STM32提高篇: 蓝牙通讯

一.蓝牙通讯介绍
- 1.蓝牙技术类型
二.蓝牙协议栈
- 1.蓝牙芯片架构
- 2.BLE低功耗蓝牙协议栈框架
三.ESP32-C3中的蓝牙功能
- 1.广播
- 2.扫描
- 3.通讯
四.发送和接收

一.蓝牙通讯介绍

蓝牙，是一种利用低功率无线电，支持设备短距离通信的无线电技术，能在包括移动电话、PDAQ、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换，蓝牙工作在全球通用的2.4 GHz(2.4 至 2.485 GH) ISM(即工业、科学、医学)频段，使用IEEE802.11协议。

1.蓝牙技术类型

蓝牙协议包括两种技术：BR：Basic Rate和LE：Low Energy。
这两种技术都包括搜索（discovery）管理、连接（connection）管理等机制，但它们是相互独立的，不能互通的技术！
厂商如果只实现了一种，那么只能与同样实现该技术的设备互通。如果厂商要确保能和所有的蓝牙设备互通，那么就只能同时实现两种技术，而不去管是否真的需要。
经典蓝牙（BR/EDR）
BR：Basic Rate是正宗的蓝牙技术，可以包括可选的EDR（Enhanced Data Rate）技术，以及AMP（Alternate MAC and PHY layer extension）。
BR：最早期的蓝牙技术，速度只能达到721.2Kbps，在那个年代，已为高大上了。·EDR：随着技术的提升，使用EDR技术的蓝牙，理论速率可以达到2.1Mbps。
AMP：使用AMP技术的蓝牙，理论速率可以达到54Mbps。蓝牙自身的物理层和AMP技术差异明显，BR/EDR和AMP是不能同时使用的。简单的说，就是：BR和EDR是可以同时存在的，但BR/EDR和AMP只能二选一。
低功耗蓝牙（BLE）
上面所讲的BR技术的进化路线，就是传输速率的加快、加快、再加快。但能量是守恒的，你想传的更快，代价就是消耗更多的能量。而有很多的应用场景，并不关心传输速率，反而非常关心功耗。这就是Bluetooth LE（称作蓝牙低功耗）产生的背景。
低功耗蓝牙与经典蓝牙使用相同的2.4GHz无线电频率，因此双模设备可以共享同一个天线。低功耗蓝牙使用的调制系统更简单。BLE技术相比BR技术，差异非常大，或者说就是两种不同的技术，凑巧都加一个“蓝牙”的前缀而已。目前BLE主要广泛应用于引IoT（Internet of Things：物联网）产品领域。

二.蓝牙协议栈

蓝牙协议栈极其复杂，官方协议说明书大概有800多页。我们只做一个大致了解。芯片厂家一般都封装好了，我们直接使用即可。

1.蓝牙芯片架构

蓝牙的核心系统，由一个Host和一个或多个Controller组成。
（1）BT Host：逻辑实体，在HCI（Host Controller Interface）的上层。
（2）BT Controller：逻辑实体，在HCI（Host Controller Interface）的下层。
根据Host与Controller的组成关系，常见的蓝牙芯片也分为以下几种：
（1）单模蓝牙芯片：单一传统蓝牙的芯片，单一低功耗蓝牙的芯片。即（1个Host结合1个Controller）
（2）双模蓝牙芯片：同时支持传统蓝牙和低功耗蓝牙的芯片。即（1个Host结合多个Controller）
在这里插入图片描述
蓝牙协议是通信协议的一种，一般而言，我们把某个协议的实现代码称为协议栈（protocol stack），BLE协议栈就是实现低功耗蓝牙协议的代码。

