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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：
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。 4. 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。 5. 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-idf\examples\bluetooth\bluedroid\ble\gatt_server 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_TAG, "%s initialize controller failed: %s\n", __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_TAG, "%s enable controller failed: %s\n", __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_TAG, "%s init bluetooth failed: %s\n", __func__, esp_err_to_name(ret));
return;
}
//使能蓝牙栈
ret = esp_bluedroid_enable();
if (ret) {
ESP_LOGE(GATTS_TAG, "%s enable bluetooth failed: %s\n", __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
};
Application Profile存储在数组中，并分配相应的回调函数gatts_profile_a_event_handler() 和 gatts_profile_b_event_handler()。GATT 客户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) {
gl_profile_tab[param->reg.app_id].gatts_if = gatts_if;
} else {
ESP_LOGI(GATTS_TAG, "Reg app failed, app_id %04x, status %d\n",
param->reg.app_id,
param->reg.status);
return;
}
}
/*如果 gatts_if 等于 profile A，则调用 profile A cb handler，
* 所以这里调用每个 profile 的回调*/
do {
int idx;
for (idx = 0; idx < PROFILE_NUM; idx++) {
if (gatts_if == ESP_GATT_IF_NONE || /* ESP_GATT_IF_NONE, not specify a certain gatt_if, need to call every profile cb function */
gatts_if == gl_profile_tab[idx].gatts_if) {
if (gl_profile_tab[idx].gatts_cb) {
gl_profile_tab[idx].gatts_cb(event, gatts_if, param);
}
}
}
} while (0);
}
七、注册创建服务
当调用esp_ble_gatts_app_register()注册一个应用程序Profile(Application Profile)，将触发ESP_GATTS_REG_EVT事件，除了可以完成对应profile的gatts_if的注册,还可以调用esp_bel_create_attr_tab()来创建profile Attributes 表或创建一个服务esp_ble_gatts_create_service()。
static void gatts_profile_b_event_handler(esp_gatts_cb_event_t event, esp_gatt_if_t gatts_if, esp_ble_gatts_cb_param_t *param) {
switch (event) {
case ESP_GATTS_REG_EVT:
ESP_LOGI(GATTS_TAG, "REGISTER_APP_EVT, status %d, app_id %d\n", param->reg.status, param->reg.app_id);
gl_profile_tab[PROFILE_B_APP_ID].service_id.is_primary = true;
gl_profile_tab[PROFILE_B_APP_ID].service_id.id.inst_id = 0x00;
gl_profile_tab[PROFILE_B_APP_ID].service_id.id.uuid.len = ESP_UUID_LEN_16;
gl_profile_tab[PROFILE_B_APP_ID].service_id.id.uuid.uuid.uuid16 = GATTS_SERVICE_UUID_TEST_B;
esp_ble_gatts_create_service(gatts_if, &gl_profile_tab[PROFILE_B_APP_ID].service_id, GATTS_NUM_HANDLE_TEST_B);
break;
…
}
句柄数定义为4：
#define GATTS_NUM_HANDLE_TEST_B 4
句柄是：
- 服务句柄
GATTS_SERVICE_UUID_TEST_B 0x00EE - 特征手柄
GATTS_CHAR_UUID_TEST_B 0xEE01 - 特征值句柄
- 特征描述符句柄
GATTS_DESCR_UUID_TEST_B 0x2222
该服务被定义为具有 16 位 UUID 长度的主要服务。服务 ID 使用实例 ID = 0 和由 定义的 UUID 进行初始化GATTS_SERVICE_UUID_TEST_A。
服务实例 ID 可用于区分具有相同 UUID 的多个服务。在此示例中，由于每个应用程序配置文件只有一个服务并且服务具有不同的 UUID，因此在配置文件 A 和 B 中可以将服务实例 ID 定义为 0。但是，如果只有一个应用程序配置文件具有两个服务使用相同的 UUID，则有必要使用不同的实例 ID 来引用一个或另一个服务。
