「電子DIY」使用ESP32的BLE功能

最美麗的特征之一ESP32已經(jīng)超過了ESP-12e事實上，除了WiFi，它還有另外兩個通訊模塊。ESP32配備車載經(jīng)典藍(lán)牙和低功耗藍(lán)牙技術(shù)模塊。在今天的教程中，我們將探討如何在項目中使用ESP-32上的藍(lán)牙低能耗模塊。

藍(lán)牙協(xié)議可以分為兩種類型：經(jīng)典藍(lán)牙和較新的藍(lán)牙低能量協(xié)議（也稱為藍(lán)牙4.0）。這兩種協(xié)議在2.4ghz ISM頻段內(nèi)工作，但它們都具有不同的數(shù)據(jù)速率、不同的功耗速率，并針對不同的應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。藍(lán)牙低能量（blue）的誕生是為了克服傳統(tǒng)藍(lán)牙的缺陷，它有點不適合用于物聯(lián)網(wǎng)和電池供電的智能設(shè)備，后者只需要在特定的時間間隔發(fā)送短時間的數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)藍(lán)牙的連續(xù)數(shù)據(jù)流不同，BLE的設(shè)計僅消耗傳統(tǒng)藍(lán)牙設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)時所消耗的能量的一小部分，而不傳輸數(shù)據(jù)時則保持睡眠模式。這使得BLE設(shè)備更省電，更適合物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品和其他電池供電的智能設(shè)備，這些設(shè)備通常希望在一次電池充電時盡可能長時間使用。

下圖顯示了兩種藍(lán)牙類型之間的詳細(xì)比較。

BLE與經(jīng)典藍(lán)牙

BLE設(shè)備運行動態(tài)的一個缺點是消息傳遞系統(tǒng)的復(fù)雜性或健壯性（取決于您如何看待它）。在經(jīng)典藍(lán)牙中，串行端口協(xié)議（SPP）通常用于在設(shè)備之間發(fā)送數(shù)據(jù)，因為通信發(fā)生時沒有太多開銷，但是對于BLE，通信期間的數(shù)據(jù)是使用GATT（通用屬性）的配置文件來組織的。

在兩個BLE設(shè)備之間的通信中，基本上有兩個協(xié)議是重要的；差距和關(guān)貿(mào)總協(xié)定. 理解這兩個工作原理對于編程設(shè)備通過BLE協(xié)議進(jìn)行通信非常重要。

GAP協(xié)議

GAP是通用訪問配置文件，它控制藍(lán)牙中的連接和廣告（使設(shè)備可見并為連接打開）。它定義了設(shè)備在通信中扮演的角色，還確定了如何廣播廣告（或掃描，取決于設(shè)備角色）負(fù)載。

基于GAP，BLE器件基本上可以發(fā)揮兩種作用；中央設(shè)備和外圍設(shè)備 . these two devices are the ble's representation for the more popular words顧客 Holmium and holmium服務(wù)器“分別說。外圍設(shè)備通常是由電池供電的小型設(shè)備，它們廣播廣告數(shù)據(jù)，等待來自準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)有效載荷的中央設(shè)備的連接。在基于物聯(lián)網(wǎng)的解決方案中，外圍設(shè)備通常是傳感器等，而中央設(shè)備通常是網(wǎng)關(guān)、智能手機(jī)等。在連接之前，通用接入配置文件將持續(xù)廣播廣告有效載荷，直到出現(xiàn)匹配的掃描響應(yīng)。一旦外圍設(shè)備和中央設(shè)備之間建立了連接，廣告過程將停止，并且您通常不再能夠發(fā)送廣告包，此時，關(guān)貿(mào)總協(xié)定服務(wù)和特性的作用是促進(jìn)雙向交流。

GATT協(xié)定

關(guān)貿(mào)總協(xié)定是通用屬性配置文件它定義了兩個藍(lán)牙低能耗設(shè)備如何使用稱為服務(wù)和特征的概念在彼此之間來回傳輸數(shù)據(jù)。它使用一種稱為屬性協(xié)議（attributeprotocol，ATT）的通用數(shù)據(jù)協(xié)議，將服務(wù)、特征和相關(guān)數(shù)據(jù)存儲在一個簡單的查找表中，對表中的每個條目使用16位id。關(guān)貿(mào)總協(xié)定分層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括三個主要要素；配置文件 ,服務(wù)，和特點 .

