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【物联网】关于 GATT (Generic Attribute Profile)基本概念与三种操作（Read / Write / Notify）的理解

ds 2025/8/30 8:09:41

“BLE 读写”在这里具体指什么？

在你的系统里，树莓派是 BLE Central，Arduino 是 BLE Peripheral。
Central 和 Peripheral 通过 **GATT 特征（Characteristic）**交互：

读（Read）：Central 主动读取某个特征当前的值。
在 bleak 里是 await client.read_gatt_char(UUID)。

你当前并不依赖“主动读”，而是用 Notify 被动接收（更省电、实时）。
写（Write）：Central 把数据写入一个“可写”的特征，驱动 Peripheral 执行操作。
在 bleak 里是 await client.write_gatt_char(UUID, b"...")（注意必须是 bytes）。

你现在的实现：

BLE 写（Central → Peripheral）：
RPi 调用 write_gatt_char(COMMAND_UUID, payload.encode())，把命令写入 Arduino 的 commandCharacteristic（BLEWrite），Arduino 在 commandCharacteristic.written() 分支里解析并控制 LED。
BLE 读（有两种做法）：
1. 主动读：read_gatt_char(SENSOR_UUID)……（你没用）
2. ✅ 订阅通知 Notify：start_notify(SENSOR_UUID, on_notify)，Arduino 每次 sensorCharacteristic.writeValue(json)，Central 就自动收到回调。
  这就是你代码里的“读传感器数据”的实际完成方式。

一句话：你用 write 做“下发命令”，用 notify 完成“读数据”。

“MQTT 桥（bridge）”是什么意思？

你的 Python 脚本同时连两张“网”：

一边是 BLE（和 Arduino 说话）
一边是 MQTT（和云端 Broker 说话）

脚本把两边的消息“转接”起来，所以叫 桥接（bridge）：

从 BLE 收到的 传感器 JSON → publish 到 MQTT 主题（iot/sensors/data）
从 MQTT 收到的命令 → write_gatt_char 写到 BLE 的命令特征（COMMAND_UUID）

整个脚本不做复杂业务，只负责协议转换与转发，这就是“MQTT 桥”。

“上行 / 下行”到底指什么？

在物联网里通常以“设备（Node）→ 云”为上行（uplink），反方向为下行（downlink）。
对照你的 Topic 命名就一目了然：

上行 (Node → Edge → Cloud)：
Arduino(传感器) --BLE Notify--> RPi  --MQTT publish-->  Broker
Topic: iot/sensors/data下行 (Cloud → Edge → Node)：
Broker  --MQTT publish-->  RPi  --BLE write-->  Arduino(执行器)
Topic: iot/commands/arduino

所以你截图里注释是：

TOPIC_SENSOR = "iot/sensors/data" → 上行：RPi 把从 BLE 收到的数据发到 MQTT
TOPIC_CMD = "iot/commands/arduino" → 下行：RPi 订阅这个主题，拿到命令再写回 BLE

和你的代码逐项对应

BLE Notify（读数据）

await client.start_notify(SENSOR_UUID, on_ble_notify)  # 订阅上行特征
def on_ble_notify(sender, data):s = data.decode("utf-8")mqtt_client.publish("iot/sensors/data", s)         # → 上行到云

Arduino 端对应：

BLEStringCharacteristic sensorCharacteristic(..., BLERead|BLENotify, 100);
sensorCharacteristic.writeValue(json); // 改值 → Central 收到 Notify

BLE Write（下发命令）

mqtt_client.subscribe("iot/commands/arduino")          # 订阅下行
await client.write_gatt_char(CMD_UUID, payload.encode("utf-8"))

Arduino 端对应：

BLEStringCharacteristic commandCharacteristic(..., BLEWrite, 100);
if (commandCharacteristic.written()) { processCommand(commandCharacteristic.value()); }

什么时候会用“BLE Read”而不是“Notify”？

Read：偶尔读一次静态信息（固件版本、电池电量快照等）。
Notify：连续流式数据（传感器、心率、IMU），Central 只订阅一次即可被动接收，省电且实时。
你的 DHT11 场景显然属于 Notify 更合适。

