目录
1、简介
2、BLE 的主要特点
3、BLE 协议架构
4、BLE 角色划分
5、BLE 数据收发
5.1 广播方式
5.2 广播报文
最近在做有关低功耗蓝牙 BLE 的项目，还是有必要整理一下 BLE 的资料。在树莓派连接低功耗蓝牙 BLE 用 C 语言实现已经实现，前期的准备这个折磨了我好久，网上关于这个的资料很少，大部分都是用 Python 来实现的，但是作为一名嵌入式工程师，我们还是得必须使用 C 语言来实现，所以我就开启了阅读源码的道路。本人第一次从源码中提取自己想要的 API 刚开始确实有点难度，踩过很多的坑，但是天不负有心人，只要坚持最终还是有所成就的！请相信自己。
蓝牙（Bluetooth）是一种短距离的无线通讯技术，运行在 2.4GHz 免费频段，可实现固定设备、移动设备之间的数据交换。一般蓝牙 3.0 之前的 BR/EDR 蓝牙称为经典蓝牙，而将蓝牙 4.0 规范下的 LE 蓝牙称为低功耗蓝牙（BLE, Bluetooth Low Energy）。BLE 主要用于医疗保健、运动健身、信标、安防、家庭娱乐等邻域的新兴应用。相较经典蓝牙，低功耗蓝牙旨在保持同等通信范围的同时显著降低低功耗和成本。
Bluetooth LE 协议栈从下至上分为几个层级：Physical Layer（PHY）、Link Layer（LL）、Host Controller Interface（HCI）、Logical Link Control and Adaption Protocol Layer（L2CAP）、Attribute Protocol（ATT）、Security Manager Protocol（SMP）、Generic Attribute Protocol（GATT）、Generic Access Protocol（GAP）。
在 Bluetooth LE 协议栈中不同的层级有不同的角色划分。这些角色划分互不影响。
当主机和从机建立连接之后才能相互互发数据
另外还有观察者（Observer）和广播者（Broadcaster），这两种角色不常使用，但也十分有用，例如 iBeacon，就可以使用广播者角色来做，只需要广播特定内容即可。
GATT 其实是一种属性传输协议，简单的讲可以认为是一种属性传输的应用协议。这个属性 的结构非常简单。它由服务组成，每个服务由不同数量的特征组成，每个特征又由很多其他的元素组成。
GATT 服务端 和 GATT 客户端这两种角色存在于 Bluetooth LE 连接建立之后。GATT 服务器存储通过属性协议传输的数据，并接受来自 GATT 客户端的属性协议请求、命令和确认。简而言之，通提供数据的一端称为 GATT 服务端，访问数据的一端称为 GATT 客户端。
上面整个数据包有以下问题：
有了 PHY，LL 和 GAP ，就可以发送广播包，但广播包携带的信息极其有限，而且还有如下几大限制：
而连接则可以很好解决上述问题。
到底什么叫连接（connect）？像有线UART，很容易理解，就是用线（Rx和Tx等）把设备A和设备B相连，即为理解。用“线”把两个设备相连，实际是让2个设备有共同的通信媒介，并让两者时钟同步起来。
一个完整的BLE 广播报文由四部分组成，分别是前导码、接入地址、协议数据单元（PDU）和CRC校验码。
PDU 数据报头（2个字节）由下面几个字段组成：
公有地址和私有地址的区别（为什么说这个呢？因为接下的项目中我们需要连接 BLE ，会涉及到这个地址的连接类型 dst_type 的选择，还是有必要了解一下的）
为了连接到 BLE 设备，我们首先需要扫描发现设备。其中一种方法是使用 hcitool 实用程序，它基本上是所有 HCI 命令（经典蓝牙和 BLE）的“瑞士刀”。经典蓝牙的扫描使用 scan，而 BLE 设备的扫描则使用 lescan。
pi@raspberrypi:~ $ sudo hcitool -i hci0 lescan
LE Scan ...
