蓝牙协议分析（针对蓝牙电机系统）

周周周诶。

已于 2025-02-13 16:10:31 修改

阅读量1.2k

点赞数 33

分类专栏：通信协议文章标签：物联网网络协议嵌入式智能家居 stm32

于 2025-02-13 16:02:23 首次发布

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/qq_45707027/article/details/145613492

版权

通信协议专栏收录该内容

9 篇文章

订阅专栏

4.1 设备广播（Advertising）

4.4 数据交互（Data Transfer）

4.5 断开连接（Disconnection）

1. 蓝牙基础概念

1.1 蓝牙协议分类

蓝牙协议主要有两种模式：

经典蓝牙（BR/EDR, Bluetooth Classic）
- 适用于音频传输、数据同步，如蓝牙音箱、无线耳机。
- 特点：数据速率高（最大3Mbps），功耗大，点对点连接，实时性强。
蓝牙低功耗（BLE, Bluetooth Low Energy）
- 适用于智能家居、物联网设备，如蓝牙电机、智能手环。
- 特点：数据速率较低（1Mbps或2Mbps），功耗低，支持广播模式，通信灵活。

蓝牙电机系统通常采用 BLE（低功耗蓝牙）模式，因为它可以：

降低功耗：适用于长时间待机的电机设备。
支持广播模式：允许手机扫描到设备并快速连接。
支持低延迟控制：适用于电机的实时开关、调速等操作。

2. BLE协议栈架构

BLE协议栈采用 分层架构，不同层级分别负责不同的功能：

+--------------------------------------------------+
| 应用层（Application Layer）                        |  
+--------------------------------------------------+
| GATT（Generic Attribute Profile）              |
| ATT（Attribute Protocol）                      |
+--------------------------------------------------+
| L2CAP（Logical Link Control and Adaptation）  |
+--------------------------------------------------+
| HCI（Host Controller Interface）               |
+--------------------------------------------------+
| 链路层（Link Layer）                           |
+--------------------------------------------------+
| 物理层（PHY）                                  |
+--------------------------------------------------+

各层功能解析如下：

层级	功能
应用层（Application Layer）	处理具体应用逻辑，如窗帘开关、速度调节
GATT（通用属性协议）	规定数据交互方式，如特征值的读取、写入等
ATT（属性协议）	定义数据结构（Attribute），支持设备发现
L2CAP（逻辑链路控制）	数据分片、重组、错误控制
HCI（主机控制接口）	设备主机（手机）与蓝牙控制器（电机）的通信
链路层（Link Layer）	设备连接管理、广播、数据交换
物理层（PHY）	负责无线信号传输（2.4GHz，GFSK 调制）

💡 重点关注 GATT 层，它是蓝牙电机数据交互的核心！

3. GATT数据模型与数据交互方式

GATT（通用属性协议）是BLE设备数据交互的核心，采用层级结构组织数据：

Service（服务）
 ├── Characteristic（特征）
 │     ├── Value（数据值）
 │     └── Descriptor（描述符）

3.1 服务与特征示例（以蓝牙电机为例）

服务名称	服务UUID	特征名称	特征UUID	数据属性
电机控制服务	0xFFF0	开关状态	0xFFF1	读/写
		速度调整	0xFFF2	读/写
设备信息服务	0x180A	序列号	0x2A25	只读
		电池电量	0x2A19	读

读取（Read）： 手机可通过读取0xFFF1特征获取当前电机开关状态。
写入（Write）： 手机通过写入特征值来控制电机开关或调速。
通知（Notify）： 电机状态变化时，主动发送通知给手机，确保实时反馈。

3.2 数据交互方式

Read（读取）： 例如，手机请求当前电机状态：

ble_read_characteristic(0xFFF1, &status);

Write（写入）： 例如，发送指令打开电机：

uint8_t open = 1;
ble_write_characteristic(0xFFF1, &open);

Notify（通知）： 电机状态变化后主动通知手机：

ble_notify_characteristic(0xFFF1, current_state);

Indicate（指示）： 类似于Notify，但要求接收端确认收到，适用于关键数据传输。

4. 蓝牙电机的通信流程

蓝牙通信可分为 五个阶段：

设备广播（Advertising）
设备扫描（Scanning）
连接建立（Connection）
数据交互（Data Transfer）
断开连接（Disconnection）

4.1 设备广播（Advertising）

当蓝牙电机启动后，进入广播模式，向周围设备发送“我是蓝牙电机”信号，等待手机发现并连接。

🔹 广播模式

BLE 设备可以选择不同的广播方式：

可连接广播（Connectable Advertising）：电机允许手机连接。
不可连接广播（Non-connectable Advertising）：仅用于设备状态广播，不允许连接。
定向广播（Directed Advertising）：只允许特定手机连接，提高安全性。

