ESP-IDF 低功耗蓝牙(BLE)数据交换机制详解

戴艺音

于 2025-06-02 09:16:22 发布

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ESP-IDF 低功耗蓝牙(BLE)数据交换机制详解

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

引言

在物联网和智能设备开发中，低功耗蓝牙(BLE)技术因其低功耗、低成本等优势被广泛应用。本文将基于ESP-IDF开发框架，深入解析BLE数据交换的核心机制，帮助开发者理解GATT(通用属性规范)服务的数据结构和操作方式。

GATT数据结构解析

属性(Attribute)基础

GATT服务建立在属性协议(ATT)之上，每个属性包含四个关键部分：

句柄(Handle)：16位无符号整数，作为属性在属性表中的唯一标识符
类型(Type)：使用UUID(通用唯一标识符)区分不同属性类型
访问权限：定义属性的读写权限和安全要求
值(Value)：存储实际数据或元数据

UUID类型详解

BLE中UUID分为两种规格：

SIG标准UUID：16位短格式，由蓝牙技术联盟定义
- 例如：心率服务(0x180D)、心率测量特征(0x2A37)
厂商自定义UUID：128位长格式，供厂商开发私有功能
- 例程中的LED控制特征使用自定义UUID

特征数据(Characteristic)结构

一个完整的特征数据通常包含三个属性：

特征声明(Declaration)：
- UUID固定为0x2803
- 包含特征值的读写属性、句柄和类型信息
特征值(Value)：
- 存储实际数据内容
- UUID标识特征类型
特征描述符(Descriptor)：
- 提供额外描述信息
- 最常见的是CCCD(客户端特征配置描述符)

服务(Service)组成

GATT服务由两部分构成：

服务声明属性：
- UUID固定为0x2800
- 值字段包含服务类型的UUID
特征定义属性：
- 包含该服务提供的所有特征数据

GATT数据操作机制

客户端发起操作

读取(Read)：
- 从服务器获取特征当前值
- 需要服务器响应
写入(Write)：
- 普通写入需要服务器确认
- 无响应写入则不需要确认

服务器发起操作

通知(Notify)：
- 服务器主动推送数据
- 不需要客户端确认
指示(Indicate)：
- 服务器主动推送数据
- 需要客户端确认
- 可靠性更高但速度较慢

ESP-IDF实现解析

工程结构特点

示例工程在基础BLE连接功能上增加了：

GATT服务相关源文件
心率模拟数据生成模块
特征访问回调处理

关键代码分析

心率任务线程：

static void heart_rate_task(void *param) {
    while (1) {
        update_heart_rate();  // 更新心率值
        send_heart_rate_indication();  // 发送指示
        vTaskDelay(1000);  // 1秒周期
    }
}

GATT服务初始化：

int gatt_svc_init(void) {
    ble_svc_gatt_init();  // 初始化GATT基础服务
    ble_gatts_count_cfg(gatt_svr_svcs);  // 统计服务配置
    ble_gatts_add_svcs(gatt_svr_svcs);  // 添加自定义服务
    return 0;
}

服务表定义：

static const struct ble_gatt_svc_def gatt_svr_svcs[] = {
    {
        .type = BLE_GATT_SVC_TYPE_PRIMARY,
        .uuid = &heart_rate_svc_uuid.u,
        .characteristics = {
            {
                .uuid = &heart_rate_chr_uuid.u,
                .access_cb = heart_rate_chr_access,
                .flags = BLE_GATT_CHR_F_READ | BLE_GATT_CHR_F_INDICATE,
                .val_handle = &heart_rate_chr_val_handle
            },
            {0}  // 结束标记
        }
    },
    // 其他服务定义...
};