（二十）零基础开发小安派-Eyes-S1【番外篇】——BLE基础通讯

[i=s] 本帖最后由 起个名字好难啊 于 2024-5-14 16:49 编辑 [/i]<br /> <br /> # （饭）前（撒）yan 前两个星期，园长就问大家有没有需要学的，然后：  行行行，那就满足你们， * **最小WiFi Demo 可以惨开我写的：[我不信你看完这帖子还不知道怎么玩TCP]([https://bbs.ai-thinker.com/forum.php?mod=viewthread&tid=41818&extra=&_dsign=c2870545](https://bbs.ai-thinker.com/forum.php?mod=viewthread&tid=41818&extra=&_dsign=c2870545))** * **最小BLE Demo:就是这个帖子** * **最小MQTT Demo：下个帖子** 这次这个BLE帖子的篇幅有点长，因为我是边学边写，相当于一个手记了，顺便也贴一下我在看的教学视频： [[https://www.bilibili.com/video/BV1ad4y1d7AM?p=1&vd_source=02a465997504a99b4366d967ab71e479](https://www.bilibili.com/video/BV1ad4y1d7AM?p=1&vd_source=02a465997504a99b4366d967ab71e479)]([https://www.bilibili.com/video/BV1ad4y1d7AM?p=1&vd_source=02a465997504a99b4366d967ab71e479](https://www.bilibili.com/video/BV1ad4y1d7AM?p=1&vd_source=02a465997504a99b4366d967ab71e479)) 学习本贴需要体现下载BLE 调试工具，App 推荐下载NRF Connecet:[点击下载安装包]([https://github.com/NordicSemiconductor/Android-nRF-Connect/releases/download/version_4.28.1/nRFConnect_4_28_1.apk](https://github.com/NordicSemiconductor/Android-nRF-Connect/releases/download/version_4.28.1/nRFConnect_4_28_1.apk) "NRF Connect4.28.1 安卓安装包") 也可以下载鹏老师自己写的电脑端BLE调试助手：[[https://gitee.com/ospanic/BlueCom](https://gitee.com/ospanic/BlueCom)]([https://gitee.com/ospanic/BlueCom](https://gitee.com/ospanic/BlueCom) "PC BLE调试助手") ## 什么是BLE？  看到这里，你就应该知道，BLE就是低功耗蓝牙的简称，莫工对BLE也不是很了解👀️ 。我只知道，现在的手机不能在系统设置当中直接搜索到BLE设备，只能使用APP或者小程序搜。 # 一、BLE 广播数据 ## BLE广播数据是什么呢？由什么作用呢？ 广播数据是BLE从机发送一段信息，数据上包含了BLE设备的MAC地址，设备名称等内容，手机作为主机搜索到广播数据之后进行识别显示。 根据教学视频的讲义，BLE广播数据的字节最高只能到**37个(字节)**，而且BLE MAC地址默认占用了6个，只剩下31个字节给我们使用。这31个字节全部由"**AD Structure" 结构体组成**,但是不会只有一个AD Structure，实际上会有好几个这样的结构体。 ## Ai-M6x发送广播数据的实践 在使用教程中鹏老师给我们演示了如何使用MicroPython来实现了广播数据的发送，但是Ai-M61不支持MicroPython,所以我们直接使用C语言来进行实践。根据教程，我们的逻辑应该是: ```flowchart st=>start: 开始 op=>operation: 初始化协议栈 op1=>operation: 启动蓝牙 cond=>condition: 启动成功 op2=>operation: 发送广播 e=>end: 结束 st->op->op1->cond cond(no)->e cond(yes)->op2->e ``` ### Ai-M61 启用蓝牙组件 在工程的 `proj.conf` 文件中，添加以下代码启用BLE组件： ```c set(CONFIG_BLUETOOTH 1) set(CONFIG_BTBLECONTROLLER_LIB ble1m0s1bredr0) set(CONFIG_BLE_USE_MAC2 0) set(CONFIG_BLE_TP_SERVER 1) set(CONFIG_BTBLECONTROLLER_LIB ble1m10s1bredr0) ``` ### 需要引用的头文件 ``` #include "bluetooth.h" #include "hci_driver.h" #include "hci_core.h" #include "conn.h" #include "conn_internal.h" #include "gatt.h" #include "btble_lib_api.h" ``` ### 创建广播数据 最简单的广播数据就是MAC+设备名称，但是因为广播数据需要定义TYPE(第一个AD