demo中的gatts_event_handler()回调函数—调用esp_ble_gatts_app_register()，触发ESP_GATTS_REG_EVT时，完成对每个profile 的gatts_if 的注册。
gl_profile_tab[param->reg.app_id].gatts_if = gatts_if;
如果gatts_if == 某个Profile的gatts_if时，调用对应profile的回调函数处理事情。
if (gatts_if == ESP_GATT_IF_NONE || /* ESP_GATT_IF_NONE, not specify a certain gatt_if, need to call every profile cb function */
gatts_if == gl_profile_tab[idx].gatts_if) {
if (gl_profile_tab[idx].gatts_cb) {
gl_profile_tab[idx].gatts_cb(event, gatts_if, param);
}
}
八、启动服务和创建特征
8.1 启动服务
当一个服务service创建成功后，由该profile GATT handler 管理的 ESP_GATTS_CREATE_EVT事件被触发，在这个事件可以启动服务和添加特征characteristics到服务中。调用esp_ble_gatts_start_service()来启动指定服务。
case ESP_GATTS_CREATE_EVT:
ESP_LOGI(GATTS_TAG, "CREATE_SERVICE_EVT, status %d, service_handle %d\n", param->create.status, param->create.service_handle);
gl_profile_tab[PROFILE_A_APP_ID].service_handle = param->create.service_handle;
gl_profile_tab[PROFILE_A_APP_ID].char_uuid.len = ESP_UUID_LEN_16;
gl_profile_tab[PROFILE_A_APP_ID].char_uuid.uuid.uuid16 = GATTS_CHAR_UUID_TEST_A;
esp_ble_gatts_start_service(gl_profile_tab[PROFILE_A_APP_ID].service_handle);
a_property = ESP_GATT_CHAR_PROP_BIT_READ | ESP_GATT_CHAR_PROP_BIT_WRITE | ESP_GATT_CHAR_PROP_BIT_NOTIFY;
esp_err_t add_char_ret =
esp_ble_gatts_add_char(gl_profile_tab[PROFILE_A_APP_ID].service_handle,
&gl_profile_tab[PROFILE_A_APP_ID].char_uuid,
ESP_GATT_PERM_READ | ESP_GATT_PERM_WRITE,
a_property,
&gatts_demo_char1_val,
NULL);
if (add_char_ret){
ESP_LOGE(GATTS_TAG, "add char failed, error code =%x",add_char_ret);
}
break;
首先，由BLE堆栈生成生成的服务句柄(service handle)存储在配置文件Profile表中，应用层将用服务句柄来引用这个服务。调用esp_ble_gatts_start_service()和先前产生服务句柄来启动服务。
8.2 创建特征
Characteristic是在GATT规范中最小的逻辑数据单元，由一个Value和多个描述特性的Desciptior组成。实际上，在与蓝牙设备打交道，主要就是读写Characteristic的value来完成。 同样的，Characteristic也是通过16bit或128bit的UUID唯一标识。
我们根据蓝牙设备的协议用对应的Characteristci进行读写即可达到与其通信的目的。
添加特征到service中，调用esp_ble_gatts_add_char()来添加characteristics连同characteristic权限和property(属性)到服务service中。
权限：
ESP_GATT_PERM_READ: 允许读取特征值ESP_GATT_PERM_WRITE: 允许写入特征值
特性：
ESP_GATT_CHAR_PROP_BIT_READ: 可以读取特性ESP_GATT_CHAR_PROP_BIT_WRITE: 特征可写ESP_GATT_CHAR_PROP_BIT_NOTIFY: 特性可以通知值的变化
同时拥有读写权限和属性似乎是多余的。但是，属性的读写属性是向客户端显示的信息，目的是让客户端知道服务器是否接受读写请求。从这个意义上说，这些属性充当客户端正确访问服务器资源的提示。另一方面，权限是授予客户端读取或写入该属性的授权。例如，如果客户端尝试写入它没有写入权限的属性，即使设置了写入属性，服务器也会拒绝该请求。
此外，demo还为表示特征提供了一个初始值gatts_demo_char1_val。初始值定义如下：
#define GATTS_DEMO_CHAR_VAL_LEN_MAX 0x40
uint8_t char1_str[] = {0x11,0x22,0x33};
esp_attr_value_t gatts_demo_char1_val =
{
. attr_max_len = GATTS_DEMO_CHAR_VAL_LEN_MAX,
. attr_len = sizeof (char1_str),
. attr_value = char1_str,
};
特征初始值必须是非空对象并且特征长度必须始终大于零，否则堆栈将返回错误。
最后，特性被配置为每次读取或写入特性时都需要手动发送响应，而不是让堆栈自动响应。这是通过将esp_ble_gatts_add_char()函数的最后一个参数（表示属性响应控制参数）设置为ESP_GATT_RSP_BY_APP或 NULL 来配置的。
七、创建特征描述符
当特征添加到service中成功时，触发ESP_GATTS_ADD_CHAR_EVT事件。该事件返回由堆栈为刚刚添加的特征生成的句柄。该事件包括以下参数：
esp_gatt_status_t状态； /* !< 操作状态*/
uint16_t attr_handle; /* !< 特征属性句柄*/