A0:76:4E:59:12 ESP32
... ....pi@raspberrypi:~ $ sudo hcitool leinfo A0:76:4E:59:12
Requesting information ...Handle: 64 (0x0040)Features: 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00在上面的扫描过程中，我们会发现 ESP32 BLE 设备，这是因为我们在 ESP32 BLE 中设定的广播报文里含有设备名。
BLE 如何开启广播模式请参考官方文档，这里就不多说了。
hcitool 命令不是操作 GATT 的工具，通过它我们扫描发现 BLE 设备的地址后，就可以使用gatttool 命令来连接并操纵 BLE 设备的 GATT。该命令支持交互式和非交互式两种工作模式，在交互模式下，控制台提供了一个界面，使您可以发出命令并与设备进行交互，您将需要时再退出返回到终端。
使用下面命令可以用来连接、断开蓝牙 BLE。
pi@raspberrypi:~ $ gatttool -I -i hci0 -b A0:76:4E:59:12-I 进入交互模式
-i 指定蓝牙的接口设备，如果不指定默认使用 hci0
-b 指定连接的蓝牙设备的MAC地址[A0:76:4E:59:12][LE]> help //查看使用帮助信息
... ...[A0:76:4E:59:12][LE]> connect //有时第1此可能connect 不成功，多connect几次就ok
Attempting to connect to A0:76:4E:59:12
Error: connect to A0:76:4E:59:12: Function not implemented (38)[A0:76:4E:59:12][LE]> connect
Attempting to connect to A0:76:4E:59:12
Connection successful[A0:76:4E:59:12][LE]> disconnect //断开BLE蓝牙设备的连接
(gatttool:2362): GLib-WARNING **: 10:07:24.803: Invalid file descriptor.[A0:76:4E:59:12][LE]> exit //退出交互模式pi@raspberrypi:~ $
使用 primary 命令可以查看当前蓝牙设备提供的所有的服务。
[A0:76:4E:59:12][LE]> connect
Attempting to connect to A0:76:4E:59:12
Connection successful[A0:76:4E:59:12][LE]> primary //发现BLE的GATT服务，这里有3个服务，最后1个为自定义服务
attr handle: 0x0001, end grp handle: 0x0005 uuid: 00001801-0000-1000-8000-00805f9b34fb
attr handle: 0x0014, end grp handle: 0x001c uuid: 00001800-0000-1000-8000-00805f9b34fb
attr handle: 0x0028, end grp handle: 0xffff uuid: 0000abf0-0000-1000-8000-00805f9b34fb其中：
不同的设备可能会不太一样。
使用 characteristics 命令可以查看当前蓝牙设备提供的所有的characteristics。每个特征值都有一个独一无二的 UUID 值，同时也有一个相应的 handle 值，它是在使用命令或编程访问特征值时的句柄。每个特征值也有它的相应属性，如可读、可写等。
[A0:76:4E:59:12][LE]> characteristics
handle: 0x0002, char properties: 0x20, char value handle: 0x0003, uuid:00002a05-0000-1000-8000-00805f9b34fb
handle: 0x0015, char properties: 0x02, char value handle: 0x0016, uuid:00002a00-0000-1000-8000-00805f9b34fb
handle: 0x0017, char properties: 0x02, char value handle: 0x0018, uuid:00002a01-0000-1000-8000-00805f9b34fb
handle: 0x0019, char properties: 0x02, char value handle: 0x001a, uuid:00002aa6-0000-1000-8000-00805f9b34fb
handle: 0x0029, char properties: 0x06, char value handle: 0x002a, uuid:0000abf1-0000-1000-8000-00805f9b34fb
handle: 0x002b, char properties: 0x12, char value handle: 0x002c, uuid:0000abf2-0000-1000-8000-00805f9b34fb
handle: 0x002e, char properties: 0x06, char value handle: 0x002f, uuid:0000abf3-0000-1000-8000-00805f9b34fb
handle: 0x0030, char properties: 0x12, char value handle: 0x0031, uuid:0000abf4-0000-1000-8000-00805f9b34fb使用 char-read-uuid 命令可以读取某个 characteristics 值。
[A0:76:4E:59:12][LE]> characteristics 0x0001 0x001c //查找标准服务里的所有特征值
handle: 0x0002, char properties: 0x20, char value handle: 0x0003, uuid:00002a05-0000-1000-8000-00805f9b34fb
handle: 0x0015, char properties: 0x02, char value handle: 0x0016, uuid:00002a00-0000-1000-8000-00805f9b34fb[A0:76:4E:59:12][LE]> char-read-uuid 00002a05-0000-1000-8000-00805f9b34fb //该特征值不具备可读属性，所以读取失败
Error: Read characteristics by UUID failed: Attribute can't be read[A0:76:4E:59:12][LE]> char-read-uuid 00002a00-0000-1000-8000-00805f9b34fb //该特征值可读
handle: 0x0016 value: 45 53 50 33 32 //("ESP32")[A0:76:4E:59:12][LE]> char-read-hnd 0x0016 //使用 handle 来读取该特征值的 handle(注意是0x0016，而不是0x0015)
Characteristic value/descriptor: 45 53 50 33 32 我们可以使用 char-write-req 命令来写相应的数据。
[A0:76:4E:59:12][LE]> char-read-hnd 0x002f