GATT協(xié)定

配置文件是預(yù)定義的服務(wù)集合它是由藍(lán)牙SIG或外圍設(shè)計人員編譯的。例如，在心率監(jiān)視器中，心率配置文件可以包括心率服務(wù)、電池壽命服務(wù)和設(shè)備信息服務(wù)。一份正式通過的關(guān)貿(mào)總協(xié)定的清單是可用的在這里 .

服務(wù)用于將數(shù)據(jù)分組到邏輯實體中，并包含稱為特征的特定數(shù)據(jù)塊. 一個服務(wù)可以有一個或多個特征，每個服務(wù)通過一個稱為UUID的唯一數(shù)字ID來區(qū)別于其他服務(wù)，UUID可以是16位（對于正式采用的BLE服務(wù)）或128位（對于定制服務(wù)）。正式采用的BLE服務(wù)的完整列表可以在Bluetooth開發(fā)人員門戶的服務(wù)頁面上看到。為了更好地理解服務(wù)是如何工作的，再次考慮心率示例，它可以包含多達(dá)3個特征，其中正式采用的服務(wù)例如，包括：心率測量、身體傳感器位置和心率控制點。因此，本質(zhì)上是對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分組的服務(wù)。

特征是關(guān)貿(mào)總協(xié)定結(jié)構(gòu)中最底層的概念。它封裝了一個數(shù)據(jù)點，就像服務(wù)一樣，它使用一個唯一的數(shù)字ID（UUID）來區(qū)別于其他特征。特征是在兩個設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)的主要容器。

說到這里，今天的教程將展示如何將ESP32設(shè)置為顧客（中央設(shè)備）和as服務(wù)器（外圍設(shè)備）。為了正確演示，我們將使用兩個ESP32板。其中一塊板將被編程為充當(dāng)服務(wù)器，具有發(fā)送隨機(jī)數(shù)據(jù)的特性，而另一塊ESP32板將被編程為BLE掃描儀來查找服務(wù)器。

1. 必須是ESP32 DevKit（2個）

2. 電源組/電池

正如導(dǎo)言中提到的，我們只需要ESP32模塊，因為它已經(jīng)具備了項目所需的全部功能。powerbank有助于在獨立模式下輕松地為Devkit供電。您可以通過添加傳感器將實時數(shù)據(jù)發(fā)送到中心設(shè)備來輕松修改本教程。

我們將只使用ESP32板，所以沒有示意圖，我們直接去項目的代碼。

因為我們不會連接任何組件，所以讓我們直接跳到代碼。如引言中所述，我們將把ESP32設(shè)置為客戶機(jī)和服務(wù)器。我們需要一張又一張的素描，這意味著我們需要一張又一張。

需要注意的是，此項目的代碼將使用Arduino IDE編寫，如果您的IDE沒有安裝ESP 32 Arduino板包，則無法上載代碼。此安裝、下載和安裝Arduino的ESP32板文件在我們的ESP32教程簡介. 一定要檢查一下

一旦安裝了線路板文件，它會自動將幾個ESP32庫加載到Arduino IDE中。今天教程中的兩個草圖都將嚴(yán)重依賴于其中的一個庫 ESP32 BLE Arduino庫. 這個庫由函數(shù)和聲明組成，這些函數(shù)和聲明使得通過復(fù)雜的協(xié)議（至少比串行協(xié)議更復(fù)雜）發(fā)送數(shù)據(jù)，比如BLE。

BLE服務(wù)器草圖

我將從BLE服務(wù)器開始對這兩個草圖做一個簡短的解釋。BLE服務(wù)器的算法遵循上述介紹中的解釋。我們首先創(chuàng)建一個BLE服務(wù)，然后在該服務(wù)下創(chuàng)建BLE特征，然后在特征下創(chuàng)建BLE描述符。然后我們啟動服務(wù)并開始廣告，以便掃描BLE設(shè)備時可以看到設(shè)備。

我們通過在bleaduino庫中導(dǎo)入代碼所需的庫來開始繪制草圖。

#include <BLEDevice.h>

#include <BLEUtils.h>

#include <BLEServer.h>

接下來，我們提供 UUID系統(tǒng)服務(wù)和特點。這些uuid可以通過以下網(wǎng)站生成 UUID發(fā)生器

#define SERVICE_UUID "4fafc201-1fb5-459e-8fcc-c5c9c331914b"

#define CHARACTERISTIC_UUID "beb5483e-36e1-4688-b7f5-ea07361b26a8"