uint16_t service_handle; /* !< 服务属性句柄*/
esp_bt_uuid_t char_uuid; /* !< 特征 uuid */
事件返回的属性句柄存储在配置文件表中，并且还设置了特征描述符长度和 UUID。使用该esp_ble_gatts_get_attr_value()函数读取特征长度和值，然后打印以供参考。最后，使用该esp_ble_gatts_add_char_descr()函数添加特征描述。使用的参数是服务句柄、描述符 UUID、写入和读取权限、初始值和自动响应设置。特征描述符的初始值可以是空指针，自动响应参数也设置为空，这意味着需要响应的请求必须手动回复。
case ESP_GATTS_ADD_CHAR_EVT: {
uint16_t length = 0;
const uint8_t *prf_char;
ESP_LOGI(GATTS_TAG, "ADD_CHAR_EVT, status %d, attr_handle %d, service_handle %d\n",
param->add_char.status, param->add_char.attr_handle, param->add_char.service_handle);
gl_profile_tab[PROFILE_A_APP_ID].char_handle = param->add_char.attr_handle;
gl_profile_tab[PROFILE_A_APP_ID].descr_uuid.len = ESP_UUID_LEN_16;
gl_profile_tab[PROFILE_A_APP_ID].descr_uuid.uuid.uuid16 = ESP_GATT_UUID_CHAR_CLIENT_CONFIG;
esp_err_t get_attr_ret = esp_ble_gatts_get_attr_value(param->add_char.attr_handle, &length, &prf_char);
if (get_attr_ret == ESP_FAIL){
ESP_LOGE(GATTS_TAG, "ILLEGAL HANDLE");
}
ESP_LOGI(GATTS_TAG, "the gatts demo char length = %x\n", length);
for(int i = 0; i < length; i++){
ESP_LOGI(GATTS_TAG, "prf_char[%x] = %x\n",i,prf_char[i]);
}
esp_err_t add_descr_ret = esp_ble_gatts_add_char_descr(
gl_profile_tab[PROFILE_A_APP_ID].service_handle,
&gl_profile_tab[PROFILE_A_APP_ID].descr_uuid,
ESP_GATT_PERM_READ | ESP_GATT_PERM_WRITE,
NULL,NULL);
if (add_descr_ret){
ESP_LOGE(GATTS_TAG, "add char descr failed, error code = %x", add_descr_ret);
}
break;
}
添加描述符后，将ESP_GATTS_ADD_CHAR_DESCR_EVT触发事件，在此示例中用于打印信息消息。
case ESP_GATTS_ADD_CHAR_DESCR_EVT:
ESP_LOGI(GATTS_TAG, "ADD_DESCR_EVT, status %d, attr_handle %d, service_handle %d\n",
param->add_char.status, param->add_char.attr_handle,
param->add_char.service_handle);
break;
九、连接事件
9.1 更新连接参数
一个ESP_GATTS_CONNECT_EVT当客户端已连接到服务器GATT被触发。此事件用于更新连接参数，例如延迟、最小连接间隔、最大连接间隔和超时。连接参数存储在一个esp_ble_conn_update_params_t结构中，然后传递给esp_ble_gap_update_conn_params()函数。更新连接参数过程只需执行一次，因此配置文件 B 连接事件处理程序不包含该esp_ble_gap_update_conn_params()函数。最后，事件返回的连接 ID 存储在配置文件表中。
配置文件 A 连接事件：
case ESP_GATTS_CONNECT_EVT: {
esp_ble_conn_update_params_t conn_params = {0};
memcpy(conn_params.bda, param->connect.remote_bda, sizeof(esp_bd_addr_t));
/* For the IOS system, please reference the apple official documents about the ble connection parameters restrictions. */
conn_params.latency = 0;
conn_params.max_int = 0x30; // max_int = 0x30*1.25ms = 40ms
conn_params.min_int = 0x10; // min_int = 0x10*1.25ms = 20ms
conn_params.timeout = 400; // timeout = 400*10ms = 4000ms
ESP_LOGI(GATTS_TAG, "ESP_GATTS_CONNECT_EVT, conn_id %d, remote %02x:%02x:%02x:%02x:%02x:%02x:, is_conn %d",
param->connect.conn_id,
param->connect.remote_bda[0],
param->connect.remote_bda[1],
param->connect.remote_bda[2],
param->connect.remote_bda[3],
param->connect.remote_bda[4],
param->connect.remote_bda[5],
param->connect.is_connected);
gl_profile_tab[PROFILE_A_APP_ID].conn_id = param->connect.conn_id;
//start sent the update connection parameters to the peer device.
