作者：Vamei 出處：http://www.cnblogs.com/vamei 嚴禁轉載。
藍牙是一個使用廣泛的無線通信協定，這兩年又随着物聯網概念進一步推廣。我将介紹藍牙協定，特别是低功耗藍牙，并用樹莓派來實踐。樹莓派3中内置了藍牙子產品。樹莓派通過UART接口和該子產品通信。樹莓派1和樹莓派2中沒有内置的藍牙子產品，不過你可以通過USB安裝額外的藍牙擴充卡。
藍牙最初由愛立信創制，旨在實作可不同裝置之間的無線連接配接。藍牙無線通信的頻率在2.4GHz附近，和WiFi一樣，都屬于特高頻。相對于低頻信号來說，高頻傳輸的速度比較快，穿透能力強，但傳輸距離比較受限。在沒有遮蔽和幹擾的情況下，藍牙裝置的最大通信距離能達到30米。但在大多數情況下，藍牙的實際通信距離在2到5米。相比之下，低頻433MHz裝置的通信距離很容易超過百米。是以，藍牙常用于近距離的無線裝置，比如無線滑鼠和鍵盤。
藍牙的标志
藍牙的基本工作流程如下：
廣播/掃描：通信的一方向外廣播自己的資訊。另一方通過掃描知道自己周邊有哪些藍牙裝置在廣播，這些裝置的位址是什麼，以及是否可以連接配接。
連接配接：通信的一方向另一方發起連接配接請求。雙方通過一系列的資料交換建立連接配接。
資料通信
根據細節上的差别，藍牙通信又細分為兩種：經典藍牙和低功耗藍牙。早期的藍牙通信方式稱為經典藍牙（classic bluetooth）。經典藍牙中的資料傳輸協定是串行仿真協定RFCOMM。RFCOMM仿真了常見的序列槽連接配接。資料從一端輸入，從另一端取出。經典藍牙的開發非常簡單。基于序列槽開發的有線鍵鼠程式，就可以直接用于RFCOMM連接配接的無線鍵鼠。此外，經典藍牙可以快速傳輸資料。是以，諾基亞N95這樣的早期智能手機，也用RFCOMM來互傳圖檔和檔案。
RFCOMM通信
經典藍牙的缺點是比較耗電。後來，諾基亞發明了一種可以降低功耗的藍牙通信方式。2010年出台的藍牙4.0把這種通信方式規範為“低功耗藍牙”（BLE，Bluetooth Low Energy）。BLE把通信雙方分為非對稱的雙方，盡量讓其中的一方承擔主要的開銷，減少另一方的負擔。舉例來說，手環電量少，而且需要長時間待機。BLE通信的主要負擔可以放在電量較充裕且充電友善的手機一側，進而減少手環的能耗。
手環作為外設
BLE通信一般也包含廣播/掃描的步驟。主動發起廣播的裝置稱為外設（Peripheral），掃描裝置稱為中心裝置（Central）。BLE連接配接成功之後，就可以開始資料傳輸。BLE的資料傳輸協定是ATT和GATT協定。ATT是GATT的基礎。ATT協定把通信雙方分為伺服器（server）和客戶（client）。客戶主動向伺服器發起讀寫操作。需要注意的是，ATT中的伺服器和客戶，與廣播階段的外設和中心裝置互相獨立。當然，在手環這樣的應用場景下，外設通常也是伺服器。ATT協定以屬性(attribute)為機關進行該資料傳輸。一個屬性的格式如下：
ATT屬性
我們分别來了解屬性的不同部分：
handle：屬性的唯一編号，長度為16位。
type：屬性的類型。每種類型用一個UUID編号。
value：屬性的值。
permission：屬性的權限，分為無、可讀、可寫、可讀寫。
伺服器儲存了多個屬性。當客戶向伺服器請求時，伺服器會把自己的屬性清單發給客戶。随後，客戶可以向伺服器讀取或寫入某一個屬性值。用讀寫的方式，通信雙方實作了雙向通信。
以智能手表為例。智能手表和手機配對後，手機可以用讀的方式獲得智能手表中某個屬性下儲存的步數，也可以用寫的方式寫入另一個屬性負責的時間。在讀寫操作中，都是由客戶采取主動，伺服器隻能被動應答。ATT還提供了通知（notification）的工作方式。當伺服器改變了某個屬性值時，可以主動通知訂閱了該屬性值的客戶。智能手表中的手勢識别，就可以通過通知的方式告知手機。這樣的話，手機就可以實時地獲知手勢改變資訊。
GATT協定建構在ATT協定之上，為屬性提供了組織形式。GATT的最小組織單元是Characteristic，可以由數條屬性組成。下圖中就是一個Characteristic，用于傳輸紅外測溫獲得的資料。這個例子來自TI的SensorTag：
從左到右：handle（16進制），handle（10進制），type（16進制），type（文字說明），value（16進制），permission，備注
Characteristc的第一條屬性用于聲明屬性，其類型總是0x2803。這條聲明的value部分又可以細分為三部分。第一個部分是0x12，稱為Characteristic Properties，是GATT協定層面上的權限控制。其具體含義可參考資料。第二部分0x0025，是Characteristic值的handle。找到handle為0x0025的屬性，就在聲明屬性的下面一行。0x0025的value部分就是紅外溫度的真正數值。剩下的部分是該Characteristic的UUID，總共128位：