接下來，我們編寫無效設(shè)置（）功能。我們首先初始化串行通信以用于調(diào)試目的，然后創(chuàng)建 氣泡裝置類并將對象設(shè)置為服務(wù)器。

void setup() {

Serial.begin(115200);

Serial.println("Starting BLE work!");

BLEDevice::init("Long name works now");

BLEServer *pServer = BLEDevice::createServer();

接下來，我們?yōu)榉?wù)器創(chuàng)建一個服務(wù)和一個服務(wù)特征，在這兩種情況下都指定了UUID。還指定了特征屬性（在本例中是讀和寫）。

BLEService *pService = pServer->createService(SERVICE_UUID);

BLECharacteristic *pCharacteristic = pService->createCharacteristic(

CHARACTERISTIC_UUID,

BLECharacteristic::PROPERTY_READ |

BLECharacteristic::PROPERTY_WRITE

);

接下來，我們?yōu)樘卣髟O(shè)置一個值。如前所述，我們將在本教程中使用一個隨機(jī)值，但這可能是一個傳感器值，或者您希望發(fā)送給客戶機(jī)的任何其他信息。

pCharacteristic->setValue("Hello World says Neil");

最后，我們啟動服務(wù)，設(shè)置廣告參數(shù)，并開始發(fā)送廣告負(fù)載。

pService->start();

// BLEAdvertising *pAdvertising = pServer->getAdvertising(); // this still is working for backward compatibility

BLEAdvertising *pAdvertising = BLEDevice::getAdvertising();

pAdvertising->addServiceUUID(SERVICE_UUID);

pAdvertising->setScanResponse(true);

pAdvertising->setMinPreferred(0x06); // functions that help with iPhone connections issue

pAdvertising->setMinPreferred(0x12);

BLEDevice::startAdvertising();

對于這個演示，我們將留空循環(huán)部分，但您可以選擇在其中執(zhí)行進(jìn)一步的任務(wù)。您可以瀏覽bleaduino庫下的所有示例以更好地理解。

void loop() {

// put your main code here, to run repeatedly:

}

服務(wù)器的完整代碼在下面提供，它也附在教程末尾的下載部分。

/*

Based on Neil Kolban example for IDF: https://github.com/nkolban/esp32-snippets/blob/master/cpp_utils/tests/BLE%20Tests/SampleServer.cpp

Ported to Arduino ESP32 by Evandro Copercini

*/

#include <BLEDevice.h>

#include <BLEUtils.h>

#include <BLEServer.h>

// See the following for generating UUIDs:

// https://www.uuidgenerator.net/

#define SERVICE_UUID "4fafc201-1fb5-459e-8fcc-c5c9c331914b"

#define CHARACTERISTIC_UUID "beb5483e-36e1-4688-b7f5-ea07361b26a8"

void setup() {

Serial.begin(115200);

Serial.println("Starting BLE work!");

BLEDevice::init("Long name works now");

BLEServer *pServer = BLEDevice::createServer();

BLEService *pService = pServer->createService(SERVICE_UUID);

BLECharacteristic *pCharacteristic = pService->createCharacteristic(

CHARACTERISTIC_UUID,

BLECharacteristic::PROPERTY_READ |

BLECharacteristic::PROPERTY_WRITE

);

pCharacteristic->setValue("Hello World says Neil");

pService->start();

// BLEAdvertising *pAdvertising = pServer->getAdvertising(); // this still is working for backward compatibility

BLEAdvertising *pAdvertising = BLEDevice::getAdvertising();

pAdvertising->addServiceUUID(SERVICE_UUID);

pAdvertising->setScanResponse(true);

pAdvertising->setMinPreferred(0x06); // functions that help with iPhone connections issue

pAdvertising->setMinPreferred(0x12);

BLEDevice::startAdvertising();

Serial.println("Characteristic defined! Now you can read it in your phone!");

}

void loop() {

// put your main code here, to run repeatedly:

delay(2000);

}

BLE掃描儀草圖

在ESP 32 BLE Arduino庫中提供了與服務(wù)器草圖類似的掃描儀草圖示例。

像往常一樣，我們從包含所需庫開始繪制草圖。

#include <BLEDevice.h>

#include <BLEUtils.h>

#include <BLEScan.h>

#include <BLEAdvertisedDevice.h>

接下來，我們指示掃描有效負(fù)載廣播和創(chuàng)建布萊斯掃描班級

int scanTime = 5; //In seconds

BLEScan* pBLEScan;