esp_ble_gap_update_conn_params(&conn_params);
break;
}
配置文件 B 连接事件：
case ESP_GATTS_CONNECT_EVT:
ESP_LOGI(GATTS_TAG, "CONNECT_EVT, conn_id %d, remote %02x:%02x:%02x:%02x:%02x:%02x:, is_conn %d\n",
param->connect.conn_id,
param->connect.remote_bda[0],
param->connect.remote_bda[1],
param->connect.remote_bda[2],
param->connect.remote_bda[3],
param->connect.remote_bda[4],
param->connect.remote_bda[5],
param->connect.is_connected);
gl_profile_tab[PROFILE_B_APP_ID].conn_id = param->connect.conn_id;
break;
该esp_ble_gap_update_conn_params()函数触发一个 GAP 事件ESP_GAP_BLE_UPDATE_CONN_PARAMS_EVT，用于打印连接信息：
case ESP_GAP_BLE_UPDATE_CONN_PARAMS_EVT:
ESP_LOGI(GATTS_TAG, "update connection params status = %d, min_int = %d, max_int = %d,
conn_int = %d,latency = %d, timeout = %d",
param->update_conn_params.status,
param->update_conn_params.min_int,
param->update_conn_params.max_int,
param->update_conn_params.conn_int,
param->update_conn_params.latency,
param->update_conn_params.timeout);
break;
9.2 确定MTU大小
当有手机(client客户端)连上server时，触发ESP_GATTS_MTU_EVT事件，其打印如下图所示
ESP_GATTS_MTU_EVT事件对应的回调函数中参数param的结构体为gatts_mtu_evt_param（包括连接id和MTU大小）
/**
* @brief ESP_GATTS_MTU_EVT
*/
struct gatts_mtu_evt_param {
uint16_t conn_id; /*!< Connection id */
uint16_t mtu; /*!< MTU size */
} mtu; /*!< Gatt server callback param of ESP_GATTS_MTU_EVT */
在例子中设置本地的MTU大小为500，代码如下所示：
esp_err_t local_mtu_ret = esp_ble_gatt_set_local_mtu(500); 如上所述，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150字节的MTU请求，但是从设备回应的MTU是23字节，那么今后双方要以较小的值23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。 MTU交换通常发生在主从双方建立连接后。MTU比较小，就是为什么BLE不能传输大数据的原因所在。
参照一分钟读懂低功耗(BLE)MTU交换数据包 这篇文章就可以了解MTU交换过程。
MTU交换请求用于client通知server关于client最大接收MTU大小并请求server响应它的最大接收MTU大小。
Client的接收MTU 应该大于或等于默认ATT_MTU(23).这个请求已建立连接就由client发出。这个Client Rx MTU参数应该设置为client可以接收的attribute protocol PDU最大尺寸。
MTU交换应答发送用于接收到一个Exchange MTU请求
这个应答由server发出，server的接收MTU必须大于或等于默认ATT_MTU大小。这里的Server Rx MTU应该设置为 服务器可以接收的attribute protocol PDU 最大尺寸。
Server和Client应该设置ATT_MTU为Client Rx MTU和Server Rx MTU两者的较小值。
这个ATT_MTU在server在发出这个应答后，在发其他属性协议PDU之前生效；在client收到这个应答并在发其他属性协议PDU之前生效。
十、管理读取事件
现在已经创建并启动了服务和特征，程序可以接收读写事件。读取操作由ESP_GATTS_READ_EVT事件表示，它具有以下参数：
uint16_t conn_id; /* !< 连接 ID */
uint32_t trans_id; /* !< 传输 ID */
esp_bd_addr_t bda; /* !< 读取的蓝牙设备地址*/
uint16_t handle; /* !< 属性句柄*/
uint16_t offset; /* !< 值的偏移量，如果值太长*/
bool is_long; /* !< 值是否过长*/
bool need_rsp; /*!<读操作需要做响应*/
demo中，响应是用虚拟数据构造的，并使用事件给定的相同句柄发送回主机。除了响应之外，GATT 接口、连接 ID 和传输 ID 也作为参数包含在esp_ble_gatts_send_response()函数中。如果在创建特征或描述符时将自动响应字节设置为 NULL，则此功能是必需的。
case ESP_GATTS_READ_EVT: {
ESP_LOGI(GATTS_TAG, "GATT_READ_EVT, conn_id %d, trans_id %d, handle %d\n",
param->read.conn_id, param->read.trans_id, param->read.handle);