F000-AA01-0451-4000-B000-000000000000
檢查Characteristic值的那一行屬性，也就是0x0025屬性。它的類型也是該Characteristic UUID。除了128位的UUID，藍牙官方還提供了16位的UUID可供使用，可參考資料。
可以看到，一個Characterstic至少需要兩個屬性，一個用于聲明，一個用于儲存它的資料。除此之外，Characteristic還有稱為Descriptor的額外描述資訊。每個Decriptor占據一行。比如0x0027這個Descriptor，其屬性值是54:65:6D:70:7E:20:44:61:74:61，翻譯成ASCII就是：
Temp~ Data
此外，溫度機關、測量頻率等描述資訊也經常會以Descriptor的形式放入到Characteristic中。在下一個Characteristic聲明出現前的屬性，都是該Characteristic的Descriptor。
我們再來看更進階的組織機關Service。一個Service也有行屬性作為聲明，其類型UUID是0x2800。聲明屬性的值就是該Service的128位UUID。藍牙官方也提供了16位的UUID，預留給特定的Service，可參考資料。在下一個Service聲明出現前的屬性，都屬于該Service，比如下圖中從0x0023到0x002D的屬性：
圖中包含了一個與紅外溫度計相關的Service。Service裡又有三個Characteristic，分别0x0024-0x0027、0x0028-0x002A、0x002B-0x002D。我已經介紹過第一個Characteristic。第二個Characteristic用于傳輸溫度計參數，第三個用于設定測溫頻率。
Service和Characteristic都是屬性的組織形式。客戶可以向伺服器請求Service和Characteristic清單，然後對其進行操作。GATT還提供了Profile，可以包括多個Service。不過，Profile并不像前面兩者那樣存在于伺服器。Profile是一種标準，用于說明一個特型裝置應該有哪些Service。比如說，HID（Human Interface Device）這種Profile，就說明了藍牙輸入裝置應該提供的Service。藍牙官方定義的Profile可參考資料。
我們用樹莓派來深入實踐上面學到的藍牙知識。首先要在樹莓派上安裝必要的工具。BlueZ是Linux官方的藍牙協定棧。你可以通過BlueZ提供的接口，進行豐富的藍牙操作。Raspbian中已經安裝了BlueZ。我使用的版本是5.43。你可以檢查自己的BlueZ版本：
低版本的BlueZ對低功耗藍牙的支援有限。如果你的使用版本低于5.43，那麼我建議你更新BlueZ。
你可以用下面的指令檢查BlueZ的運作狀态：
我的傳回結果是：
可以看到，藍牙服務已經打開，并在正常運作。
你可以用下面指令手動啟動或關閉藍牙服務：
此外，你還可以讓藍牙服務随系統啟動：
在Raspbian中，基本的藍牙操作可以通過bluez中的bluetoothctl指令進行。該指令運作後，将進入到一個新的Shell。在這個shell中輸入：
将顯示樹莓派上可用的藍牙子產品，例如：
運作scan指令，開啟掃描：
掃描啟動後，用devices指令，可以列印掃描到藍牙裝置的MAC位址和名稱，例如：
此外，你還可以用help指令獲得幫助。使用結束後，你可以用exit指令推出bluetoothctl。
除了bluetoothctl，在Raspbian是shell中可以通過hciconfig來控制藍牙子產品。比如開關藍牙子產品：
指令中的hci0指的是0号HCI裝置，即樹莓派的藍牙擴充卡。
與此同時，你可以用下面指令來檢視藍牙裝置的工作日志：
bluez本身還提供了連接配接和讀寫工具。但不同版本的bluez相關功能的差異比較大，而且使用起來不太友善，是以我下面使用Node.js的工具來實作相關功能。
下一步，我們嘗試用樹莓派進行BLE通信。我們先把一個樹莓派改造成BLE外設，同時它也将充當連接配接建立後的伺服器。這個過程較為複雜。你可以借用Node.js下的bleno庫。首先，安裝Node.js：
第一行的指令是為了確定安裝高版本的Node.js。
安裝bleno：
運作pizza的例子：
你可以在node_modules/bleno/examples/pizza/看到源代碼，或者到github檢視。這個例子提供了一個Service，它的UUID是1333-3333-3333-3333-3333-333333333337。Service中包含了三個Characteristics，分别是用于披薩餅參數、配料參數和烤披薩：