2.BLE低功耗蓝牙协议栈框架

要实现一个BLE应用，首先需要一个支持BLE射频的芯片，然后还需要提供一个与此芯片配套的BLE协议栈，最后在协议栈上开发自己的应用。
可以看出BLE协议栈是连接芯片和应用的桥梁，是实现整个BLE应用的关键。
简单来说，BLE协议栈主要用来对你的应用数据进行层层封包，以生成一个满足BLE协议的空中数据包，也就是说，把应用数据包裹在一系列的帧头（header）和帧尾（tail）中。
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）。
蓝牙核心协议关注对蓝牙核心技术的描述和规范，它只提供基础的机制，并不关心如何使用这些机制；
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，百花齐放，定义出各种各样的策略，如FTP、文件传输、局域网等等。
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而蓝牙核心协议（Bluetooth Core）又包含BLE Controller和BLE Host两部分。Controller负责定义RF、Baseband等偏硬件的规范，并在这之上抽象出用于通信的逻辑链路（Logical Link）；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。
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物理层（Physical Layer，PHY）
PHY 层主要负责在物理信道上发送和接收信息包。Bluetooth LE 使用 40 个射频信道。频率范围：2402 MHz 到 2480 MHz。
链路层（Link Layer，LL）
LL 层主要负责创建、修改和释放逻辑链路（以及，如果需要，它们相关的逻辑传输），以及与设备之间的物理链路相关的参数的更新。它控制链路层状态机处于准备、广播、监听/扫描、发起连接、已连接五种状态之一。
主机控制接口层（Host Controller Interface，HCI）
HCI 层向主机和控制器提供一个标准化的接口。该层可以由软件 API 实现或者使用硬件接口 UART、SPI、USB 来控制。
通用访问配置文件层（Generic access profile，GAP）
GAP 层代表所有蓝牙设备通用的基本功能，例如传输、协议和应用程序配置文件使用的模式和访问程序。GAP 服务包括设备发现、连接模式、安全、身份验证、关联模型和服务发现。
逻辑链路控制及自适应协议层（Logical Link Control and Adaptation Protocol，L2CAP）
L2CAP 层负责对主机和协议栈之间交换的数据进行协议复用能力、分段和重组操作。
安全管理层（Security Manager，SM）
SMP 层用于生成加密密钥和身份密钥。SMP 还管理加密密钥和身份密钥的存储，并负责生成随机地址并将随机地址解析为已知设备身份。
属性协议层（Attribute protocol，ATT）
简单来说，ATT层用来定义用户命令及命令操作的数据，比如读取某个数据或者写某个数据。BLE引入了attribute概念，用来描述一条一条的数据。Attribute除了定义数据，同时定义该数据可以使用的ATT命令，因此这一层被称为ATT层。
通用属性配置文件层（Generic Attribute profile，GATT）
GATT 层表示属性服务器和可选的属性客户端的功能。该配置文件描述了属性服务器中使用的服务、特征和属性的层次结构。该层提供用于发现、读取、写入和指示服务特性和属性的接口。

三.ESP32-C3中的蓝牙功能

ESP32-C3支持Bluetooth 5（LE）。下载好固件之后（我们前面下载的固件已经支持wifi和蓝牙了）， STM32仍然可以通过AT指令操作蓝牙。
BLE角色划分:
LL：设备可以划分为主机和从机，从机广播，主机可以发起连接。
GAP：定义了 4 种特定角色：广播者、观察者、外围设备和中心设备。
GATT：设备可以分为服务端和客户端。

1.广播

广播是指从机（服务器）每经过一个时间间隔发送一次广播数据包，这个时间间隔称为广播间隔，这个广播动作叫做广播事件，只有当从机处于广播状态时，主机（客户端）才能发现该从机（服务器）。
在每个广播事件中，广播包会分别在37、38和39三个信道上依次广播，如下图所示。
在这里插入图片描述
广播数据包一般包含可读的设备名称，设备是否可连接等信息。

2.扫描

扫描是主机监听从机广播数据包和发送扫描请求的过程，主机通过扫描，可以获取到从机的广播包以及扫描回应数据包，主机可以对已扫描到的从机设备发起连接请求，从而连接从机设备并通信。

3.通讯

主从之间的通信是通过GATT的Profile来完成的，Profile可以理解为配置，数据格式等。
从机作为GATT的Server端，用来定义和存储Profile。Profile包含一个或者多个Service，每个Service又包含一个或者多个Characteristic，Characteristic是主从通信的最小单元。
主机作为GATT的Client端，用来发现和获取从机的Service和Characteristic，从而与之通信。
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关于服务 Service和特征值Characteristic的概念。每个服务和特征值都有自己的唯一标识 UUID，标准UUID为128位，蓝牙协议栈中一般采用16位，也就是两个字节的UUID格式。
一个从机设备包括一个或者多个服务；一个服务中又可以包括一条或者多条特征值，每个特征值都有自己的属性 Property，属性的取值有：可读 Read，可写 Write 以及通知 Notify。

