第9节 BLE 编程

重要提示：关于开发板的兼容性

本教程的核心逻辑适用于所有 ESP32 开发板，但所有操作步骤均以 微雪 ESP32-S3-Zero 迷你开发板 为例进行讲解。如果您使用其他型号的开发板，请根据实际情况修改相应设置。

本节介绍 ESP32 低功耗蓝牙 (BLE) 的基础知识，并通过一个 GATT 服务器示例，演示创建 BLE 服务与特征，以及使用手机 App 与开发板进行蓝牙通信的过程。

0. 蓝牙 (Bluetooth)

ESP32 系列芯片内置了强大的蓝牙功能，使其成为智能穿戴、无线传感和设备间近场通信的理想选择。蓝牙技术分为两种主要类型：

• 经典蓝牙 (Bluetooth Classic)：为持续性、高吞吐量的数据传输设计，常见于无线音频设备。
• 低功耗蓝牙 (Bluetooth Low Energy, BLE)：专为低功耗、间歇性、小数据包通信而优化，是物联网（IoT）应用的主流选择，如智能手环、无线传感器。

ESP32 芯片的蓝牙支持情况有所不同：

• 经典的 ESP32 芯片同时支持经典蓝牙和 BLE；
• 而后续的新型号均只支持 BLE（具体支持情况请查看：ESP32 产品概览）。在物联网、可穿戴设备等领域，BLE 因其低功耗和高兼容性成为首选。

本教程将聚焦于低功耗蓝牙（BLE）技术的应用。

1. 低功耗蓝牙 (BLE) 概述

BLE（Bluetooth Low Energy，低功耗蓝牙）是一种专为低功耗、间歇性数据传输设计的无线通信协议。它在蓝牙 4.0 标准中被引入，与经典蓝牙（Bluetooth Classic）不兼容。BLE 的典型应用场景包括物联网（IoT）设备、智能开关、智能传感器、可穿戴设备等。与经典蓝牙相比，BLE 的通信速率更低，但功耗极低，非常适合需要长时间电池续航的设备。

ESP-IDF（Espressif IoT Development Framework）为 ESP32 系列芯片提供了完整的 BLE 协议栈支持。其 BLE 协议栈采用分层架构，主要包括：

• 蓝牙控制器层 (Controller)：负责底层硬件接口和链路管理。
• 蓝牙主机层 (Host)：ESP-IDF 支持两种主机协议栈：
  • ESP-Bluedroid：支持经典蓝牙和 BLE（部分芯片仅支持 BLE），架构清晰但资源占用较大。
  • ESP-NimBLE：仅支持 BLE，资源占用更小，适合对内存和固件尺寸有较高要求的场景。
• 蓝牙规范层 (Profiles)：如 ESP-BLE-MESH（基于 Zephyr Mesh 协议栈）、BluFi（通过 BLE 配置 Wi-Fi）等。
• 应用层 (Applications)：开发者可基于上述 API 和规范开发各种 BLE 应用。

2. BLE 主要协议

BLE 的核心协议包括 GAP（Generic Access Profile，负责设备发现、连接管理、广播等）和 GATT（Generic Attribute Profile，定义数据通信格式）。详细介绍可以参考 ESP32 Arduino 入门教程 - BLE 基础概念 和 低功耗蓝牙的分层架构。

• GAP（Generic Access Profile）：定义设备发现、连接管理、广播等，规定了设备的连接行为和角色（如广播者、扫描者、连接发起者、外围设备、中央设备），并支持多角色和多连接拓扑。
• GATT/ATT（Generic Attribute Profile / Attribute Protocol）：定义数据的表示和交换方式。ATT 以属性为基本数据结构，采用客户端/服务器架构。GATT 在 ATT 基础上定义了特征（Characteristic）、服务（Service）、规范（Profile）等概念，实现数据的分层和复用。
• L2CAP（逻辑链路控制与适配协议）：负责数据分段、重组和复用，为上层协议提供数据通道。
• SMP（安全管理协议）：负责身份验证、加密和安全配对。

3. 示例程序

基于官方代码示例 NimBLE_GATT_Server 演示如何用 ESP-IDF 在 ESP32-S3 上实现一个低功耗蓝牙应用，并通过 LightBlue 手机调试 App 控制 LED 并读取模拟心率数据，以此建立对低功耗蓝牙功能的直观认识。有关使用 nRF Connect for Mobile 的替代方法，请参阅 ESP-IDF 编程指南 - BLE 入门指南。

