芯片介绍

• xxAA：片内 Flash 512K字节，400KB 的Flash可以用于应用程序，片内RAM 64K
  字节。

• xxAB：片内 Flash 256K字节，超过100KB 的 Flash可以用于应用程序，片内RAM
  32K字节。

蓝牙版本

5. 蓝牙 4.2 提升了 BLE 数据传输速度，支持长包传输，单个数据包最大可传输 255 个字
   节。同时改善了隐私保护程度。
6. 广播扩展：蓝牙BLE 有3个广播信道，之前的蓝牙BLE 版本中广播载荷通过全部
   三个广播通道进行发送，蓝牙 5.0中这三个通道仅用于发送指针，显示发送载荷的
   时间和地点，广播载荷仅在一个数据通道上传输一次。

BLE体系结构

备注：链路层下面还有个物理层。

GAP：配置怎么来访问BLE的，包括配置广播的名字，连接首选项参数。GAP 层负责处理设备的接入方式和过程，包括设备发现，链路建立，链路终止以及实现绑定。

GATT：配置文件，建立在ATT上，通过ATT定义如何发现、读写服务、特征、描述符的方法。GATT层定义了服务器和客户端。

ATT：服务属性、特征，规定怎么去服务器端读属性，供给客户端进行读写。

SM：是否设置配对密码等安全相关的

以下底层：蓝牙协议栈内部管理。

LL：负责广播、扫描、建立连接和维护连接，确保数据的发送接收准确。本层有一个状态机。

注意：

1.主机和从机是链路层的叫法，服务器和客户端是GATT层的叫法，主机可以是服务器也可以是客户端，从机也一样。

2.外围设备、中心设备是GAP层的叫法。

应用层定义了三种种类型：特征（characteristic）、服务（service）和配置文件（profile）。

1.特征：以通用唯一识别码（UUID）作为表示的一个小块数据，可以被重复使用，不涉及行为。当计算机遇到一个从未接触过的特征时，计算机可以去更新这个特征的读取规则。

2.服务：人类可读的一组特征及其相关的行为规范，只定义了位于服务器上的相关特性和行为，而不定义客户端的行为。服务有两种类型，首要服务和次要服务。次要服务是那些协助主要
业务或其他次要服务的服务。

3.配置文件：是用例或应用的最终体现。配置文件描述了如何发现和连接设备，配置文件还描述的客户端的行为，用于发现服务和服务特性。

1.扫描到白名单后，进入就绪态，在进入发起态，再变为连接态（不是扫描态直接就进入发起态）。

2.只有连接太会用到数据信道，但是如果是广播扩展广播包应该也是会用到数据信道的。

3.BLE芯片上电，链路层首先一定是进入就绪态，然后在进入到广播或者是扫描态。

4.这是是LL层的状态机，不是整个协议栈的状态机。

广播

• 每次广播的数据都会在37、38、39信道一次发送，这三个专门用于广播的信道中心频率至少相差24MHZ，可以避免三个信道同时被干扰的概率。
• BLE广播间隔：范围在20ms-10.24S，链路层会在每次广播时间期间产生一个随机广播延时时间（0ms-10ms）。

扫描事件

• 扫描窗口(scan window)：一次扫描进行的时间宽度。
• 扫描间隔(scan interval)：两个连续的扫描窗口的起始时间之间的时间差，包括扫描休息的时间和扫描进行的时间。

连接事件

• 主从设备互相发送数据的过程。
• 所有的数据交换都是通过连接事件完成。
• 0-36通道
• 无论有无数据，连接事件都在周而复始的进行，直到一方停止响应。
• 主机与从机可在单次连接事件进行多次数据传输。