esp_gatt_rsp_t rsp;
memset(&rsp, 0, sizeof(esp_gatt_rsp_t));
rsp.attr_value.handle = param->read.handle;
rsp.attr_value.len = 4;
rsp.attr_value.value[0] = 0xde;
rsp.attr_value.value[1] = 0xed;
rsp.attr_value.value[2] = 0xbe;
rsp.attr_value.value[3] = 0xef;
esp_ble_gatts_send_response(gatts_if,
param->read.conn_id,
param->read.trans_id,
ESP_GATT_OK, &rsp);
break;
}
十一、管理写入事件
写入事件由事件表示ESP_GATTS_WRITE_EVT，它具有以下参数：
uint16_t conn_id; /* !< 连接 ID */
uint32_t trans_id; /* !< 传输 ID */
esp_bd_addr_t bda; /* !< 写入的蓝牙设备地址*/
uint16_t handle; /* !< 属性句柄*/
uint16_t offset; /* !< 值的偏移量，如果值太长*/
bool need_rsp; /* !< 写操作需要做响应*/
bool is_prep; /*!< 这个写操作是prepare write */
uint16_t len; /* !< 写入属性值长度*/
uint8_t *value; /* !< 写入属性值*/
demo中实现了两种类型的写事件，写特征值和写长特征值。当特征值可以容纳在一个属性协议最大传输单元 (ATT MTU) 中时，使用第一种类型的写入，该单元通常为 23 字节长。当要写入的属性长于单个 ATT 消息中可以发送的属性时使用第二种类型，通过使用准备写入响应将数据分成多个块，然后使用执行写入请求来确认或取消完整的写入请求. 此行为在蓝牙规范版本 4.2，第 3 卷，G 部分，第 4.9 节中定义。写长特征消息流如下图所示。
当触发写入事件时，此示例打印日志消息，然后执行example_write_event_env()函数。
case ESP_GATTS_WRITE_EVT: {
ESP_LOGI(GATTS_TAG, "GATT_WRITE_EVT, conn_id %d, trans_id %d, handle %d\n", param->write.conn_id, param->write.trans_id, param->write.handle);
if (!param->write.is_prep){
ESP_LOGI(GATTS_TAG, "GATT_WRITE_EVT, value len %d, value :", param->write.len);
esp_log_buffer_hex(GATTS_TAG, param->write.value, param->write.len);
if (gl_profile_tab[PROFILE_B_APP_ID].descr_handle == param->write.handle && param->write.len == 2){
uint16_t descr_value= param->write.value[1]<<8 | param->write.value[0];
if (descr_value == 0x0001){
if (b_property & ESP_GATT_CHAR_PROP_BIT_NOTIFY){
ESP_LOGI(GATTS_TAG, "notify enable");
uint8_t notify_data[15];
for (int i = 0; i < sizeof(notify_data); ++i)
{
notify_data[i] = i%0xff;
}
//the size of notify_data[] need less than MTU size
esp_ble_gatts_send_indicate(gatts_if, param->write.conn_id,
gl_profile_tab[PROFILE_B_APP_ID].char_handle,
sizeof(notify_data),
notify_data, false);
}
}else if (descr_value == 0x0002){
if (b_property & ESP_GATT_CHAR_PROP_BIT_INDICATE){
ESP_LOGI(GATTS_TAG, "indicate enable");
uint8_t indicate_data[15];
for (int i = 0; i < sizeof(indicate_data); ++i)
{
indicate_data[i] = i % 0xff;
}
//the size of indicate_data[] need less than MTU size
esp_ble_gatts_send_indicate(gatts_if, param->write.conn_id,
gl_profile_tab[PROFILE_B_APP_ID].char_handle,
sizeof(indicate_data),
indicate_data, true);
}
}
else if (descr_value == 0x0000){
ESP_LOGI(GATTS_TAG, "notify/indicate disable ");
}else{
ESP_LOGE(GATTS_TAG, "unknown value");
}
}
}
example_write_event_env(gatts_if, &a_prepare_write_env, param);
break;
}
该example_write_event_env()函数包含写长特征过程的逻辑：
