ArduinoBLE 库的使用

ArduinoBLE 是 Arduino 官方提供的用于低功耗蓝牙（BLE）通信的库。该库支持所有硬件支持 BLE 和 Bluetooth 4.0 及以上版本的 Arduino 开发板，包括：

Nano 33 BLE - 基于 Nordic nRF52840 的开发板
Arduino NANO 33 IoT - 集成 WiFi 和 BLE 的开发板
Uno WiFi Rev 2 - 带有 WiFi 和 BLE 功能的 Uno 开发板
MKR WiFi 1010 - MKR 系列开发板，支持 WiFi 和 BLE

使用方法

要使用 ArduinoBLE 库，首先需要在代码中包含库的头文件：

#include <ArduinoBLE.h>

BLE 快速入门

什么是 BLE？

Bluetooth 4.0 标准包含两种技术：传统的蓝牙（现在称为 "Bluetooth Classic"）和低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy，简称 BLE）。BLE 针对低功耗和低数据速率进行了优化，设计用于从简单的纽扣电池供电运行。

BLE 通信模型

与基于异步串行连接（UART）的标准蓝牙通信不同，BLE 的通信模型更像是一个社区公告板。连接到它的设备就像社区成员阅读公告板一样。每个设备可以充当公告板（发布者）或读者（订阅者）。

外设设备（Peripheral）：充当公告板，发布数据供其他设备读取。在 BLE 术语中，外设设备类似于服务器，因为它们包含读者设备请求的信息。
中心设备（Central）：充当读者，从外设设备读取信息。在 BLE 术语中，中心设备类似于客户端，因为它们从外设读取可用信息。

可以将 BLE 外设设备想象成公告板，中心设备是查看者。中心设备查看服务、获取数据，然后离开。每次交互都很快（几毫秒），因此多个中心设备可以从一个外设获取数据。

服务和特征

外设提供的信息以 服务（Services） 的形式组织，每个服务又细分为 特征（Characteristics）。可以将服务想象成公告板上的通知，特征则是这些通知的各个段落。

外设设备：只需在需要时更新每个服务特征，无需担心中心设备是否读取它们。
中心设备：连接到外设后，读取所需的数据。
读写权限：如果某个特征既可读又可写，那么外设和中心都可以修改它。

Notify 通知机制

BLE 规范包含一种称为 notify（通知） 的机制，可以在数据更改时通知接收方。当启用特征的通知功能并且发送方写入新值时，新值会自动发送给接收方，而无需接收方显式发出读取命令。这通常用于流式数据，例如加速度计或其他传感器读数。

indicate（指示） 是 notify 的一个变体，工作方式类似，但在 indicate 规范中，读取方会发送对推送数据的确认。

BLE 的客户端-服务器结构，结合 notify 特征，通常称为 发布-订阅模型（publish-and-subscribe model）。

更新特征值

外设应该在特征值发生显著变化时更新它们。例如：

当开关从关闭变为打开时，更新其特征值
当模拟传感器变化达到显著程度时，更新其特征值

虽然可以按固定间隔更新特征值，但如果特征值没有变化，这会浪费处理能力和能量。因此，建议只在值发生有意义的变化时才更新特征。

中心设备和外设设备

中心设备（Central）：充当客户端。它们从外设设备读取和写入数据。
外设设备（Peripheral）：充当服务器。它们提供来自传感器的可读特征，并提供可读/可写特征来控制执行器（如电机、灯光等）。

在实际应用中：

外设设备：通常是传感器节点、IoT 设备等，负责采集数据并提供给中心设备
中心设备：通常是手机、平板电脑或主控制器，负责读取数据并控制外设

服务、特征和 UUID

BLE 外设提供 服务（Services），每个服务又提供 特征（Characteristics）。您可以定义自己的服务，或使用标准服务。

服务通过称为 UUID（通用唯一标识符） 的唯一数字进行标识。UUID 在其他上下文中也很常见。

标准服务：使用 16 位 UUID（例如：0x180F 表示电池服务）
自定义服务：使用 128 位 UUID（例如：19B10000-E8F2-537E-4F6C-D104768A1214）

定义服务和特征的能力取决于您使用的无线模块及其固件。大多数现代 BLE 模块都支持自定义服务。

服务设计模式

特征值的最大长度为 512 字节。这是设计服务时的关键约束。考虑到这个限制，您应该考虑如何最有效地为应用程序存储传感器和执行器的数据。

模式 1：一个特征对应一个值（简单模式）

最简单的设计模式是为每个传感器或执行器值使用一个特征，使用 ASCII 编码值：

特征	值
Accelerometer X	200
Accelerometer Y	134
Accelerometer Z	150

优点：

最简单，易于开发和调试
每个值独立，易于理解

缺点：

内存占用最大
读取时间最长（需要多次读取操作）

模式 2：组合多个值到一个特征（高效模式）

当某个传感器或执行器有多个关联值时，可以将读数组合到单个特征中：

特征	值
Motor Speed, Direction	150,1
Accelerometer X, Y, Z	200,133,150

优点：

更高效，减少读取次数
节省内存和带宽

缺点：

需要解析数据（例如使用逗号分隔）
需要注意不要超过 512 字节限制

例如，上面的加速度计特征作为 ASCII 编码字符串需要 11 字节（"200,133,150"）。

模式 3：二进制编码（最紧凑模式）

对于需要更高效率的应用，可以使用二进制编码而不是 ASCII：

特征	值（二进制）	大小
Accelerometer X, Y, Z	`[0xC8, 0x86, 0x96]`	3 字节

这种方式最紧凑，但需要中心设备和外设设备都支持相同的二进制格式。

读取/写入/通知/指示

中心设备可以对特征执行 4 种操作：

Read（读取）：请求外设发送特征的当前值。通常用于不经常变化的特征，例如用于配置、版本号等的特征。
Write（写入）：修改特征的值。通常用于类似命令的操作，例如告诉外设打开或关闭电机。
Notify（通知）：请求外设持续发送特征的更新值，而无需中心设备不断请求。外设发送数据后不需要确认。
Indicate（指示）：与 Notify 类似，但外设发送数据后需要中心设备确认。