功能
權限
UUID
披薩餅選項
讀/寫
13333333333333333333333333330001
配料
13333333333333333333333333330002
烤披薩
寫/通知
13333333333333333333333333330003
通過這些Characteristic，我們可以對樹莓派進行BLE讀寫。讀寫操作會作用于一個代表比薩的對象。披薩餅選項有：
數值
描述
0x00
正常
0x01
厚
0x02
薄
配料是一個8位的參數，每一位代表了一種配料。當這一位是1時，那麼說明添加該配料：
第n位
7
6
5
4
3
2
1
SAUSAGE
BELL_PEPPERS
PINEAPPLE
CANADIAN_BACON
BLACK_OLIVES
EXTRA_CHEESE
MUSHROOMS
PEPPERONI
是以，0x1A代表了添加MUSHROOMS、BLACK_OLIVES、CANADIAN_BACON，感覺味道還不錯。
對于烤披薩來說，寫操作設定了烘烤的溫度和時間。時間到了之後，中心裝置會發出通知，告訴用戶端烘烤完成。我們下一步将用另一個樹莓派作為BLE中心裝置。不過，即使你沒有額外的樹莓派，你可以用iPhone上LightBlue這樣的App來測試這一部分完成的BLE外設。
我們拿另一個作為BLE的中心裝置進行掃描，并發起連接配接請求。連接配接建立後，該伺服器将充當客戶。和bleno對應，Node.js下有一個叫noble的項目，可以便捷地完成這一任務。首先，安裝noble:
noble中有一個同樣名為pizza的例子，不過這個例子實作的是用戶端。運作該例子：
這個例子将自動執行掃描、連接配接、服務發現、資料傳輸的全過程。如果你把bleno和noble部署到兩個樹莓派上，就可以在這兩個樹莓派之間進行藍牙通信了。如果你想自定義開發，那麼可以在node_modules/noble/examples/pizza/參考源代碼，或者到github檢視。
蘋果在BLE的基礎上推出了iBeacon協定。iBeacon使用了BLE的廣播部分，但不建立連接配接。一個遵守iBeacon協定的外設稱為Beacon。Beacon會廣播自己的身份資訊和發射信号的強度。中心裝置接收到廣播之後，除了可以獲知Beacon的身份之外，還能通過信号的衰減算出自己與Beacon的距離。在一個典型的超市應用場景中，每件商品可以帶上一個Beacon。消費者可以用手機看到自己周圍有哪些商品，從業人員也可以用手機來清點貨物。商家還可以在伺服器上提供商品相關的質保、促銷等資訊。使用者可以根據Beacon的編号，獲得這些附加資訊。
我們把配備了藍牙子產品的樹莓派改造成一個Beacon。既然Beacon隻使用了藍牙中的廣播，那麼應該關閉樹莓派的掃描，打開廣播，并且不接受藍牙連接配接：
下一步，把廣播資訊改為符合iBeacon協定的内容：
上面的指令附加了一串16進制資訊。其中0x08說明了整條資訊是藍牙指令，0x0008說明後面的内容将作為廣播資訊。
1E是廣播資訊開始的标志。按照藍牙通信的規定，廣播資訊最多有31個位元組。1E後面的廣播資訊分為兩組：
每一組一開始的一個位元組說明了該組資訊的長度。02說明了2個位元組，1A說明是26個位元組。随後一個位元組說明了改組資訊的類型。第一組的01說明了該組資訊是藍牙控制标志，第二組的FF說明了該組是藍牙制造商相關資訊。
我們來看第二組資訊的細節：
4C 00是制造商資訊，即蘋果。
02 15是iBeacon協定辨別。
63 6F 3F 8F 64 91 4B EE 95 F7 D8 CC 64 A8 63 B5部分是裝置的UUID，通常是使用者編号。
UUID後面的00 01是主編号（Major）。
再往後的00 02是次編号（Minor）。通過UUID、主編号、次編号的組合，我們可以唯一地确定iBeacon裝置。
最後的C5說明了藍牙信号強度，即在1米處測得的該Beacon的RSSI值。中心裝置把接收到的信号強度和該信号強度對比，就可以知道信号衰減了多少，進而推算出自己與Beacon的距離。由于我這裡寫入的C5沒有經過校準，是以距離測量很可能不準确。
在iPhone上安裝應用Locate Beacon來測試。當我進入到樹莓派的廣播範圍時，該應用就會顯示出手機距離樹莓派的距離。
使用結束後，可以用下面指令來恢複掃描和停止廣播：
這裡簡單介紹了藍牙協定，特别是低功耗藍牙。我以樹莓派的藍牙子產品為基礎，實作了BLE通信。
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