Structure)，所以设备名称在第二个AD Structure里定义： ``` #define ble_slave_name "Ai-M61-BLE" /* 定义广播数据 总子节数不得超过31 byte */ static const struct bt_data salve_adv[] = { BT_DATA_BYTES(BT_DATA_FLAGS,(BT_LE_AD_GENERAL| BT_LE_AD_NO_BREDR)), //数据头占用 2 byte BT_DATA(BT_DATA_NAME_COMPLETE,ble_slave_name,sizeof(ble_slave_name)-1),//第二个数据，定义名称 }; ``` ### 启动BLE协议栈和蓝牙 Ai-M61自动蓝牙的函数需要一个回调函数，当蓝牙启动成功之后，会通过触发回调，我们可以在回调函数当中打印蓝牙MAC地址信息和开始广播： ```c ** * @brief 蓝牙启动回调 * * @param err */ static void bt_enable_cb(int err) { if (!err) { bt_addr_le_t bt_addr; bt_get_local_public_address(&bt_addr); LOG_I("BD_ADDR:(MSB)%02x:%02x:%02x:%02x:%02x:%02x(LSB)", bt_addr.a.val[5], bt_addr.a.val[4], bt_addr.a.val[3], bt_addr.a.val[2], bt_addr.a.val[1], bt_addr.a.val[0]); //蓝牙启动完成之后发送广播包 int err = -1; err = bt_le_adv_start(BT_LE_ADV_CONN, salve_adv, ARRAY_SIZE(salve_adv), NULL, 0); if (err) LOG_E("[BLE] adv fail(err %d)", err); } } /** * @brief 启动BLE 协议栈 * */ static void ble_stack_start(void) { // Initialize BLE controller btble_controller_init(configMAX_PRIORITIES - 1); // Initialize BLE Host stack hci_driver_init(); bt_enable(bt_enable_cb); } ``` 所以我们只需要在main 当中调用 `ble_stack_start()` 函数就能让Ai-M61的BLE发送广播，使用电脑的BLE调试助手的搜索结果：  # 二、扫描响应 ## 什么是扫描响应 看完教程之后，大家可能有个疑虑？什么是扫描响应？ 说到，扫描响应分可分为： - 可连接非定向（常用） - 可连接定向 （快连） - 不可连接非定向（信标） - 可扫描非定向 （能看不能连） 对于我的理解，扫描响应得数据应该是区别于广播数据，但是也能被广播出去，这就以为着，当我们的广播数据太长的时候，可以使用扫描响应数据。通常情况下就是体现在BLE 蓝牙名字的设置上。 ## 创建扫描响应 扫描响应数据的创建和广播数据一样，用的结构体也一样，在这里，我把BLE的名称放在扫描响应数据里面： ``` //定义蓝牙名称 #define ble_slave_name "Ai-M61-BLE" /* 定义广播数据 总子节数不得超过31 byte */ static const struct bt_data salve_adv[] = { BT_DATA_BYTES(BT_DATA_FLAGS,(BT_LE_AD_GENERAL| BT_LE_AD_NO_BREDR)), //数据头占用 2 byte // BT_DATA(BT_DATA_NAME_COMPLETE,ble_slave_name,sizeof(ble_slave_name)-1),//第二个数据，定义名称 }; /* 定义扫描响应数据 总字节不得超过31byte*/ static const struct bt_data salve_rsp[] = { BT_DATA(BT_DATA_NAME_COMPLETE,ble_slave_name,sizeof(ble_slave_name)-1),//把设备名称放在扫描响应当中 }; ``` 在Ai-M6x的BLE 组件中，**扫描响应数据的添加和广播数据用的函数是同一个`bt_le_adv_start`，它的第四个第五个参数就是扫描响应的数据和数据长度**, 所以，只需要给`bt_le_adv_start`函数的第四和第五个参数传递扫描响应数据和它的数据长度就行了。 ```c bt_le_adv_start(BT_LE_ADV_CONN, salve_adv, ARRAY_SIZE(salve_adv), salve_rsp, ARRAY_SIZE(salve_rsp)); ``` ## 实践结果  # 三、状态切换 教程中，BLE 状态一共有五种: - **就绪态：** BLE启动之后的状态 - **广播态：** BLE从机发送广播包时的状态 - **连接态：** BLE连接成功之后 - **扫描态（BLE主机模式）：** BLE主机扫描从机时的状态 - **发起态（BLE主机模式）：** BLE主机对从机发起连接时的状态 本教程只关注从机模式的状态，从机模式合理的状态切换的逻辑: ```flowchart st=>start: 开始 op=>operation: 启动蓝牙(就绪态) op1=>operation: 发起广播(广播态) cond=>condition: 是否已经连接 op2=>operation: 连接态 cond1=>condition: 是否断开连接 e=>end: 结束 st->op->op1->cond cond(no)->op1 cond(yes)->op2->e ``` 同样的，我们也只对连接和断开连接两个事件进行处理，连接对应的是连接态，而断开连接会变为就绪态，我们应该发起广播，把状态切换成广播态，让手机等BLE主机能够扫描到它。 ## 连接回调和断开回调的创建 ### 连接回调函数 我们可以在连接回调函数当中直接打印“connected：现在是连接态”信息，并且主动关闭广播，这样可以节省功耗，就像这样： ```c static void _connected(struct bt_conn *conn, u8_t err) { if (err) { LOG_E("connected err:%d", err); bt_conn_unref(conn); return ; } LOG_I("connected：现在是连接态"); bt_le_adv_stop(); return ; } ``` ### 断开连接回调 断开连接的回调函数里，除了打印之外，还需要主动打开广播： ```c static void _disconnected(struct bt_conn *conn, u8_t reason) { LOG_W("disconnected, 此时是就绪态reason:%d", reason); LOG_I("切换到 广播态"); int err = bt_le_adv_start(BT_LE_ADV_CONN, salve_adv, ARRAY_SIZE(salve_adv), salve_rsp, ARRAY_SIZE(salve_rsp)); if (err) LOG_E("[BLE] adv fail(err %d)", err); } ``` ### 注册回调函数 回调函数不能直接运行，它必须有接口调用它们，在Ai-M6x的BLE协议库中，使用 `struct bt_conn_cb`声明回调函数接口，并以下面这个函数来注册： ``` bt_conn_cb_register ``` **用法示例：** ```c /* 定义struct bt_conn_cb 结构体来指定相应的回调函数 */ static struct bt_conn_cb conn_callbacks = { .connected = _connected, .disconnected = _disconnected, }; /* 在初始化函数中注册回调函数*/ /** * @brief 启动BLE 协议栈 * */ static void ble_stack_start(void) { // Initialize BLE controller #ifdef CONFIG_Ai_M6x btble_controller_init(configMAX_PRIORITIES - 1); #endif #ifdef CONFIG_Ai_WB2 ble_controller_init(configMAX_PRIORITIES - 1); #endif // Initialize BLE Host stack hci_driver_init(); bt_enable(bt_enable_cb); bt_conn_cb_register(&conn_callbacks);//注册回调 } ``` ## 运行结果，根据代码去试试吧  # 四、服务与特征（特性） BLE 的服务和特性，是BLE数据互交的基础，前面所讲的内容全部都是让BLE 设备具备可连接功能而且。所以服务和特性直接决定了BLE设备是否可以接收和发送数据的能力。 服务决定了BLE设备的BLE设备类型，比如BLE HID是鼠标设备还是键盘设备。都需要通过定义服务来确定，在这里，不会深究BLE具备的服务类型。一个服务下面有一个或者多个特征，这些特征决定了服务的功能，一个服务到底是用来传数据的还是接收数据的，都需要特征来决定。 在实际编程当中，服务通常以service作为标识，而特征作为service的成员来定义，GATT的库当中，给了相关的宏定义让我们方便地创建特征。 ## UUID介绍 UUID是每个服务和特征的标识符，最长是128Bit(位)，UUID有三种长度： - 16Bit UUID - 32Bit UUID - 128Bit UUID ## 特征的属性和权限 ### 属性 特征除了拥有UUID之外，还需要属性来声明这个特征的功能，比如这个特征是用来做通知的，还是用来读写的等，GATT一共给了以下几个属性： - `BT_GATT_CHRC_BROADCAST`：广播类型的特征(非标准，不常用) - `BT_GATT_CHRC_READ`：可读属性（常用） - `BT_GATT_CHRC_WRITE_WITHOUT_RESP`：特征写入回复 - `BT_GATT_CHRC_WRITE`：可写属性 - `BT_GATT_CHRC_NOTIFY`：可通知属性（notify） - `BT_GATT_CHRC_INDICATE`：需要从机对数据确认的属性 - `BT_GATT_CHRC_AUTH`：连接认证 - `BT_GATT_CHRC_EXT_PROP`：扩展的属性 ### 权限 特征定义好了属性之后，还需要给权限，读或者写？