Characteristic value/descriptor: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00[A0:76:4E:59:12][LE]> char-write-req 0x002f 11223344
Characteristic value was written successfully[A0:76:4E:59:12][LE]> char-read-hnd 0x002f
Characteristic value/descriptor: 11 22 33 44从上面的操作中我们可以了解到 BLE通信就是对相应的特征值进行读、写操作。但通常数据的读写都是由主机(如手机)发起。那如果蓝牙从机(如ESP32)有数据更新(如传感器重新采样了)，那如何通知主机来读取呢？对于这种情形的话，蓝牙BLE支持 Notification 机制，如果主机选择使能该机制之后，从机的数据更新将会主动发送给主机。
gatttool 的交互模式下并不能读到这些数据。如果想实时获取 Notification 的数据 话，则需要使用 gatttool 非交互模式来监听。
pi@raspberrypi:~ $ gatttool -I -i hci0 -b A0:76:4E:59:12
... ...[A0:76:4E:59:12][LE]> exit
(gatttool:2467): GLib-WARNING **: 14:52:01.698: Invalid file descriptor.pi@raspberrypi:~ $ sudo gatttool -i hci0 -b A0:76:4E:59:12 --char-write-req -a 0x002d -n 0100//此时在 BLE 控制终端随便输入一些数据，树莓派的 gatttool 命令下将会显示收到的数据。下面这个代码 BLE 的 MAC 地址和 uuid 都要改成自己设备的，使用到了 BlueZ 库 和 Gattlib 库，具体的后续在说(这阵子实在没有充足的时间来对这个项目进行总结，如果你有什么疑惑的地方可以私聊我，或者直接留言)。
这个 demo 可以自己再改进一下，锻炼一下自己的编程能力。
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <glib.h>
#include <gattlib.h>
#include <bluetooth/bluetooth.h>
#include <bluetooth/hci.h>
#include <bluetooth/hci_lib.h>#define BLE_SCAN_TIMEOUT 5
#define bleaddr "A0:76:4E:55:ED:B2" //target BLE device BT-MAC addr !!uppercase!! charactersconst char * write_uuid = "c303";//any esp32 writable characteristic uuid
static uuid_t uuid;//be used to change type :wrtite_uuid(char) to uuid(uuid_t) /*扫描回调函数*/
static void BLE_discovered_callback(void *adapter,const char* addr, const char* name, void* user_data) //regular scanning
{if(name){printf("BLE Discovered %s - '%s'n", addr, name);}else{printf("BLE Discovered %s - 'unknown'n", addr);}return ;
}int main(int argc, char** argv)
{int rv,i;void * adapter ; const char * adapter_name = NULL; //if NULL ,hci0 be choiced default in my situationchar uuid_str[MAX_LEN_UUID_STR + 1]; //MAX_LEN_UUID_STR =37 gatt_connection_t * conn = NULL; rv = gattlib_adapter_open(adapter_name,&adapter); //open the Pi bt-device based on the dapter_name,if adapter_name is NULL,default Pi bt-device will be chose(hci0 in this situation) if(rv){printf("adapter open failedn");return 1;}rv = gattlib_adapter_scan_enable(adapter,BLE_discovered_callback,BLE_SCAN_TIMEOUT,NULL);//gattlib_adapter_scan_enable_with_filter()if (rv) { printf("Failed to scan.n");return -1;}if(gattlib_adapter_scan_disable(adapter) != GATTLIB_SUCCESS){printf("Error: end scan failed,ready to find AD infonn");return -1;}puts("Scan completedn");printf("start to connnect ...n");conn = gattlib_connect(NULL,bleaddr, GATTLIB_CONNECTION_OPTIONS_LEGACY_DEFAULT);if (conn == NULL) {printf("Fail to connect to the bluetooth device : %sn",bleaddr);return 1;}printf("coonect to BLE devices : %s sucess n",bleaddr);memset(&uuid_str,0,sizeof(uuid_str));strncpy(uuid_str,write_uuid,sizeof(uuid_str));if (gattlib_string_to_uuid(uuid_str, strlen(uuid_str) + 1, &uuid) < 0) {printf("string to uuid_t failed n");return -1;}for(i=49;i<54;i++) //十进制的49 对应ascii码的31，即字符'1'{rv = gattlib_write_without_response_char_by_uuid(conn,&uuid,(uint8_t*)&i,1);if (rv != GATTLIB_SUCCESS) {if(rv == GATTLIB_NOT_FOUND){printf("Could not find GATT Characteristic with UUID %s");return -1;}else{printf("Error while writing GATT Characteristic with UUID %s (ret:%d)",uuid_str, rv);return -2;}}sleep(1);}gattlib_disconnect(conn);if(gattlib_adapter_close(adapter) != GATTLIB_SUCCESS) {printf("adapter close failedn");}printf("nnormally exitn");return 0;}
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