💡 蓝牙电机通常使用“可连接广播”，允许手机随时连接。

🔹 广播包格式

BLE 广播包的有效数据部分（Payload）按照 TLV（Type-Length-Value）格式组织：

字段	大小（字节）	说明
Length	1	该字段数据的长度（不包括自身）
Type	1	数据类型
Value	n	具体数据值

一个标准的 BLE 广播包包含：

字段	字节数	描述
Preamble	1	同步头，接收端用于识别信号
Access Address	4	广播设备的固定地址
PDU Header	2	指明数据类型
Advertiser Address	6	设备MAC地址
Payload	0-31	设备信息（如UUID、电池电量、电机状态）
CRC	3	确保数据完整性

广播数据类型（Type）示例：

Type 值（十六进制）	描述
0x01	设备标志（Flags）
0x02	16-bit UUID（部分）
0x03	16-bit UUID（完整）
0x06	128-bit UUID（完整）
0x09	设备名称（Complete Local Name）
0x0A	发射功率（Tx Power Level）
0x16	厂商自定义数据（Manufacturer Specific Data）
0xFF	自定义数据

🔹 具体示例

假设我们的蓝牙电机广播的数据包如下：

02 01 06 03 03 F0 FF 0B 09 44 4F 59 41 5F 4D 4F 54 4F 52

我们逐字段解析：

字段	数据	含义
Flags（设备标志）	`02 01 06`	表示设备支持 BLE
UUID（16-bit，完整）	`03 03 F0 FF`	设备 UUID，`0xFFF0` 代表电机服务
设备名称（Complete Local Name）	`0B 09 44 4F 59 41 5F 4D 4F 54 4F 52`	"DOYA_MOTOR"

📢 重点：

广播包前 2 字节 (02 01 06) 说明设备是 BLE 设备（不可配对）。
UUID 16-bit（0xFFF0） 代表该设备是一个蓝牙电机。
设备名称 "DOYA_MOTOR" 通过 0x09（Complete Local Name）字段表示。

🔹 读取广播包

在实际开发中，我们可以使用 蓝牙调试工具 解析广播包，例如：

nRF Connect（推荐，支持 iOS 和 Android）
LightBlue（iOS）
Wireshark（带 BLE 解析插件）
HCI Dump（Linux 命令行工具）

📌 使用 nRF Connect 读取广播包

打开 nRF Connect，扫描蓝牙设备。
选择目标设备（例如 "DOYA_MOTOR"）。
进入 "Raw Advertising Data"，查看广播数据。
解析各字段，验证设备名称、UUID、电机状态是否正确。

🔹 BLE 广播包数据的实际应用

在蓝牙电机系统中，广播包可用于：

设备发现：手机扫描广播包，识别电机设备（通过 UUID）。
状态通知：广播当前开关状态、电池电量。
设备配对：部分设备可通过广播包携带配对码，实现免输入连接。
节能优化：
- 低频广播（降低功耗）：设备待机时，减少广播频率（如每2秒广播一次）。
- 高频广播（快速发现）：当设备进入可连接状态，提高广播频率（如每100ms广播一次）。

示例代码（蓝牙广播）

uint8_t adv_data[] = {
    0x02, 0x01, 0x06,  // Flags: BLE General Discoverable, No BR/EDR
    0x03, 0x03, 0xF0, 0xFF,  // Complete List of 16-bit UUIDs (0xFFF0)
    0x0B, 0x09, 'D', 'O', 'Y', 'A', '_', 'M', 'O', 'T', 'O', 'R' // Local Name
};
ble_set_advertising_data(adv_data, sizeof(adv_data));

📌 上面代码的功能：

广播 BLE 设备标志（0x06）。
广播 UUID（0xFFF0）。
广播设备名称（"DOYA_MOTOR"）。

4.2 设备扫描（Scanning）

手机（Central）会扫描附近的蓝牙设备，找到符合条件的目标设备（蓝牙电机）。
一旦发现蓝牙电机，手机会读取它的UUID，确定是否为可控设备。

📌 扫描流程：

手机扫描广播信号
解析广播数据包
判断是否是蓝牙电机
发起连接请求（Connection Request）

4.3 连接建立（Connection）

当手机发起连接请求时，蓝牙电机会：

进入连接模式，为手机分配通信信道。
确认连接参数（如数据传输间隔、超时时间）。
交换密钥（如果需要安全连接）。

📌 连接参数

参数	说明
Connection Interval	连接间隔（7.5ms-4s），影响功耗
Slave Latency	允许从设备跳过的连接间隔，降低功耗
Supervision Timeout	连接超时时间，超时后断开连接

💡 低功耗优化：