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蓝牙gatt详解-凯发app官方网站

15 july 2015 on , 

网上关于讲解 ble 的内容比较少,看到这篇文章写的非常详细 ,作为 ble 的入门时介绍是非常合适的。本文主要翻译了一下这篇文章。

一、 引言

现在低功耗蓝牙(ble)连接都是建立在 gatt (generic attribute profile) 协议之上。gatt 是一个在蓝牙连接之上的发送和接收很短的数据段的通用规范,这些很短的数据段被称为属性(attribute)。

二、 gap

详细介绍 gatt 之前,需要了解 gapgeneric access profile),它在用来控制设备连接和广播。gap 使你的设备被其他设备可见,并决定了你的设备是否可以或者怎样与合同设备进行交互。例如 beacon 设备就只是向外广播,不支持连接,小米手环就等设备就可以与中心设备连接。

1. 设备角色

gap 给设备定义了若干角色,其中主要的两个是:外围设备(peripheral)和中心设备(central)。

· 外围设备:这一般就是非常小或者简单的低功耗设备,用来提供数据,并连接到一个更加相对强大的中心设备。例如小米手环。

· 中心设备:中心设备相对比较强大,用来连接其他外围设备。例如手机等。

2. 广播数据

 gap 中外围设备通过两种方式向外广播数据: advertising data payload(广播数据)和 scan response data payload(扫描回复),每种数据最长可以包含 31 byte。这里广播数据是必需的,因为外设必需不停的向外广播,让中心设备知道它的存在。扫描回复是可选的,中心设备可以向外设请求扫描回复,这里包含一些设备额外的信息,例如设备的名字。(广播的数据格式我将另外专门写一个篇博客来讲。)

3. 广播流程

gap 的广播工作流程如下图所示。 
从图中我们可以清晰看出广播数据和扫描回复数据是怎么工作的。外围设备会设定一个广播间隔,每个广播间隔中,它会重新发送自己的广播数据。广播间隔越长,越省电,同时也不太容易扫描到。

4. 广播的网络拓扑结构

大部分情况下,外设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。因为基于 gatt 连接的方式的,只能是一个外设连接一个中心设备。 使用广播这种方式最典型的应用就是苹果的ibeacon。广播工作模式下的网络拓扑图如下:

三、gatt

gatt 的全名是 generic attribute profile(姑且翻译成:普通属性协议),它定义两个 ble 设备通过叫做 service  characteristic 的东西进行通信。gatt 就是使用了 attattribute protocol)协议,att 协议把 service, characteristic遗迹对应的数据保存在一个查找表中,次查找表使用 16 bit id 作为每一项的索引。

一旦两个设备建立起了连接,gatt 就开始起作用了,这也意味着,你必需完成前面的 gap 协议。这里需要说明的是,gatt 连接,必需先经过 gap 协议。实际上,我们在 android 开发中,可以直接使用设备的 mac 地址,发起连接,可以不经过扫描的步骤。这并不意味不需要经过 gap,实际上在芯片级别已经给你做好了,蓝牙芯片发起连接,总是先扫描设备,扫描到了才会发起连接。

gatt 连接需要特别注意的是:gatt 连接是独占的。也就是一个 ble 外设同时只能被一个中心设备连接。一旦外设被连接,它就会马上停止广播,这样它就对其他设备不可见了。当设备断开,它又开始广播。

中心设备和外设需要双向通信的话,唯一的方式就是建立 gatt 连接。

1. gatt 连接的网络拓扑

下图展示了 gtt 连接网络拓扑结构。这里很清楚的显示,一个外设只能连接一个中心设备,而一个中心设备可以连接多个外设。一旦建立起了连接,通信就是双向的了,对比前面的 gap 广播的网络拓扑,gap 通信是单向的。如果你要让两个设备外设能通信,就只能通过中心设备中转。

2. gatt 通信事务

gatt 通信的双方是 c/s 关系。外设作为 gatt 服务端(server),它维持了 att 的查找表以及 service 和 characteristic 的定义。中心设备是 gatt 客户端(client),它向 server 发起请求。需要注意的是,所有的通信事件,都是由客户端(也叫主设备,master)发起,并且接收服务端(也叫从设备,slave)的响应。

一旦连接建立,外设将会给中心设备建议一个连接间隔connection interval,这样,中心设备就会在每个连接间隔尝试去重新连接,检查是否有新的数据。但是,这个连接间隔只是一个建议,你的中心设备可能并不会严格按照这个间隔来执行,例如你的中心设备正在忙于连接其他的外设,或者中心设备资源太忙。

下图展示一个外设(gatt 服务端)和中心设备(gatt 客户端)之间的数据交换流程,可以看到的是,每次都是主设备发起请求:

3. gatt 结构

gatt 事务是建立在嵌套的profiles, services 和 characteristics之上的的,如下图所示: 

· 

profile profile 并不是实际存在于 ble 外设上的,它只是一个被 bluetooth sig 或者外设设计者预先定义的 service 的集合。例如就是结合了 heart rate service 和 device information service。所有官方通过gatt profile 的列表可以从找到。

· 

· 

service service 是把数据分成一个个的独立逻辑项,它包含一个或者多个 characteristic。每个 service 有一个 uuid 唯一标识。 uuid 有 16 bit 的,或者 128 bit 的。16 bit 的 uuid 是官方通过认证的,需要花钱购买,128 bit 是自定义的,这个就可以自己随便设置。

· 

官方通过了一些标准 service,完整列表在。以 为例,可以看到它的官方通过 16 bit uuid 0x180d,包含 3 个 characteristicheart rate measurementbody sensor location  heart rate control point,并且定义了只有第一个是必须的,它是可选实现的。

· characteristic 在 gatt 事务中的最低界别的是 characteristiccharacteristic 是最小的逻辑数据单元,当然它可能包含一个组关联的数据,例如加速度计的 x/y/z 三轴值。

 service 类似,每个 characteristic 用 16 bit 或者 128 bit 的 uuid 唯一标识。你可以免费使用 bluetooth sig 官方定义的,使用官方定义的,可以确保 ble 的软件和硬件能相互理解。当然,你可以自定义 characteristic,这样的话,就只有你自己的软件和外设能够相互理解。

举个例子, ,这是上面提到的 heart rate service 必需实现的 characteristic,它的 uuid 是 0x2a37。它的数据结构是,开始 8 bit 定义心率数据格式(是uint8 还是 uint16?),接下来就是对应格式的实际心率数据。

实际上,和 ble 外设打交道,主要是通过 characteristic。你可以从 characteristic 读取数据,也可以往 characteristic 写数据。这样就实现了双向的通信。所以你可以自己实现一个类似串口(uart)的 sevice,这个 service 中包含两个characteristic,一个被配置只读的通道(rx),另一个配置为只写的通道(tx)。

更多内容

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bluetooth sig 官方文档

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官方通过的 

官方通过的 

官方通过的 

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移动开发资源

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 - android developer 凯发k8官网下载客户端中心官网的入门文章,里面有实例代码和讲解视频。

 - ios, android or windows phone 移动开发样例

视频:  - wwdc 2012 关于 ble 开发的视频。

 

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