连接参数

• 连接间隔：必须是 1.25ms 的倍数，范围是从最小值 6（7.5ms）- 3200（4.0s）

• 从机延迟：可以选择跳过连接事件，并保持睡眠，这一决定取决于外围设备。

• 监督超时：这是两个成功的连接事件之间间隔的最大值。如果超过这个时间还未出现成
  功的连接事件，那么设备将会考虑失去连接，返回一个未连接状态。10ms 的步进(10ms 的倍数)，10（100ms）- 3200（32.0s）

profile

profile是 Service 的集合，它是预定义的，并不是实际存在于设备中。

Characteristic

特征是具有特定意义的数值，如心率、温度值等等。BLE 主从机之间的数据传输实际
传输的就是特征值。

UUID

UUID(Universally Unique Identifier)是一个 128位的数字，用来标志属性的类型。Service
和Characteristic都是一种属性，都需要一个唯一的UUID 来标识。

GAP

• 模式（Mode）：模式描述是设备的工作状态，当一个设备被配置为按照某种方式操作一
  段较长的时间时，称为模式。如广播模式，表示设备正处于广播状态，一般会持续很长
  时间。

• 规程（Procedure）：规程描述的是在有限的时间内进行特定的操作，如连接参数更新规
  程，它是在较短的时间内执行了连接参数更新的操作。

• GAP角色：广播者、观察者、外围设备、中心设备。

广播者：广播发送者，不是可连接的设备。

观察者：扫描广播，不能够启动连接。

外围设备：广播发送者，是可连接的设备，连接后成为从设备。

中心设备：扫描广播启动连接，连接后成为主设备。

• GAP服务：设备名字、外观特征、外围设备首选连接参数、中心设备地址解析。

• Device Name特征

• Appearance特征 ：蓝牙小图标

• PPCP特征 ：外围设备首选连接参数，在主从连接后外围设备发送给中心设备

• Central Address Resolution特征 ，0 该设备不支持地址解析。1 该设备支持地址解析。

• Resolvable Private Address Only特征 ，检查对端设备是否仅在绑定后使用可解析私有地址（RPA）

GATT

• GATT 程序模块的作用是用于协商和跟踪 GATT 连接参数和更新数据长度
• 特征值的排队写入nrf_ble_qwr_init()

从机更新连接参数

• 主从机奖励连接后，从机发起更新连接参数

• 从机和主机刚建立连接时，会使用“快速”的连接参数以达到迅速交换信息的目的

• 主机发起的叫请求，从机只有接受断开连接。从机发起的叫协商，主机可以接收或者拒绝。

广播报文结构

• 字节序：大多数多字节域是从低字节开始传输的。注意，并不是所有的多字节域都是从
  低字节开始传输的。

• 比特序：各个字节传输时，每个字节都是从低位开始。

• 设备地址：

1.静态地址（可使用芯片固化的，或者自己在上电时设置），最高两位必须为1

2.不可解析私有地址：周期变化的地址，最高2bit必须为0。

3.可解析设备地址：最高2bit必须是0和1。

• Flags :

  1.有限可发现模式。

2. 一般可发现模式。
3. 不支持BR/EDR。
4. 设备同时支持LE 和BR/EDR（控制器）。
5. 设备同时支持LE 和BR/EDR（主机）。

一个处于有限可发现模式的设备正在广播，那么他一定是刚被用户操作过并且极希
望被连接。

• 发射功率等级

  发射功率等级可以用来计算路径损耗，计算公式如下：
  pathloss = Tx Power Level – RSSI。

  例：发射功率+4db，扫描到的RSSI是-40db，则路径损耗为：4 - （-40）= 44db

从机广播自己的发射功率，主机可以结合RSSI和从机的发射工具计算路径损耗，判断哪个设备离自己近。

• UUID分为标准的 UUID和厂商自定义的 UUID

UUID全部是128位的，UUID有个128位的基数，通过将16位的UUID和UUID基数合并都到最终的UUID。

使用16位的uuid目的是为了，BLE传输更少的数据，提高效率。

• uuid类型分类

 0x1800 ~ 0x26FF：用作服务类通用唯一识别码。
 0x2700 ~ 0x27FF：用于标识计量单位。
 0x2800 ~ 0x28FF：用于区分属性类型。
 0x2900 ~ 0x29FF：用作特征描述。
 0x2A00 ~ 0x7FFF：用于区分特征类型。