3.1 打开示例项目

1. 打开 VS Code，点击图标启动 ESP-IDF 扩展。在 "Advanced" 选项中点击 "显示示例项目"。

   

2. 选择 ESP-IDF 版本。

   

3. 在示例列表中的 "bluetooth" 分类下选择 "NimBLE_GATT_Server"。然后，点击 "Select location for creating NimBLE_GATT_Server project" 选择项目存放文件夹。

   ESP-IDF 扩展将自动复制示例代码到指定位置并打开新项目。

   注意

   项目存放路径中不要包含空格、中文和特殊字符。

   

3.2 修改项目配置

该示例项目默认配置了一个用于状态指示的 LED。为了让程序能正确控制开发板的板载 LED，需要根据开发板的实际硬件连接来修改 LED 的类型和 GPIO 引脚。

1. 点击 打开 SDK 配置编辑器。

   不同于 idf.py menuconfig 提供的命令行配置工具 (TUI)，ESP-IDF VS Code 插件提供了更直观的图形化配置界面。

2. 根据开发板板载 LED 修改配置：

   

   • Blink LED type：选择 LED 类型。
     • GPIO：普通 LED。
     • LED strip: 可寻址 LED (如 WS2812)。
   • Blink GPIO number：设置 LED 所连接的 GPIO 引脚编号。
   • Blink period in ms： 设置 LED 闪烁的周期（单位：毫秒）。
   信息

   本教程使用的 微雪 ESP32-S3-Zero 迷你开发板 板载了一颗 WS2812 可寻址 LED，它连接在 GPIO 21 引脚上。

3. 修改完成后，点击 "保存" 按钮。

3.3 构建、烧录和监视

1. 配置烧录选项

   首先，在构建和烧录之前，请务必检查并设置正确的目标设备、串口和烧录方式。参考 第 2 节 运行示例 - 1.3 配置项目。

   

2. 点击 一键自动依次执行构建、烧录和监视这三个步骤。

3. 烧录完成后，串口监视器会开始打印信息。可以看到 BLE 初始化的日志，以及随机生成的心率数据以约 1 Hz 的频率在 60-80 范围内更新。

   

3.4 通过蓝牙连接开发板

提示

本示例需要使用蓝牙调试工具，如 LightBlue。iOS 用户可在 Apple Store 下载，安卓用户可在应用商店搜索 LightBlue 下载。

打开 LightBlue，按照下面步骤操作：

• 连接开发板：

  首先，搜索 "GATT"，找到 "NimBLE_GATT" 设备。点击右侧按钮可展开查看广播信息，然后点击 "Connect" 进行连接。

  

  在设备详情页中，可以看到该设备有两个服务，每个服务下各有一个特征。这两个服务都采用了标准的 Bluetooth SIG UUID，因此被自动识别为 "Heart Rate" 和 "Automation IO"，分别提供心率数据读取和 LED 控制功能。

• 接收心率数据：

  点击进入 "Heart Rate Measurement" 特征。然后点击右上角的 "HEX" 设置数据类型。将 "Byte Limit" 设为 1，选择 "1 Byte Unsigned Integer" 并保存，以便后续查看数据。

  

  保存后返回特征详情页，点击 "Read" 读取数据。也可以点击 "Subscribe" 订阅数据，当心率更新时会自动推送。

  

• 控制 LED:

  点击左上角的返回按钮，回到上个页面。然后进入 "0x00001525-1212-EFDE-1523-785FEABCD123" 特征。

  这个 UUID 不是蓝牙标准定义的 SIG UUID，因此不会被自动识别，而是直接显示原始 UUID。（在 Nordic Semiconductor 开发的 nRF Connect for Mobile 中能够被识别为 LED）

  

  它实际上是几个知名厂商（特别是 Nordic Semiconductor）在示例代码中广泛使用的 UUID，通常代表 LED 状态特征。它接收 1 字节整数：写入 0x01 表示"开"，写入 0x00 表示"关"。

  点击 "Write new value"，写入数值 1，LED 随即亮起。如果写入数值 0，LED 会随之熄灭。

  

5. 参考链接

• ESP Friends - BLE 示例
• ESP Friends - BLE 示例 - 通用步骤
• API 指南 - 低功耗蓝牙 ®
• API 指南 - 低功耗蓝牙 ® - 快速入门