一、简介

1.1 低功耗蓝牙（BLE）协议栈

链路层（LL） 控制设备的射频状态，有五个设备状态：待机、广播、扫描、初始化和连接。

广播 为广播数据包，而 扫描 则是监听广播。

GAP通信中角色，中心设备（Central - 主机） 用来扫描和连接 外围设备（Peripheral - 从机）。

大部分情况下外围设备通过广播自己来让中心设备发现自己，并建立 GATT 连接，从而进行更多的数据交换。

也有些情况是不需要连接的，只要外设广播自己的数据即可，用这种方式主要目的是让外围设备，把自己的信息发送给多个中心设备。

1.2 通用属性协议（GATT）

GATT是用Attribute Protocal(属性协议)定义的一个service(服务)框架。这个框架定义了Services以及它们的Characteristics的格式和规程。规程就是定义了包括发现、读、写、通知、指示以及配置广播的characteristics。

为实现配置文件(Profile)的设备定义了两种角色：Client(客户端)、Server(服务器)。esp32的ble一般就处于Server模式。

一旦两个设备建立了连接，GATT就开始发挥效用，同时意味着GAP协议管理的广播过程结束了。

1.2.1 Profile（规范）

profile 可以理解为一种规范，建立的蓝牙应用任务，蓝牙任务实际上分为两类：标准蓝牙任务规范 profile（公有任务），非标准蓝牙任务规范 profile（私有任务）。

• 标准蓝牙任务规范 profile：指的是从蓝牙特别兴趣小组 SIG 的官网上已经发布的 GATT 规范列表，包括警告通知（alert notification），血压测量（blood pressure），心率（heart rate），电池（battery）等等。它们都是针对具体的低功耗蓝牙的应用实例来设计的。目前蓝牙技术联盟还在不断的制定新的规范，并且发布。

• 非标准蓝牙任务规范 profile：指的是供应商自定义的任务，在蓝牙 SIG 小组内未定义的任务规范。

1.2.2 Service（服务）

service 可以理解为一个服务，在 BLE 从机中有多个服务，例如：电量信息服务、系统信息服务等；
每个 service 中又包含多个 characteristic 特征值；
每个具体的 characteristic 特征值才是 BLE 通信的主题，比如当前的电量是 80%，电量的 characteristic 特征值存在从机的 profile 里，这样主机就可以通过这个 characteristic 来读取 80% 这个数据。
GATT 服务一般包含几个具有相关的功能，比如特定传感器的读取和设置，人机接口的输入输出。组织具有相关的特性到服务中既实用又有效，因为它使得逻辑上和用户数据上的边界变得更加清晰，同时它也有助于不同应用程序间代码的重用。

1.2.3 Characteristic（特征）

characteristic 特征，BLE 主从机的通信均是通过 characteristic 来实现，可以理解为一个标签，通过这个标签可以获取或者写入想要的内容。

1.2.4 UUID（通用唯一识别码）

uuid 通用唯一识别码，我们刚才提到的 service 和 characteristic 都需要一个唯一的 uuid 来标识；
每个从机都会有一个 profile，不管是自定义的 simpleprofile，还是标准的防丢器 profile，他们都是由一些 service 组成，每个 service 又包含了多个 characteristic，主机和从机之间的通信，均是通过characteristic来实现。

1.3 ESP32蓝牙应用结构

蓝牙是⼀种短距通信系统，其关键特性包括鲁棒性、低功耗、低成本等。蓝牙系统分为两种不同的技术：经典蓝牙 (Classic Bluetooth) 和蓝牙低功耗 (Bluetooth Low Energy)。
ESP32 支持双模蓝牙，即同时支持经典蓝牙和蓝牙低功耗。

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。ESP32 可以支持上述两种方式。

1.4 Bluedroid主机架构

在 ESP-IDF 中，使用经过大量修改后的 BLUEDROID 作为蓝牙主机 (Classic BT + BLE)。BLUEDROID 拥有较为完善的功能，⽀持常用的规范和架构设计，同时也较为复杂。经过大量修改后，BLUEDROID 保留了大多数 BTA 层以下的代码，几乎完全删去了 BTIF 层的代码，使用了较为精简的 BTC 层作为内置规范及 Misc 控制层。修改后的 BLUEDROID 及其与控制器之间的关系如下图：

1.5 ESP32的GATT服务器服务表示例

使用类似表格的数据结构来定义服务器服务和特性，因此，它展示了一种定义服务器的实用方法功能集中在一处，而不是一一添加服务和特性。

二、API说明

以下控制器和虚拟 HCI 接口位于 bt/include/esp32/include/esp_bt.h。

2.1 esp_bt_controller_mem_release

2.2 esp_bt_controller_init

2.3 esp_bt_controller_enable

以下 GATT 接口位于 bt/host/bluedroid/api/include/api/esp_bt_main.h 和 bt/host/bluedroid/api/include/api/esp_gatts_api.h。