“BLE 读写就是对 GATT 特征的操作：Central 可以 read 当前值、write 新值；外设还有 notify 主动推送。我们用 notify 做上行数据，用 write 做下行命令。”
“MQTT 桥是把 BLE 和 MQTT 两个世界打通的中间件：BLE→MQTT 发布传感器、MQTT→BLE 下发命令。”
“上行就是从设备到云，下行就是从云到设备；在我们项目里上行用 iot/sensors/data，下行用 iot/commands/arduino。”
下面把 GATT 基本概念 和 Read / Write / Notify 三种操作讲清楚，并且逐一映射到你现在的代码与项目里的作用。看完你就能用“协议层 → 代码 → 演示”的角度完整回答老师的问题。

0) 角色与协议栈（1 句话）

Arduino Nano 33 IoT = Peripheral（外设）：提供数据与控制接口。
Raspberry Pi = Central（中心）：连接外设，读数据、下发命令。
ATT/GATT：BLE 连接后，以“属性表（ATT）”承载“服务/特征（GATT）”。

1) GATT 是什么？怎么放东西？

GATT（Generic Attribute Profile）是“把数据和操作放进一张属性表”的方式。表里每一行叫 Attribute（属性），最常见的 4 种行：

Primary Service（主服务声明）
Characteristic Declaration（特征声明）
Characteristic Value（特征的值）← 真正的数据在这里
Descriptor（描述符）：最常用的是 CCCD(0x2902)，专门用来开/关该特征的 Notify/Indicate

你在 Arduino 里写的
BLEService sensorService(SERVICE_UUID);
BLEStringCharacteristic sensorCharacteristic(SENSOR_CHAR_UUID, BLERead|BLENotify, 100);
BLEStringCharacteristic commandCharacteristic(COMMAND_CHAR_UUID, BLEWrite, 100);
BLE.addService(sensorService);
ArduinoBLE 会自动把“服务 + 两个特征（及它们的声明/值/CCCD）”注册到这张属性表里，Central 一连上就能按 UUID 查到它们。

2) 三种操作：Read / Write / Notify（概念 → 报文 → 你的代码）

A. Read（Central 主动读）

概念：Central 发送“Read Request”，外设回“Read Response（带当前值）”。
什么时候用：偶尔拿一次“快照”数据（版本号、电量、一次性读取等）。
你项目里：不依赖主动 Read，而是用 Notify（更实时、省电）。但你给了 BLERead 权限，便于用 App 或脚本手动读试试。

你可以怎么演示（可选）
RPi 端：

value = await client.read_gatt_char(SENSOR_UUID)  # 主动读一次
print(value.decode())

Arduino 端：无需额外代码，Characteristic 有 BLERead 权限即可。

B. Write（Central 写入）

概念：Central 把数据写到某个“可写”特征的 Characteristic Value 里。
（有两种写法：有应答/无应答。bleak 默认“有应答”，更稳。）
典型用途：下发命令、设置参数。
在 ATT 层：Central 发“Write Request”，外设收后可更新本地状态、驱动硬件。

你的代码如何实现

外设（Arduino）定义“可写特征”
```
BLEStringCharacteristic commandCharacteristic(COMMAND_CHAR_UUID, BLEWrite, 100);
```
BLEWrite 表示这个特征接收写操作。

外设接收写入并执行（控制 LED）

if (commandCharacteristic.written()) {             // 有人刚写过来String cmd = commandCharacteristic.value();    // 取到写入的数据（字符串/JSON）processCommand(cmd);                           // 解析 {"led":"on"} / LED_ON ...
}

中央（RPi/bleak）写入命令

await client.write_gatt_char(CMD_UUID, payload.encode("utf-8"))
# 注意：第二个参数必须是 bytes；JSON 字符串要 .encode()

项目中的作用：完成 rubric 里的
“Receive commands from RPi” + “Operate actuators (LED)”。
命令路径是：MQTT（云）→ RPi（订阅）→ BLE Write → Arduino（处理）→ LED 变更。