• 广播服务数据（例如电池电量）

• 广播连接范围，用于给中心设备做参考

• **广播厂商自定义数据 **

APP定时器

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typedef struct
{
    nrf_sortlist_item_t         list_item;     /**< Token used by sortlist. */
    uint64_t                    end_val;       /**< RTC counter value when timer expires. */
    uint32_t                    repeat_period; /**< Repeat period (0 if single shot mode). */
    app_timer_timeout_handler_t handler;       /**< User handler. */
    void *                      p_context;     /**< User context. */
    NRF_LOG_INSTANCE_PTR_DECLARE(p_log)        /**< Pointer to instance of the logger object (Conditionally compiled). */
    volatile bool               active;        /**< Flag indicating that timer is active. */
} app_timer_t;

profile

标准配置文件和自定义配置文件

Service(服务)

1.服务是一组特征和通过它们所公开的行为的集合，一个服务可以包含多个特征。如心率服务包含Heart Rate measurement、 Body Sensor Location和Heart Rate Control Point这些特征。

2.服务也和 Profile 一样，分为标准服务和自定义服务。

3.服务存在于从机中，每个服务代表从机的一个能力。

4.porfile规定必须包含哪些服务，哪些服务是可选的。

心率porfile必须包含：心率服务、设备信息服务，其他的一些服务是可选的。

Characteristic(特征)

特征包含三个部分：声明、数值和描述符，其中声明和数值是必不可少的，而描述符可
以是一个或多个。

对于特征来说，要建立一个特征，首先要进行声明，如下图所示：

• 特征性质

特征性质是一个 8位字段

• 特征数值

特征数值是一个属性，特征性质字段给出了特征数值属性的访问权限，如读/写等等，
通过特征性质字段的描述，确定了特征数值属性可以执行的操作类型。

• 描述符

特征的描述符大多数描述符是可选的，一个特征可以包含 0 到多个描述符，需要注意的
是如果使用了通知(notify)或指示(indicate)，必须要有客户端特征配置描述符(Client
Characteristic Configuration Descriptor，CCCD)，CCCD的UUID是0x2902。

• 角色

心率 Profile 定义了如下图所示的两类角色：心率传感器和集中器（Collector），心率传
感器是测量心率和其它信息的设备，集中器是接收心率传感器心率测量值和其它信息的设备。
1.心率传感器应是 GATT服务器。
2.集中器应是GATT客户端。

• 数据传输

BLE的数据传输是双向的：从机主动向主机发起数据传输和主机向从机发起数据传输。

从机主动发起

从机如果想主动发起数据传输，只能通过两种方式：通知（Notify）和指示（Indicate）

1.通知（Notify） ：从机发送通知后，不会关心主机有没有接收到，通知属于不可靠消息。
通知需要使用客户端配置描述符（CCCD）配置（CCCD使能/关闭通知）。

2.指示（Indicate） ：从机发送指示后，必须得到主机的应答才能发送下一条指示，指示属
于可靠消息。指示同样需要使用客户端配置描述符（CCCD）配置（CCCD 使能/关闭指示）。

主机主动发起

主机如果想主动发起数据传输，也有两种方式：读和写，通过读和写，主机可以读/写
特征值和特征描述符。

1.读（Read） ：主机通过“读”可以读取从机的特征值和特征描述符，从而获取从机的数
据。

2.写（Write） ：主机通过“写”可以写入从机的特征值和特征描述符，从而将数据发送给
从机。

主机通过读写从机的特征描述符来使能/关闭是否接收主机发来的通知或指示。

• 心率测量特征通知的数据格式

profile小结：

1.profile规定了两个角色：收集器（客户端）、传感器（服务端），传感器包含一个或多个服务，服务里面又包含特征、描述符。

2.收集器可以读写传感器的特征值和描述符。

3.传感器可以通过通知或者指示，主动给收集器发送数据。

4.收集器可以通过读写特征的描述符，决定是否被动接收传感器主动发来的特征值。

5.多有描述符的uuid都为固定的0x2902。

主机：客户端、收集器。

从机：服务端、传感器。

通知是不可靠协议，不需要主机应答。指示是可靠协议，需要主机应答，才进入下一次指示。

相关API函数：

服务添加到属性表 ：

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uint32_t sd_ble_gatts_service_add  ( 
				uint8_t             type, 
               ble_uuid_t const *    p_uuid, 
               uint16_t *             p_handle   
)     