2.4 esp_bluedroid_init

2.5 esp_bluedroid_enable

2.6 esp_ble_gatts_register_callback

2.7 esp_ble_gatts_app_register

2.8 esp_ble_gatts_create_service

2.9 esp_ble_gatts_add_char

2.10 esp_ble_gatts_add_char_descr

2.11 esp_ble_gatts_start_service

2.12 esp_ble_gatts_send_indicate

2.13 esp_ble_gatts_send_response

2.14 esp_ble_gatts_get_attr_value

三、蓝牙4.0通信实现过程

扫描蓝牙BLE终端设备，对应esp32就是广播给大家供扫描

连接蓝牙BLE终端设备，pad扫描到后去连接

启动服务发现，连接到esp32后获取相应的服务。

连接成功后，我们就要去寻找我们所需要的服务，这里需要先启动服务发现。

获取Characteristic

之前我们说过，我们的最终目的就是获取Characteristic来进行通信，正常情况下，我们可以从硬件工程师那边得到serviceUUID和characteristicUUID，也就是我们所比喻的班级号和学号，以此来获得我们的characteristic。

开始通信

我们在得到Characteristic后，就可以开始读写操作进行通信了。

a. 对于读操作来说，读取BLE终端设备返回的数据会通过回调方法mGattCallback中的onCharacteristicChanged函数返回。

b. 对于写操作来说，可以通过向Characteristic写入指令以此来达到控制BLE终端设备的目的

四、Demo程序GATT启动流程

使用 esp-idfexamplesbluetoothbluedroidblegatt_server_service_table 中的例程

.........//esp_bt_controller_config_t是蓝牙控制器配置结构体，这里使用了一个默认的参数

    esp_bt_controller_config_t bt_cfg = BT_CONTROLLER_INIT_CONFIG_DEFAULT();

    //初始化蓝牙控制器，此函数只能被调用一次，且必须在其他蓝牙功能被调用之前调用

    ret = esp_bt_controller_init(&bt_cfg);

    if (ret) {

        ESP_LOGE(GATTS_TABLE_TAG, '%s enable controller failed: %s', __func__, esp_err_to_name(ret));

        return;

    }

    //使能蓝牙控制器，mode是蓝牙模式，如果想要动态改变蓝牙模式不能直接调用该函数，

    //应该先用disable关闭蓝牙再使用该API来改变蓝牙模式

    ret = esp_bt_controller_enable(ESP_BT_MODE_BLE);

    if (ret) {

        ESP_LOGE(GATTS_TABLE_TAG, '%s enable controller failed: %s', __func__, esp_err_to_name(ret));

        return;

    }

    //初始化蓝牙并分配系统资源，它应该被第一个调用

    /*

    蓝牙栈bluedroid stack包括了BT和BLE使用的基本的define和API

    初始化蓝牙栈以后并不能直接使用蓝牙功能，

    还需要用FSM管理蓝牙连接情况

    */

    ret = esp_bluedroid_init();

    if (ret) {

        ESP_LOGE(GATTS_TABLE_TAG, '%s init bluetooth failed: %s', __func__, esp_err_to_name(ret));

        return;

    }

    //使能蓝牙栈

    ret = esp_bluedroid_enable();

    if (ret) {

        ESP_LOGE(GATTS_TABLE_TAG, '%s enable bluetooth failed: %s', __func__, esp_err_to_name(ret));

        return;

    }

    //建立蓝牙的FSM（有限状态机）

    //这里使用回调函数来控制每个状态下的响应，需要将其在GATT和GAP层的回调函数注册

    /*gatts_event_handler和gap_event_handler处理蓝牙栈可能发生的所有情况，达到FSM的效果*/

    ret = esp_ble_gatts_register_callback(gatts_event_handler);

    if (ret){

        ESP_LOGE(GATTS_TAG, 'gatts register error, error code = %x', ret);

        return;

    }

    ret = esp_ble_gap_register_callback(gap_event_handler);

    if (ret){

        ESP_LOGE(GATTS_TAG, 'gap register error, error code = %x', ret);

        return;

    }

    //下面创建了BLE GATT服务A，相当于1个独立的应用程序

    ret = esp_ble_gatts_app_register(PROFILE_A_APP_ID);

    if (ret){

        ESP_LOGE(GATTS_TAG, 'gatts app register error, error code = %x', ret);

        return;

    }

    //下面创建了BLE GATT服务B，相当于1个独立的应用程序

    ret = esp_ble_gatts_app_register(PROFILE_B_APP_ID);

    if (ret){

        ESP_LOGE(GATTS_TAG, 'gatts app register error, error code = %x', ret);

        return;

    }

    /*

    设置了MTU的值(经过MTU交换，从而设置一个PDU中最大能够交换的数据量)。

    例如：主设备发出一个1000字节的MTU请求，但是从设备回应的MTU是500字节，那么今后双方要以较小的值500字节作为以后的MTU。

    即主从双方每次在做数据传输时不超过这个最大数据单元。

    */

    esp_err_t local_mtu_ret = esp_ble_gatt_set_local_mtu(500);

    if (local_mtu_ret){

        ESP_LOGE(GATTS_TAG, 'set local  MTU failed, error code = %x', local_mtu_ret);

    }.......