还是其他的权限，GATT库也给我们声明好了： - `BT_GATT_PERM_NONE`：无权限，只有notify 支持 - `BT_GATT_PERM_READ`: 可读权限 - `BT_GATT_PERM_WRITE`：可写权限 - `BT_GATT_PERM_READ_ENCRYPT`：加密连接的可读权限 - `BT_GATT_PERM_WRITE_ENCRYPT`：加密连接的可写权限 - `BT_GATT_PERM_READ_AUTHEN`：需要验证的可读权限 - `BT_GATT_PERM_WRITE_AUTHEN`：需要验证的可写权限 - `BT_GATT_PERM_PREPARE_WRITE`：需要准备的可写权限 在这里，我们可以得知服务与特征的一些关系：  ## 服务创建的实践 ### 开发流程 从图中我们可以看到，UUID 作为标识符，用来识别了服务和特征，在编程当中，一个服务和特征的创建都要先从UUID开始，教程也是一样，先定义了三个UUID：9011(服务的UUID)，9012（特征1的UUID），9013(特征2)的UUID，流程就这么出来了： ```flowchart st=>start: 开始 op=>operation: 创建UUID op1=>operation: 声明服务的UUID op2=>operation: 声明特征1的UUID,属性，特征 op3=>operation: 声明特征2的UUID，属性，特征 op4=>operation: 创建服务接口 op5=>operation: 注册服务 e=>end: 结束 st->op->op1->op2->op3->op4->op5->e ``` ### 创建UUID 创建UUID可以使用宏定义来创建： ``` #define SERVER_UUID_16BIT BT_UUID_DECLARE_16(0X9011) //服务器UUID #define NOTIFY_UUID_16BIT BT_UUID_DECLARE_16(0X9012) //特征1 UUID #define WRITER_UUID_16BIT BT_UUID_DECLARE_16(0X9013) //特征2 UUID ``` ### 声明服务和特征 声明服务和特征有一个专门的结构体，`struct bt_gatt_attr`，结构体里只能创建一个服务，但是能过声明多个特征,所以当创建一个服务及其特征的时候，通常以创建 `struct bt_gatt_attr` 结构数组来实现，例如： ``` /* 定义一个服务，这个服务有两个特性 */ static struct bt_gatt_attr salve_uuid_server[] = { /* 服务 UUID */ BT_GATT_PRIMARY_SERVICE(SERVER_UUID_16BIT), /* 可读可通知的特征 */ BT_GATT_CHARACTERISTIC(NOTIFY_UUID_16BIT,BT_GATT_CHRC_NOTIFY,BT_GATT_PERM_READ,NULL,NULL,NULL), /* 可读可写属性的特征 */ BT_GATT_CHARACTERISTIC(WRITER_UUID_16BIT,BT_GATT_CHRC_WRITE,BT_GATT_PERM_READ|BT_GATT_PERM_WRITE,NULL,NULL,NULL), }; ``` ### 注册服务接口 `struct bt_gatt_attr`结构体不能直接进行服务注册，需要创建 `bt_gatt_service ble_uuid_server`结构体，并指向 `struct bt_gatt_attr`之后才能使用注册，例如： ``` /* 创建 BLE 服务接口*/ static struct bt_gatt_service ble_uuid_server = BT_GATT_SERVICE(salve_uuid_server); ``` 然后使用 `bt_gatt_service_register` 函数进行**一个服务的注册**，这个注册函数放在广播之前调用，我们在蓝牙启动之后，没进入广播态之后调用： ``` static void ble_stack_start(void) { // Initialize BLE controller btble_controller_init(configMAX_PRIORITIES - 1); // Initialize BLE Host stack hci_driver_init(); bt_enable(bt_enable_cb); bt_conn_cb_register(&conn_callbacks); conn_callbacks._next = NULL; /* 注册BLE 服务*/ int ret = bt_gatt_service_register(&ble_uuid_server); } ``` ### 实践结果  # 五、数据收发 ## 接收数据 在视频教程的第6节，鹏老师提到BLE设备想要收到手机的数据，**需要写一个“被写”的回调函数**，也就是接收回调，在回调函数里打印手机发送来的数据。