添加特征 :

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uint32_t characteristic_add (   
		uint16_t    service_handle, 
       ble_add_char_params_t *    p_char_props, 
       ble_gatts_char_handles_t * p_char_handle   
) 

句柄就是一个uit16_t的值。

• 添加特征主要是填充特征属性

特征值的长度：可变长度。特征值的长度可以设置为可变长度和固定长度，对于可变长度，需要设置最大长度 max_len、初始长度 init_len和可变长度标志 is_var_len（设置为true）。对于固定长度，将最大长度 max_len 和初始长度init_len设置为一样，可变长度标志is_var_len 设置为false即可。

• 添加gatt服务主要包括属性还有回调函数（方法）

服务中提供了一个回调函数，在相应事件来到时，就可以扩展很多自己要做的事件了。

• 发送数据

服务或者特征都是通过在创建时协议栈分配一个句柄（uint_16），发送数据的时候带上这个句柄，主机接收到数据就知道是哪个特征来的数据了。

• 特征值什么时候需要注册事件监视者？

1.心率服务需要发送和接收主机数据，需要知道当前主从是否已连接，所以心率服务要注册事件监视者（提供一个回调给协议栈）。调用函数：

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BLE_HRS_DEF(m_hrs);  // 创建心率服务结构体，会注册一个回调给协议栈（注册监视者）：void ble_hrs_on_ble_evt(ble_evt_t const *p_ble_evt, void *p_context)

//拷贝心率服务初始化结构体中的心率服务事件句柄
p_hrs->evt_handler                 = p_hrs_init->evt_handler;
//拷贝心率服务初始化结构体中的心率服务事件句柄
p_hrs->is_sensor_contact_supported = p_hrs_init->is_sensor_contact_supported;
//连接句柄初始值设置为：无效的连接句柄
p_hrs->conn_handle                 = BLE_CONN_HANDLE_INVALID;
//传感器接触设置为false，即未接触
p_hrs->is_sensor_contact_detected  = false;
//rr_interval数量初始值设置为0
p_hrs->rr_interval_count           = 0;
//设置当前一次可发送的最大心率测量数据长度
p_hrs->max_hrm_len                 = MAX_HRM_LEN;
//心率服务的UUID
BLE_UUID_BLE_ASSIGN(ble_uuid, BLE_UUID_HEART_RATE_SERVICE);
//添加服务到属性表
err_code = sd_ble_gatts_service_add(BLE_GATTS_SRVC_TYPE_PRIMARY,
                                    &ble_uuid,
                                    &p_hrs->service_handle); /* 添加服务成功后协议栈会分配一个服务句柄 */

心率服务有读通知比较复杂，会创建一个结构体来标识服务。

2.设备信息服务只用响应主机的读，所以它不用注册事件监视者。只用创建自己的特征就行。调用函数：

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static uint16_t                 service_handle;
//设备信息服务的UUID
BLE_UUID_BLE_ASSIGN(ble_uuid, BLE_UUID_DEVICE_INFORMATION_SERVICE);
//添加服务到属性表
err_code = sd_ble_gatts_service_add(BLE_GATTS_SRVC_TYPE_PRIMARY, &ble_uuid, &service_handle);

