ESP-IDF低功耗蓝牙(BLE)开发入门指南

原创于 2025-06-02 09:16:52 发布 · 332 阅读

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ESP-IDF低功耗蓝牙(BLE)开发入门指南

esp-idf Espressif IoT Development Framework. Official development framework for Espressif SoCs. 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/es/esp-idf

前言

低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy, BLE)作为物联网领域的重要通信技术，凭借其低功耗、低成本的特点，在智能家居、可穿戴设备等场景中广泛应用。本文将基于ESP-IDF开发框架，系统介绍BLE技术基础，并通过实践案例帮助开发者快速上手BLE应用开发。

低功耗蓝牙技术基础

1. BLE与经典蓝牙的区别

低功耗蓝牙(BLE)与传统经典蓝牙(Bluetooth Classic)是两种不同的无线通信技术：

功耗对比：BLE专为低功耗设计，待机电流可低至微安级别
数据传输速率：BLE速率较低(约1Mbps)，经典蓝牙可达2-3Mbps
应用场景：BLE适合间歇性数据传输，经典蓝牙适合音频等连续数据流

2. BLE协议栈架构

BLE协议采用分层设计，从上至下分为三层：

应用层：开发者直接交互的接口层
主机层：核心协议实现层，包含：
- GAP(通用访问规范)
- GATT(通用属性规范)
- ATT(属性协议)
- SMP(安全管理协议)
控制器层：底层硬件驱动层，包含：
- 链路层(Link Layer)
- 物理层(PHY)

ESP32系列芯片采用高度集成的设计，主机层和控制器层运行在同一芯片上，通过虚拟HCI接口通信。

BLE核心概念详解

1. GAP(通用访问规范)

GAP定义了设备如何被发现、连接以及设备角色：

设备角色

广播者(Advertiser)：发送广播数据包
扫描者(Scanner)：接收广播数据
发起者(Initiator)：发起连接请求
外围设备(Peripheral)：连接中的从设备
中央设备(Central)：连接中的主设备

典型工作流程

设备A作为广播者发送广播包
设备B作为扫描者发现设备A
设备B切换为发起者，发送连接请求
建立连接后，设备A成为外围设备，设备B成为中央设备

2. GATT/ATT(通用属性规范/属性协议)

GATT建立在ATT之上，定义了数据交换的结构：

关键概念

属性(Attribute)：基本数据结构，包含：
- 句柄(Handle)：唯一标识符
- UUID：类型标识
- 值(Value)：实际数据
- 权限(Permissions)：访问控制
特征(Characteristic)：
- 包含声明属性、值属性和描述符属性
- 是数据交互的基本单元
服务(Service)：
- 一组相关特征的集合
- 分为主服务和次服务
规范(Profile)：
- 预定义的服务集合
- 确保设备互操作性

实践：心率监测与LED控制

1. 开发环境准备

硬件准备：
- ESP32开发板
- USB数据线
- 智能手机(安装nRF Connect应用)
软件准备：
- 已配置ESP-IDF开发环境
- 获取NimBLE_GATT_Server示例代码

2. 示例代码解析

示例实现了两个核心功能：

心率服务：模拟心率数据(60-80随机值)
自动化IO服务：控制板载LED

关键代码结构：

// 心率服务定义
static const struct ble_gatt_svc_def gatt_svr_svcs[] = {
    {
        .type = BLE_GATT_SVC_TYPE_PRIMARY,
        .uuid = &gatt_svr_svc_hrs_uuid.u,
        .characteristics = (struct ble_gatt_chr_def[]) { {
            .uuid = &gatt_svr_chr_hrs_meas_uuid.u,
            .access_cb = gatt_svr_chr_access,
            .flags = BLE_GATT_CHR_F_READ | BLE_GATT_CHR_F_NOTIFY,
            .val_handle = &gatt_svr_chr_hrs_meas_val_handle,
        }, {
            0, /* No more characteristics in this service */
        } }
    },
    // 其他服务定义...
};

3. 实际操作步骤

编译烧录：

idf.py set-target esp32
idf.py flash monitor

手机端操作：
- 打开nRF Connect应用
- 扫描并连接"NimBLE_GATT"设备
- 探索GATT服务列表
功能验证：
- LED控制：通过Automation IO服务写入ON/OFF值
- 心率读取：订阅Heart Rate Measurement特征获取实时数据

4. 关键点解析

特征属性配置：
- LED控制特征：WRITE权限
- 心率特征：READ + NOTIFY权限

数据更新机制：

// 心率数据更新示例
void blehr_tx_hrate(uint16_t heart_rate) {
    struct os_mbuf *om;
    om = ble_hs_mbuf_from_flat(&heart_rate, sizeof(heart_rate));
    ble_gatts_notify_custom(conn_handle, hrs_hrm_handle, om);
}