使用场景对比：

操作	适用场景	示例
Read	不经常变化的数据	设备版本号、配置参数
Write	控制命令	开关电机、设置参数
Notify	频繁变化的流式数据	加速度计、温度传感器
Indicate	需要确认的重要数据	警报、状态变化

广播和 GAP

BLE 设备通过使用 通用广播配置文件（General Advertising Profile，GAP） 进行广播，让其他设备知道它们的存在。广播数据包可以包含：

设备名称
其他信息（如发射功率、设备类型等）
提供的服务列表

广播数据包限制

广播数据包的大小有限制（通常为 31 字节）。您只能在数据包中放入一个 128 位服务 UUID。确保设备名称不要太长，否则可能连设备名称都放不下。

优化建议：

设备名称控制在 8-12 个字符以内
优先广播最重要的服务 UUID
使用 16 位标准 UUID 可以节省空间

非广播服务

您可以提供未在广播中声明的附加服务。中心设备将通过连接/绑定过程了解这些服务。但是，非广播服务不能用于发现设备。

使用场景：

您可能有一个带有自定义服务的外设设备
在中心设备应用程序中，您可能知道它还提供电池服务和其他标准服务
这些标准服务不需要在广播中声明，因为它们可以通过连接后查询获得

GATT 协议

BLE 协议在多个层上运行。通用属性配置文件（General Attribute Profile，GATT） 是定义服务和特征并启用对它们的读取/写入/通知/指示操作的层。

GATT 服务器和客户端

在了解 GATT 时，您可能会遇到 GATT 的"服务器"和"客户端"概念。这些并不总是对应于中心设备和外设设备。但在大多数情况下：

外设设备 = GATT 服务器（因为它提供服务和特征）
中心设备 = GATT 客户端（因为它读取和写入数据）

GATT 层次结构

GATT Server (外设)
├── Service 1 (服务 1)
│   ├── Characteristic 1.1 (特征 1.1)
│   │   ├── Descriptor 1.1.1 (描述符 1.1.1)
│   │   └── Descriptor 1.1.2 (描述符 1.1.2)
│   └── Characteristic 1.2 (特征 1.2)
└── Service 2 (服务 2)
    └── Characteristic 2.1 (特征 2.1)

说明：

服务（Service）：相关功能的集合
特征（Characteristic）：实际的数据值
描述符（Descriptor）：特征的元数据（如单位、格式等）

库结构

ArduinoBLE 库提供了多个类来实现不同类型的 BLE 功能。以下是主要的类及其用途：

主要类

BLE：用于启用和初始化 BLE 模块。这是使用库的入口点，需要先调用 BLE.begin() 来启动 BLE 功能。
BLEDevice：用于获取扫描时发现或连接的设备信息。当作为中心设备扫描外设时，使用此类来访问设备信息（如设备名称、地址、RSSI 等）。
BLEService：用于启用开发板提供的服务，或与远程开发板提供的服务进行交互。每个服务包含一个或多个特征。
BLECharacteristic：用于启用开发板在服务中提供的特征，或与远程开发板提供的特征进行交互。这是实际存储和传输数据的地方。
BLEDescriptor：用于描述开发板提供的特征。描述符包含特征的元数据，如单位、格式、描述等。

使用流程示例

作为外设设备（Peripheral）

#include <ArduinoBLE.h>

BLEService myService("19B10000-E8F2-537E-4F6C-D104768A1214");
BLECharacteristic myCharacteristic("19B10001-E8F2-537E-4F6C-D104768A1214", 
                                    BLERead | BLEWrite, 20);

void setup() {
  BLE.begin();  // 初始化 BLE
  BLE.setLocalName("MyDevice");  // 设置设备名称
  BLE.setAdvertisedService(myService);  // 广播服务
  myService.addCharacteristic(myCharacteristic);  // 添加特征到服务
  BLE.addService(myService);  // 添加服务
  BLE.advertise();  // 开始广播
}

作为中心设备（Central）

#include <ArduinoBLE.h>

void setup() {
  BLE.begin();  // 初始化 BLE
  BLE.scan();  // 开始扫描外设
}

void loop() {
  BLEDevice peripheral = BLE.available();  // 检查是否有可用设备
  if (peripheral) {
    // 连接到设备并读取特征
  }
}

应用场景

IoT 传感器节点：使用外设模式，定期广播传感器数据
智能家居控制：使用中心模式，连接并控制多个智能设备
可穿戴设备：使用外设模式，传输健康监测数据
数据采集系统：使用中心模式，从多个传感器节点收集数据

📝 作者：阿基米东

GetIoT.tech 创始人，独立开发者，Linux 重度用户，开源软件作者，创业者，INTJ

使用方法​

BLE 快速入门​

什么是 BLE？​

BLE 通信模型​

服务和特征​

Notify 通知机制​

更新特征值​

中心设备和外设设备​

服务、特征和 UUID​

服务设计模式​

模式 1：一个特征对应一个值（简单模式）​

模式 2：组合多个值到一个特征（高效模式）​

模式 3：二进制编码（最紧凑模式）​

读取/写入/通知/指示​

广播和 GAP​

广播数据包限制​

非广播服务​

GATT 协议​

GATT 服务器和客户端​

GATT 层次结构​

库结构​

主要类​

使用流程示例​

作为外设设备（Peripheral）​

作为中心设备（Central）​

应用场景​