设备信息服务只包含了一个只读的特征，对于这种简单的服务，不需要专门定义一个结构体来标志服务，只需要定义一个服务句柄变量来标志服务即可。

• 服务添加到属性表

服务通过协议栈 API 函数 sd_ble_gatts_service_add()加入到属性表，服务加入成功后，协议栈会给服务分配 16 位的句柄，该句柄会通过函数的输出参数保存到之前定义的“service_handle”变量中，之后，设备信息服务句柄即可用来标志设备信息服务。

• 添加特征

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uint32_t characteristic_add(uint16_t                   service_handle, // 添加服务时协议栈给服务分配的句柄
                            ble_add_char_params_t *    p_char_props,  // 特征结构体，需要用户自己填充传给协议栈
                            ble_gatts_char_handles_t * p_char_handle) // 新的特征添加成功后，协议栈又会返回一个句柄用来标识这个特征

发送数据和传感器接触状态更新

BLE用户部分只有发送函数（通知或指示），没有接收函数，数据的接收是协议栈完成，协议栈接收到数据会向用户层提交数据内容相应的事件。

• 心率服务注册监视者的具体作用

实现一个自定义 profile

1.掌握如何实现长包传输（单次传输最大长度 247个字节，有效载荷 244个字节）。

2.自定义服务需要向Softdevice 写入128位的UUID 基数。

3.广播中如何增加扫描响应？为什么要增加扫描响应？

• 以128位为uuid基数和16位uuid合成新的uuid

对于广播中包含自定义服务 UUID，除了注意数据长度之外，还需要注意广播初始化中会用到自定义的UUID 的基数，而自定义UUID 的基数在是服务初始化时写入到 Softdevice的，因此服务初始化必须在广播初始化之前执行。

• 添加自定义profile的流程

1.自定义UUID profile流程和标志uuid流程基本一样：首先添加服务，再添加服务下的各个特征。只是在最开始需要将128位的uuid注册到协议栈，并设置宏告诉协议栈自定义uuid的个数。

2.注册观察者，回调函数中接收 BLE_GATTS_EVT_WRITE 写事件和 BLE_GATTS_EVT_HVN_TX_COMPLETE 发送完成事件（主机写事件会携带收到的数据上来）。

3.在以上两个事件中基础下，标记自己的业务事件，传递数据，拿到数据并做自己相关的业务处理。

• 将128位的uuid放到扫描响应包中广播

因为初始化广播的时候，广播扫描响应包要广播128位的自定义uuid，所以这时自定义uuid必须准备好（即先初始化服务准备好自定义uuid，再初始化广播，有先后顺序）。

实现长包传输

1.蓝牙4.2之前，BLE 的MTU（Maximum Transmission Unit，最大传输单元）为23 个字节，这 23 个字节中包含了 1 个字节的操作码（op code）和 2 个字节的属性句柄（attribute handle） ，因此一次最多传输 20个字节。

2.从蓝牙 4.2开始，BLE 支持长包传输，MTU 扩展到了247个字节，除去 op code和attribute handle，一次可传输的最大长度为 244个字节。

3.客户端和服务器是通过协商来交换各自支持的 MTU 的长度的，这个过程称为 MTU 交换（Exchange MTU），通过MTU交换，客户端和服务器具备了自适应MTU 的功能，但是注册每个建立的连接只能在连接建立时交换一次，而不能实时通过 MTU交换协商数据传输长度。

若服务器和客户端连接后没有进行MTU交换操作，默认MTU等于23字节。

• MTU交换步骤

1.客户端发送 MTU交换请求

2.服务器发送 MTU 交换响应

MTU 交换之后，客户端和服务器应将 MTU 设置为交换的最小值，并且客户端和服务器的MTU 应设置为相同的值，以确保客户端可以正确检测长属性读取的最终数据包。

• MTU交换流程

• 运行结果

• 蓝牙协议栈小结

从机常用API：

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// 请求使能 SoftDevice，该函数会根据 sdk_config.h 文件中低频时钟的设置来配置低频时钟
ret_code_t nrf_sdh_enable_request(void);