void example_write_event_env(esp_gatt_if_t gatts_if, prepare_type_env_t *prepare_write_env, esp_ble_gatts_cb_param_t *param){
esp_gatt_status_t status = ESP_GATT_OK;
if (param->write.need_rsp){
if (param->write.is_prep){
if (prepare_write_env->prepare_buf == NULL){
prepare_write_env->prepare_buf = (uint8_t *)malloc(PREPARE_BUF_MAX_SIZE*sizeof(uint8_t));
prepare_write_env->prepare_len = 0;
if (prepare_write_env->prepare_buf == NULL) {
ESP_LOGE(GATTS_TAG, "Gatt_server prep no mem\n");
status = ESP_GATT_NO_RESOURCES;
}
} else {
if(param->write.offset > PREPARE_BUF_MAX_SIZE) {
status = ESP_GATT_INVALID_OFFSET;
}
else if ((param->write.offset + param->write.len) > PREPARE_BUF_MAX_SIZE) {
status = ESP_GATT_INVALID_ATTR_LEN;
}
}
esp_gatt_rsp_t *gatt_rsp = (esp_gatt_rsp_t *)malloc(sizeof(esp_gatt_rsp_t));
gatt_rsp->attr_value.len = param->write.len;
gatt_rsp->attr_value.handle = param->write.handle;
gatt_rsp->attr_value.offset = param->write.offset;
gatt_rsp->attr_value.auth_req = ESP_GATT_AUTH_REQ_NONE;
memcpy(gatt_rsp->attr_value.value, param->write.value, param->write.len);
esp_err_t response_err = esp_ble_gatts_send_response(gatts_if, param->write.conn_id,
param->write.trans_id, status, gatt_rsp);
if (response_err != ESP_OK){
ESP_LOGE(GATTS_TAG, "Send response error\n");
}
free(gatt_rsp);
if (status != ESP_GATT_OK){
return;
}
memcpy(prepare_write_env->prepare_buf + param->write.offset,
param->write.value,
param->write.len);
prepare_write_env->prepare_len += param->write.len;
}else{
esp_ble_gatts_send_response(gatts_if, param->write.conn_id, param->write.trans_id, status, NULL);
}
}
}
当客户端发送写请求或准备写请求时，服务器应响应。但是，如果客户端发送 Write without Response 命令，则服务器不需要回复响应。这是在写入过程中通过检查 的值来检查的write.need_rsp parameter。如果需要响应，程序继续做响应准备，如果不存在，客户端不需要响应，因此程序结束。响应的话会影响数据传输速度，在需要大数据量的场合是否合适需要试验？
void example_write_event_env(esp_gatt_if_t gatts_if, prepare_type_env_t *prepare_write_env,
esp_ble_gatts_cb_param_t *param){
esp_gatt_status_t status = ESP_GATT_OK;
if (param->write.need_rsp){
…
然后该函数检查是否write.is_prep设置了由 表示的 Prepare Write Request 参数，这意味着客户端正在请求 Write Long Characteristic。如果存在，该过程继续准备多个写响应，如果不存在，则服务器简单地发回单个写响应。
…
if (param->write.is_prep){
…
}else{
esp_ble_gatts_send_response(gatts_if, param->write.conn_id, param->write.trans_id, status, NULL);
}
…
为了处理长特征写入，定义并实例化了一个准备缓冲区结构：
typedef struct {
uint8_t *prepare_buf;
int prepare_len;
} prepare_type_env_t;
static prepare_type_env_t a_prepare_write_env;
static prepare_type_env_t b_prepare_write_env;
为了使用准备缓冲区，为其分配了一些内存空间。如果由于内存不足导致分配失败，则会打印错误：
else {
if(param->write.offset > PREPARE_BUF_MAX_SIZE) {
status = ESP_GATT_INVALID_OFFSET;
}
else if ((param->write.offset + param->write.len) > PREPARE_BUF_MAX_SIZE) {
status = ESP_GATT_INVALID_ATTR_LEN;
}