接下來，我們編寫無效設(shè)置（）功能。我們首先初始化串行監(jiān)視器，然后初始化BLE，它會自動激活ESP32上的BLE模塊。參數(shù)設(shè)置為空，因為我們不需要設(shè)備的名稱。

void setup() {

Serial.begin(115200);

Serial.println("Scanning...");

BLEDevice::init("");

把設(shè)置（）函數(shù)，我們調(diào)用scan函數(shù)，設(shè)置掃描所需的所有參數(shù)。

pBLEScan = BLEDevice::getScan(); //create new scan

pBLEScan->setAdvertisedDeviceCallbacks(new MyAdvertisedDeviceCallbacks());

pBLEScan->setActiveScan(true); //active scan uses more power, but get results faster

pBLEScan->setInterval(100);

pBLEScan->setWindow(99); // less or equal setInterval value

}

接下來，我們編寫無效循環(huán)（）功能。背后的算法無效循環(huán)（）函數(shù)用于簡單地檢查是否找到任何設(shè)備，并將這些設(shè)備打印在其編號旁邊。結(jié)果被清除，循環(huán)重新開始。

void loop() {

// put your main code here, to run repeatedly:

BLEScanResults foundDevices = pBLEScan->start(scanTime, false);

Serial.print("Devices found: ");

Serial.println(foundDevices.getCount());

Serial.println("Scan done!");

pBLEScan->clearResults(); // delete results fromBLEScan buffer to release memory

delay(2000);

}

掃描器的完整代碼如下所示，并附在下載部分下的zip文件中。

/*

Based on Neil Kolban example for IDF: https://github.com/nkolban/esp32-snippets/blob/master/cpp_utils/tests/BLE%20Tests/SampleScan.cpp

Ported to Arduino ESP32 by Evandro Copercini

*/

#include <BLEDevice.h>

#include <BLEUtils.h>

#include <BLEScan.h>

#include <BLEAdvertisedDevice.h>

int scanTime = 5; //In seconds

BLEScan* pBLEScan;

class MyAdvertisedDeviceCallbacks: public BLEAdvertisedDeviceCallbacks {

void onResult(BLEAdvertisedDevice advertisedDevice) {

Serial.printf("Advertised Device: %s n", advertisedDevice.toString().c_str());

}

};

void setup() {

Serial.begin(115200);

Serial.println("Scanning...");

BLEDevice::init("");

pBLEScan = BLEDevice::getScan(); //create new scan

pBLEScan->setAdvertisedDeviceCallbacks(new MyAdvertisedDeviceCallbacks());

pBLEScan->setActiveScan(true); //active scan uses more power, but get results faster

pBLEScan->setInterval(100);

pBLEScan->setWindow(99); // less or equal setInterval value

}

void loop() {

// put your main code here, to run repeatedly:

BLEScanResults foundDevices = pBLEScan->start(scanTime, false);

Serial.print("Devices found: ");

Serial.println(foundDevices.getCount());

Serial.println("Scan done!");

pBLEScan->clearResults(); // delete results fromBLEScan buffer to release memory

delay(2000);

}

復(fù)制代碼并粘貼到Arduino IDE中（或從示例文件啟動代碼），然后一個接一個地將服務(wù)器草圖上載到指定為服務(wù)器的板上，并將掃描儀代碼上載到指定為掃描儀的板上。要使此演示生效，兩塊板都需要“打開”，因為如果服務(wù)器“關(guān)閉”，客戶端將無法看到服務(wù)器，因此您可以將其中兩塊板保持連接到您的PC，或者將服務(wù)器連接到電源組或任何其他電源。排序后，啟動串行監(jiān)視器，確保它設(shè)置為客戶端連接的串行端口。幾秒鐘后，您將看到找到的藍(lán)牙設(shè)備的數(shù)量以及串行監(jiān)視器上顯示的名稱。

今天的教程到此為止。你可以通過將一個傳感器連接到BLE服務(wù)器并在另一個ESP32板上運行BLE客戶端示例來立即擴(kuò)展項目，或者最好還是使用支持BLE設(shè)備的移動應(yīng)用程序與服務(wù)器交互。BLE是目前智能設(shè)備中使用最廣泛的通信方法之一，我希望本教程能為您提供在您自己的項目中使用它所需的信息。

像往常一樣，請隨時通過評論區(qū)與我聯(lián)系，提出關(guān)于本教程的問題或一般性意見。