// 使用 sdk_config.h 文件的默认参数配置协议栈，获取应用程序 RAM 起始地址，
// 保存到出参变量 p_ram_start
ret_code_t nrf_sdh_ble_default_cfg_set(uint8_t conn_cfg_tag, uint32_t * p_ram_start);

// 使能协议栈
ret_code_t nrf_sdh_ble_enable(uint32_t * const p_app_ram_start);

// 注册 BLE 事件回调函数
NRF_SDH_BLE_OBSERVER(m_ble_observer, APP_BLE_OBSERVER_PRIO, ble_evt_handler, NULL);

// 设置BLE名字
uint32_t sd_ble_gap_device_name_set(ble_gap_conn_sec_mode_t const * const p_write_perm, // 安全性：BLE_GAP_CONN_SEC_MODE_SET_OPEN(&sec_mode);
                                    uint8_t const * const                 p_dev_name,  // 名字
                                    uint16_t                              len); // 名字长度

// 设置首选连接参数
uint32_t sd_ble_gap_ppcp_set(ble_gap_conn_params_t const * const p_conn_params);

// 初始化 GATT 程序模块
ret_code_t nrf_ble_gatt_init(nrf_ble_gatt_t * p_gatt, nrf_ble_gatt_evt_handler_t evt_handler);

// 设置MTU长度：实际可用数据长度为 desired_mtu - 1 - 2
ret_code_t nrf_ble_gatt_att_mtu_periph_set(nrf_ble_gatt_t * p_gatt, uint16_t desired_mtu);

// 设备信息服务字符串初始化
void ble_srv_ascii_to_utf8(ble_srv_utf8_str_t * p_utf8, char * p_ascii);

// 添加服务到gatt属性表
uint32_t sd_ble_gatts_service_add(uint8_t                  type,
                                  ble_uuid_t const * const p_uuid,
                                  uint16_t * const         p_handle); // 协议栈返回一个句柄，代表此服务

// 添加特征到服务
uint32_t characteristic_add(uint16_t                   service_handle, // 服务句柄，添加服务到gatt属性表时，协议栈返回给用户的
                            ble_add_char_params_t *    p_char_props,
                            ble_gatts_char_handles_t * p_char_handle); // 协议栈返回一个句柄，代表此特征
    
// 通过特征句柄，向特征发送给数据
uint32_t sd_ble_gatts_hvx(uint16_t conn_handle, ble_gatts_hvx_params_t const * const p_hvx_params);

// gatts事件结构体
typedef struct
{
    ble_evt_hdr_t header;           /**< Event header. */
    union
    {
        ble_common_evt_t  common_evt; /**< Common Event, evt_id in BLE_EVT_* series. */
        ble_gap_evt_t     gap_evt;    /**< 协议栈收到数据后通过 gatt_evt 事件结构体携带接收到的数据给用户 */
        ble_gattc_evt_t   gattc_evt;  /**< GATT client originated event, evt_id in BLE_GATTC_EVT* series. */
        ble_gatts_evt_t   gatts_evt;  /**< GATT server originated event, evt_id in BLE_GATTS_EVT* series. */
        ble_l2cap_evt_t   l2cap_evt;  /**< L2CAP originated event, evt_id in BLE_L2CAP_EVT* series. */
    } evt;                          /**< Event union. */
} ble_evt_t;

Flash 存储 FS

• FS的使用场景

FS优点：

1. 简单明了，可以直接在指定的空闲 Flash空间上存储数据。
2. 数据是“透明存储”的，数据的读写很直观，开发者容易理解。
3. 裸机和使能了SoftDevice的情况下均可使用。

FS缺点：

1. 用户需要自己指定数据在 Flash 中的存储位置，因此需要用户自己确定 Flash 的空闲空间。
2. 数据是“透明存储”的，没有以记录的方式存储，也没有更新和检索功能，不便于管理。
3. FS 没有对 Flash 擦写做平衡管理，而 nRF52832 的页面最大只能擦写 10000 次，因此FS 不能适应擦写频繁的应用。

• FS读写流程

赏

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