}
该过程现在准备esp_gatt_rsp_t要发送回客户端的类型响应。它使用写入请求的相同参数构造的响应，例如长度、句柄和偏移量。另外，写入该特性所需的GATT认证类型设置为ESP_GATT_AUTH_REQ_NONE，这意味着客户端可以写入该特性而无需先进行身份验证。一旦发送响应，分配给它使用的内存就会被释放。
esp_gatt_rsp_t *gatt_rsp = (esp_gatt_rsp_t *)malloc(sizeof(esp_gatt_rsp_t));
gatt_rsp->attr_value.len = param->write.len;
gatt_rsp->attr_value.handle = param->write.handle;
gatt_rsp->attr_value.offset = param->write.offset;
gatt_rsp->attr_value.auth_req = ESP_GATT_AUTH_REQ_NONE;
memcpy(gatt_rsp->attr_value.value, param->write.value, param->write.len);
esp_err_t response_err = esp_ble_gatts_send_response(gatts_if, param->write.conn_id,
param->write.trans_id, status, gatt_rsp);
if (response_err != ESP_OK){
ESP_LOGE(GATTS_TAG, "Send response error\n");
}
free(gatt_rsp);
if (status != ESP_GATT_OK){
return;
}
最后，传入的数据被复制到创建的缓冲区中，其长度按偏移量递增：
case ESP_GATTS_EXEC_WRITE_EVT:
ESP_LOGI(GATTS_TAG,"ESP_GATTS_EXEC_WRITE_EVT");
esp_ble_gatts_send_response(gatts_if, param->write.conn_id, param->write.trans_id, ESP_GATT_OK, NULL);
example_exec_write_event_env(&a_prepare_write_env, param);
break;
我们来看看Executive Write函数：
void example_exec_write_event_env(prepare_type_env_t *prepare_write_env, esp_ble_gatts_cb_param_t *param){
if (param->exec_write.exec_write_flag == ESP_GATT_PREP_WRITE_EXEC){
esp_log_buffer_hex(GATTS_TAG, prepare_write_env->prepare_buf, prepare_write_env->prepare_len);
}
else{
ESP_LOGI(GATTS_TAG,"ESP_GATT_PREP_WRITE_CANCEL");
}
if (prepare_write_env->prepare_buf) {
free(prepare_write_env->prepare_buf);
prepare_write_env->prepare_buf = NULL;
}
#### prepare_write_env->prepare_len = 0;
}
执行写入用于确认或取消之前完成的写入过程，由长特征写入过程。为此，该函数会检查exec_write_flag随事件接收到的参数中的 。如果标志等于 表示的执行标志exec_write_flag，则确认写入并在日志中打印缓冲区；如果不是，则表示取消写入并删除所有已写入的数据。
if (param->exec_write.exec_write_flag == ESP_GATT_PREP_WRITE_EXEC){
esp_log_buffer_hex(GATTS_TAG,
prepare_write_env->prepare_buf,
prepare_write_env->prepare_len);
}
else{
ESP_LOGI(GATTS_TAG,"ESP_GATT_PREP_WRITE_CANCEL");
}
最后，为存储来自长写操作的数据块而创建的缓冲区结构被释放，并将其指针设置为 NULL 以使其为下一个长写过程做好准备。
if (prepare_write_env->prepare_buf) {
free(prepare_write_env->prepare_buf);
prepare_write_env->prepare_buf = NULL;
}
prepare_write_env->prepare_len = 0;
11.1 使能通知
使能notify并读取蓝牙发过来的数据，开启这个后我们就能实时获取蓝牙发过来的值了。
使能通知(notify enable)的打印如下所示，打开通知实际上的一个WRITE。
如果write.handle和descr_handle相同，且长度==2，确定descr_value描述值，根据描述值开启/关闭 通知notify/indicate。
//the size of notify_data[] need less than MTU size
esp_ble_gatts_send_indicate(gatts_if, param->write.conn_id, gl_profile_tab[PROFILE_A_APP_ID].char_handle,
sizeof(notify_data), notify_data, false);
该函数将notify或indicate发给GATT的客户端；
need_confirm = false,则发送的是notification通知；
==true，发送的是指示indication。
其他参数: 服务端访问接口；连接id； 属性句柄，value_len; 值
• 由 Leung 写于 2021 年 7 月 7 日