四.发送和接收

ESP32C3发送AT指令使用蓝牙功能。
蓝牙初始化：

void Inf_ESP32_BLE_Init(void)
{
    /* 0. 关闭wifi功能(清理wifi驱动) */
    Inf_ESP32_SendCmd("AT+CWINIT=0\r\n");

    /* 1. 初始化为服务器模式 */
    Inf_ESP32_SendCmd("AT+BLEINIT=2\r\n");

    /* 2. 创建服务 */
    Inf_ESP32_SendCmd("AT+BLEGATTSSRVCRE\r\n");

    /* 3. 开启提供的所有服务 */
    Inf_ESP32_SendCmd("AT+BLEGATTSSRVSTART\r\n");

    /* 4. 设置广播参数 */
    Inf_ESP32_SendCmd("AT+BLEADVPARAM=50,50,0,0,7,0,,\r\n");

    /* 5. 自动广播参数设置 */
    Inf_ESP32_SendCmd("AT+BLEADVDATAEX=\"ble-teacher\",\"A102\",\"0112030405\",1\r\n");

    /* 6. 开始广播 */
    Inf_ESP32_SendCmd("AT+BLEADVSTART\r\n");

    /* 透传模式: 必须等待有客户端连接之后才能开启.
        连接之前可以先设置一下 透传 的一些参数

     */
    /* 7. 设置透传的一些参数 */
    Inf_ESP32_SendCmd("AT+BLESPPCFG=1,1,7,1,5\r\n");
}

发送数据：
直接使用Transmit。

void Inf_ESP32_BLE_SendData(uint8_t data[], uint16_t dataLen)
{
    if(dataLen == 0) return;
    HAL_UART_Transmit(&huart2, data, dataLen, 2000);
}

接收数据：

/*
当连接成功之后:
    +BLECONN:0,"7f:b3:6a:19:f4:35"  开启透传

    +BLECONNPARAM:0,0,0,6,0,500

    +WRITE:0,1,7,1,2,
    +BLECONNPARAM:0,0,0,40,0,500
选择服务和特征:
    +WRITE:0,1,7,1,2,
    +WRITE:0,1,7,1,2,
    +WRITE:0,1,7,1,2,
    +WRITE:0,1,7,1,2,
传送数据:
    +WRITE:0,1,5,,4,abcd

关闭连接的时候:
    +BLEDISCONN:0,"41:74:6e:e5:05:a8"

*/
void Inf_ESP32_BLE_ReadData(uint8_t data[], uint16_t *dataLen)
{
    *dataLen = 0;

    if(rxSize == 0) return;

    /* 开始对数据进行解析处理 */
    if(strstr((char *)rxBuff, "+BLECONN:")) /* 表示有客户端连接进来 */
    {
        /* 开启透传模式 */
        printf("有客户端连接,准备开启透传...\r\n");
        Inf_ESP32_SendCmd("AT+BLESPP\r\n");
        printf("透传开启成功...\r\n");
    }
    else if(strstr((char *)rxBuff, "+BLEDISCONN:"))
    {
        /* 如果连接断开, 应该关闭透传模式 */
        printf("客户端退出,关闭透传模式 \r\n");
        HAL_UART_Transmit(&huart2, "+++", 3, 2000);
        HAL_Delay(1500);
        /* 重新广播 */
        printf("重新开始广播\r\n");
        Inf_ESP32_SendCmd("AT+BLEADVSTART\r\n");
    }
    else if(strstr((char *)rxBuff, "+BLECONNPARAM:") || strstr((char *)rxBuff, "+WRITE"))
    {
        /* 什么都不做 */
    }
    else
    {
        /* 真正的透传数据 */
        memcpy(data, rxBuff, rxSize);
        *dataLen = rxSize;
    }

    memset(rxBuff, 0, rxSize);
    rxSize = 0;
}