五、服务数据结构体设置

一个GATT 服务器应用程序架构(由Application Profiles组织起来)如下：

每个Profile定义为一个结构体，结构体成员依赖于该Application Profile 实现的services服务和characteristic特征。结构体成员还包括GATT interface(GATT 接口)、Application ID(应用程序ID)和处理profile事件的回调函数。

每个profile包括GATT interface(GATT 接口)、Application ID(应用程序ID)、 Connection ID(连接ID)、Service Handle(服务句柄)、Service ID(服务ID)、Characteristic handle(特征句柄)、Characteristic UUID(特征UUID)、ATT权限、Characteristic Properties、描述符句柄、描述符UUID。

如果Characteristic支持通知(notifications)或指示(indicatons)，它就必须是实现CCCD(Client Characteristic Configuration Descriptor)----这是额外的ATT。描述符有一个句柄和UUID。如：

struct gatts_profile_inst {

    esp_gatts_cb_t gatts_cb;       //GATT的回调函数

    uint16_t gatts_if;             //GATT的接口

    uint16_t app_id;               //应用的ID

    uint16_t conn_id;              //连接的ID

    uint16_t service_handle;       //服务Service句柄

    esp_gatt_srvc_id_t service_id; //服务Service ID

    uint16_t char_handle;          //特征Characteristic句柄

    esp_bt_uuid_t char_uuid;       //特征Characteristic的UUID

    esp_gatt_perm_t perm;          //特征属性Attribute 授权

    esp_gatt_char_prop_t property; //特征Characteristic的特性

    uint16_t descr_handle;         //描述descriptor句柄

    esp_bt_uuid_t descr_uuid;      //描述descriptorUUID    };

配置文件Application Profile存储在heart_rate_profile_tab数组中，由于本示例中只有一个配置文件，因此一个元素存储在数组中，索引为零，如HEART_PROFILE_APP_IDX。此外，还初始化了配置文件事件处理程序回调函数gatts_profile_event_handler。GATT 服务端上的不同应用程序使用不同的接口，由 gatts_if 参数表示。对于初始化，此参数设置为ESP_GATT_IF_NONE，这意味着应用程序配置文件尚未链接到任何客户端。

/* One gatt-based profile one app_id and one gatts_if, this array will store the gatts_if returned by ESP_GATTS_REG_EVT */static struct gatts_profile_inst gl_profile_tab[PROFILE_NUM] = {

    [PROFILE_A_APP_ID] = {

        .gatts_cb = gatts_profile_a_event_handler,

        .gatts_if = ESP_GATT_IF_NONE,       /* Not get the gatt_if, so initial is ESP_GATT_IF_NONE */

    },

    [PROFILE_B_APP_ID] = {

        .gatts_cb = gatts_profile_b_event_handler,                   /* This demo does not implement, similar as profile A */

        .gatts_if = ESP_GATT_IF_NONE,       /* Not get the gatt_if, so initial is ESP_GATT_IF_NONE */

    },};

这是两个元素的数组。可以用Application ID来注册Application Profiles，Application ID是由应用程序分配的用来标识每个Profile。 通过这种方法，可以在一个Server中拥有多个Application Profile。

esp_ble_gatts_app_register (PROFILE_A_APP_ID);esp_ble_gatts_app_register (PROFILE_B_APP_ID);

六、GATT事件处理程序

其作用就是建立了蓝牙GATT的FSM（有限状态机），callback回调函数处理从BLE堆栈推送到应用程序的所有事件。

回调函数的参数:

event： esp_gatts_cb_event_t 这是一个枚举类型，表示调用该回调函数时的事件(或蓝牙的状态)

gatts_if： esp_gatt_if_t (uint8_t) 这是GATT访问接口类型，通常在GATT客户端上不同的应用程序用不同的gatt_if(不同的Application profile对应不同的gatts_if) ，调用esp_ble_gatts_app_register()时，注册Application profile 就会有一个gatts_if。

param： esp_ble_gatts_cb_param_t 指向回调函数的参数，是个联合体类型，不同的事件类型采用联合体内不同的成员结构体。

static void gatts_event_handler(esp_gatts_cb_event_t event, esp_gatt_if_t gatts_if, esp_ble_gatts_cb_param_t *param){

    /*如果事件是注册事件，则为每个配置文件存储 gatts_if */

    if (event == ESP_GATTS_REG_EVT) {

        if (param->reg.status == ESP_GATT_OK) {