这个函数只需要在**具有可写属性的特征**里声明即可，根据上一节的定义，特则2（UUID:9013）就是一个可写特征，这个接收回调函数是放在特征2里： ```c static ssize_t ble_uuid_write_val(struct bt_conn* conn, const struct bt_gatt_attr* attr, const void* buf, u16_t len, u16_t offset, u8_t flags) { uint8_t* recv_buffer; recv_buffer = pvPortMalloc(sizeof(uint8_t) * len); memcpy(recv_buffer, buf, len); LOG_RD("recv ble data len= %d:%s -----", len, recv_buffer); for (size_t i = 0; i < len; i++) { LOG_RI("0x%x ", recv_buffer[i]); } printf("\r\n"); vPortFree(recv_buffer); return len; } /* 定义一个服务，这个服务有两个特性 */ static struct bt_gatt_attr salve_uuid_server[] = { /* 服务 UUID */ BT_GATT_PRIMARY_SERVICE(SERVER_UUID_16BIT), /* 可读可通知的特征 */ BT_GATT_CHARACTERISTIC(NOTIFY_UUID_16BIT,BT_GATT_CHRC_NOTIFY,BT_GATT_PERM_READ,NULL,NULL,NULL), /* 可读可写属性的特征 并声明接收回调函数*/ BT_GATT_CHARACTERISTIC(WRITER_UUID_16BIT,BT_GATT_CHRC_WRITE_WITHOUT_RESP,BT_GATT_PERM_WRITE,NULL,ble_uuid_write_val,NULL), }; ``` ### 实践结果  ## 发送数据 在视频当中，BLE设备给手机发送数据是通过Notify通知手机读取，但是在BLE GATT当中，BLE 设备Notify 需要通过GATT_CCC 来报告Notify的状态，所以需要改一下 `struct bt_gatt_attr` 结构体，需要在具有“Notify”属性的特征之下增加 `BT_GATT_CCC`： ``` /* 定义一个服务，这个服务有两个特性 */ static struct bt_gatt_attr salve_uuid_server[] = { /* 服务 UUID */ BT_GATT_PRIMARY_SERVICE(SERVER_UUID_16BIT), /* 可读可通知的特征 */ BT_GATT_CHARACTERISTIC(NOTIFY_UUID_16BIT,BT_GATT_CHRC_NOTIFY,BT_GATT_PERM_READ,NULL,NULL,NULL), /*添加GATT_CCC*/ BT_GATT_CCC(NULL, BT_GATT_PERM_READ | BT_GATT_PERM_WRITE), /* 可读可写属性的特征 并声明接收回调函数*/ BT_GATT_CHARACTERISTIC(WRITER_UUID_16BIT,BT_GATT_CHRC_WRITE,BT_GATT_PERM_WRITE,NULL,ble_uuid_write_val,NULL), }; ``` 这时候，特征1 才能被监听,在NRF Connect App中可以看出区别：  ### 调用Notify发送数据 在接收回调当中使用 `bt_gatt_notify`函数给手机发送数据，当手机发送数据下来的时候就回复"Hello Master": ``` static ssize_t ble_uuid_write_val(struct bt_conn* conn, const struct bt_gatt_attr* attr, const void* buf, u16_t len, u16_t offset, u8_t flags) { uint8_t* recv_buffer; recv_buffer = pvPortMalloc(sizeof(uint8_t) * len); memcpy(recv_buffer, buf, len); LOG_D("recv ble data len= %d:%s", len, recv_buffer); for (size_t i = 0; i < len; i++) { LOG_RI("0x%x ", recv_buffer[i]); } printf("\r\n"); vPortFree(recv_buffer); /* 给手机发送数据 */ bt_gatt_notify(conn, &salve_uuid_server[2], "Hello Master", strlen("Hello Master")); return len; } ``` ### 实践结果   # 六、声明 **我是跟着鹏老师说的原理及流程来开发Ai-M6x的BLE，再次之前对一些概念并不是很清楚，所以难免会有一些理解不到位的情况。 上面的五个小节在例程当中都分别由相应的源码，请运行在AiPi-Open-Kits的AiPi-aiThinkerClud分支**，并且在 `examples` 使用git 指令获取demo 源码: ``` git clone [https://gitee.com/seahi007/Ai-BLE_exmple.git](https://gitee.com/seahi007/Ai-BLE_exmple.git) ``` ## 必看 **如果觉得鹏老师讲得好，三连加关注吧**

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莫工辛苦了

排版又好看，帖子内容又有深度！莫工出品，必属精品

太赞了

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爱笑 发表于 2024-5-14 17:01
排版又好看，帖子内容又有深度！莫工出品，必属精品

那不给我加精？

向莫工学习

学习中…