服务端，客户端通过command, request, confirmation向服务端发送消息，服务端通过resonpse, notification, indication向客户端返回数据。

数据存储在服务端，通过Profile来表示，其格式如下：

Profile包含一个或多个Service，每个Service包含一个Service Declaration（服务声明，用于说明这个服务是干啥的），Service Include（服务引用，引用了其他哪些服务），以及多个特征值，每个特征值表示一个有效数据。

UUID用于表示当前服务的类型，这些类型是预分配好的，基本上所有的知名服务，比如血压计，心律计，定时器等，都有对应好的UUID，具体的UUID可以查看蓝牙规范文档，参考链接：https://www.bluetooth.com/specifications/assigned-numbers/。

 

Include表示包含了哪些其他服务及对应的UUID。


特征值结构，首先是特征声明，包含特征的属性，句柄，UUID。


接下来是值的声明。


接下来是可选的补充信息。


所有的属性数据都遵循以下格式：

ATT负责存储数据，GATT为ATT赋予类型属性，根据类型属性就可以对ATT的格式和内容进行解析。

GATT不仅使用ATT来存储和发送数据，还使用ATT来发送命令。

GATT服务端工作流程

  1. 初始化：初始化蓝牙控制器→ 使能蓝牙控制器→ 使能蓝牙协议栈。
  2. 注册GATT callback：gatts_event_handler，注册GATT回调事件。
  3. 注册GAP callback：gap_event_handler，注册GAP回调事件。
  4. 注册GATT APP ID：APP ID用于协议栈区分不同的profile。
  5. 设置MTU：参考Core spec V5.0，搜索MTU。
  6. 处理各种回调事件，包括GAP的回调事件和GATT的回调事件。

GAP事件包括以下几种：

  1. 广播数据设置成功。
  2. 开始广播成功，此时可以用BLE调试助手搜索到对应的广播热点。
  3. 停止广播成功。
  4. 更新连接参数事件。

GATT事件包括以下几种：

  1. GATTS注册事件，表示注册GATT APP ID成功，此时可以拿到这个profile的句柄。
  2. 调用profile的回调函数，继续处理GATT事件，比如特征值读写事件。

GATT服务端广播流程

下载V5.0的pdf文档后，GAP规范的章节在Vol 6 → Part D → 3 Advertising State。

以非定向广播为例，其广播流程如下：


接收端负责扫描广播信息，以第4小节中的被动扫描为例，其流程如下：


客户端也可以进行主动扫描，其流程如下：


GATT服务端广播流程：

  1. 注册GATT APP ID，触发注册APP ID成功事件，此时可以设置GAP广播数据，以及广播扫描应答数据。
  2. 触发GAP广播数据设置完成事件和广播扫描应用数据设置成功事件。
  3. 检测到广播数据设置成功后，使能GAP广播。
  4. 触发GAP开始广播成功事件，表示已经开始广播了。
  5. 主动停止广播，触发停止广播成功事件。

GATT广播数据解析

参考Core spec V5.0，Vol3 → Part C → 11小节。

 

关于AD Type，在上面的Assigned Numbers文档有描述，在Common Data Types章节，以下是一个广播数据示例。

以第一行0x02, 0x01, 0x06为例，0x02表示后面的数据长度为2，0x01表示这是一个标志数据，后面的0x06可以参考Core spec的补充文档查找其含义。

关于device name，广播数据中的device name是用于显示在扫描后的local name中的，而在程序中设置的name是用于在BLE调试助手上显示的。比如XM的所有蓝牙配网设备用BLE调试助手搜索出来的名字都是XM，但由于每个设备广播数据中的device name都不一样，所以在APP上还是可以区分出设备类型。

关于广播数据的长度，可参考Core spec V5.0，Vol6 → Part B → 2.3.1小节。广播数据区分legacy pdu和extended pdu，对应传统蓝牙(4.0, 4.2)和蓝牙5.0（2.3.4小节）。蓝牙5.0通过fragmentation技术，可以发送最大1650字节的广播数据。在设备广播参数时可以指定广播类型，从而决定广播数据包长度。

GATT客户端工作流程

GATT服务端读数据处理

GATT客户端读数据处理

GATT服务端写数据处理





























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