C. Notify（Peripheral 主动推送）

概念：外设并不会“无限制地广播值”，而是当 Central 订阅后，在值变化时主动推送“通知”。
订阅是通过写 CCCD（0x2902）为 0x0001 来“打开通知”。Central 的 API（如 start_notify）内部就是在写这个 CCCD。
优点：事件驱动、省电、实时。Central 不用不停轮询 Read。
在 ATT 层：外设每次更新这个特征的 Value，就发送一个 Handle Value Notification 给所有订阅者。

你的代码如何实现

外设（Arduino）允许通知并更新特征值

BLEStringCharacteristic sensorCharacteristic(SENSOR_CHAR_UUID, BLERead | BLENotify, 100);
// 每 5 秒更新一次值；若有人订阅，就会收到 Notify
sensorCharacteristic.writeValue(jsonString);

中央（RPi/bleak）开启订阅并处理回调

await client.start_notify(SENSOR_UUID, on_ble_notify)
def on_ble_notify(sender, data):s = data.decode('utf-8')           # data 是字节串mqtt_client.publish(TOPIC_SENSOR, s)

项目中的作用：完成 rubric 里的
“Send the data to RPi via BLE”（Arduino 把 DHT11 JSON 主动推过来），
同时与 “Publish the data to a MQTT topic” 无缝衔接（回调里直接 publish）。

小知识：如果 Central 没订阅，writeValue() 只会更新本地的特征值，不会发网络通知；Read 仍能读到新值。只有订阅后，才会看到“被动推送”。

3) 把三者串在一起：一次完整数据/命令的“包级视角”

上行（传感器 → 云）

Arduino 每 5 秒 sensorCharacteristic.writeValue(json)
RPi 之前已 start_notify，它会自动收到 Notification（ATT 的 Handle Value Notification）
RPi 在回调里 mqtt.publish("iot/sensors/data", json)
Broker(AWS) 收到消息，前端或测试终端 mosquitto_sub 能看到

下行（云 → 执行器）

AWS 发布到 iot/commands/arduino：{"led":"on"} 或 LED_ON
RPi MQTT 回调触发，调用 write_gatt_char(CMD_UUID, bytes)
Arduino 的 commandCharacteristic.written() 被触发，processCommand() 解析并
digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH) → LED 点亮

4) 代码里和 GATT 的“硬知识”细节

UUID 的意义：Central 根据 UUID 定位到具体 Service / Characteristic。你用的自定义 UUID（不冲突即可）。
属性权限（Properties）：BLERead | BLENotify 与 BLEWrite 是对 Characteristic Declaration 里 Properties 字段的具体配置。
CCCD（0x2902）：当你在 RPi 调用 start_notify() 时，底层其实是往该特征的 CCCD 写 0x0001。取消订阅则写回 0x0000。
MTU/长度：BLE 经典 ATT MTU 23 字节（有效负载 20），ArduinoBLE 会做分片/重组；你把字符串特征长度设为 100，建议 JSON 保持精简（温度/湿度/时间戳足够），避免手机 App/不同 Central 的兼容问题。
Write with / without response：bleak 默认“有应答”（更稳），ArduinoBLE 也支持；如果后期要“更快但不在乎丢包”，可改为“无应答”版本，但课堂演示不需要。

GATT 是什么？
“连接后设备以属性表的方式暴露数据和操作。我们用 1 个 Service，放了 2 个 Characteristic：一个温湿度（Read | Notify），一个命令（Write）。Central 按 UUID 找到它们。”
为什么用 Notify 而不是不停 Read？
“Notify 是事件驱动、低延迟、低功耗；Central 订阅一次，外设有新值就主动推。我们的 DHT11 就属于流式数据场景。”
Write 的安全/可靠性？
“默认 Write with Response，Central 会收到写成功的确认。命令是 JSON/文本，外设解析后控制 LED。”
CCCD 是做什么的？
“是特征的“通知开关”。start_notify() 实际上是写它为 0x0001；取消订阅是 0x0000。”

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