十、STM32入门之低功耗蓝牙（基于ESP32C3芯片）

一、低功耗蓝牙（BLE）概念知识

1、什么是 BLE？

• 定位：蓝牙技术的低功耗版本（2010 年随蓝牙 4.0 推出），主打 超低功耗、低成本、短距离通信，适合小设备（如传感器、穿戴设备）。
• 对比传统蓝牙（经典蓝牙）：
  

2、经典蓝牙架构：分层理解（从下到上）

这张图展示了蓝牙协议栈的层级结构，以下是各层级解析：

• 硬件层：由蓝牙芯片、射频模块构成，是蓝牙功能实现的物理基础，如同计算机的硬件平台，为上层协议提供运行载体。
• 控制器层：
  • PHY（物理层）：定义蓝牙信号的频率（2.4GHz）、调制方式等，如同通信的“语言基础”，负责信号的实际发送与接收。
  • LL（链路层）：管理蓝牙设备间的无线链路，处理数据分组、错误检测等，类似道路上的“交通规则”，保障链路通信有序。
  • HCI（主机控制接口）：作为硬件（控制器）与软件（主机层）的桥梁，负责两者间命令、数据和事件的传输，如同“翻译官”，让双方能理解彼此指令。
• 主机层：
  • L2CAP（逻辑链路控制与适配协议）：对数据进行分段、重组及多路复用，如同“包裹分拣中心”，确保不同类型数据高效传输。
  • ATT（属性协议）：定义数据在蓝牙设备间的呈现方式，如“物品标签”，标识数据属性。
  • GATT（通用属性配置文件）：基于ATT，用于设备间数据通信，像“数据交换协议”，规定如何获取和修改设备数据。
  • GAP（通用访问配置文件）：负责设备发现、连接、配对等，如同“社交礼仪”，规范设备间如何“打招呼”与“建立联系”。
• 协议层（Profiles）：
  • HFP（免提配置文件）：用于蓝牙耳机与手机通话，实现语音传输与控制。
  • A2DP（高级音频分发配置文件）：支持高质量音频无线传输，如蓝牙音箱播放音乐。
  • AVRCP（音频/视频远程控制配置文件）：允许设备远程控制多媒体，如用蓝牙耳机控制音乐播放/暂停。
  • PBAP（电话簿访问配置文件）、MAP（信息访问配置文件）：分别用于访问电话簿、短信等信息，实现设备间数据共享。
• 应用层：直接面向用户的功能，如音乐播放、电话接听，是蓝牙技术的最终应用体现，如同用户使用的具体“服务”。

3、BLE蓝牙协议栈

注意：BLE的蓝牙协议栈是没有协议层（HFP,A2DP,AVRCP等）的，这些协议属于 经典蓝牙（BR/EDR，蓝牙基本速率 / 增强数据速率） 的协议层，主要用于音频流传输（如音乐、通话）和传统设备交互，而 BLE（蓝牙低功耗，BLE/BT LE）的协议层完全独立于经典蓝牙，设计目标是低功耗、小数据量的设备连接（如传感器、穿戴设备）

它的协议栈可以简要概括如下

一句话总结（快速记忆）
GATT 是 BLE 的数据 “陈列和交易规则”，依赖 ATT（运输卡车）、L2CAP（高速公路）、HCI（仓库管理员）实现底层传输，通过 GAP（前台接待）建立连接，用 SMP（保安）保证安全，最后由各种 “标准服务”（如心率服务）统一数据格式。
UUID 是每个数据项的 “全球唯一身份证”，确保不同设备能正确识别对方的服务和特性。

4、BLE的细节基础知识

• 信道：工作在 2.4GHz 频段（和 Wi-Fi 同频段，但通过跳频避免干扰）。3 个 广播信道（固定频率：2402MHz、2426MHz、2480MHz，如下图所示），用于设备发现；37 个 数据信道（用于连接后通信）。
  
• 服务、特性、UUID：我们通过一个案例来解释。
  • BLE 设备 为 一家 “蓝牙小商店”：
    首先，每一个 BLE 设备（比如蓝牙手表、耳机、传感器）都可以看作是一家 “小商店”，而你手机里的蓝牙功能就是 “顾客”。
    商店里有什么？有 “服务柜台”（Service）、每个柜台里有 “商品”（Characteristic），每个柜台和商品都有独一无二的 “身份证号”（UUID）。
  • 服务（Service）= 商店里的 “服务柜台”：服务是 一组相关功能的集合，就像商店里的 “饮料柜台”“零食柜台”，专门卖一类东西，
    1）比如：
    蓝牙手表可能有一个 “健康数据柜台”（心率、步数服务）；
    蓝牙灯泡可能有一个 “灯光控制柜台”（调节亮度、颜色的服务）。
    2）特点：
    每个 “柜台”（服务）必须有一个 唯一的 ID（即 UUID，后面会讲）；
    一个设备可以有多个服务（比如手表同时有健康数据、电池电量两个服务柜台）。
  • 特性（Characteristic）= 柜台里的 “具体商品”：特性是服务里的 具体数据项，就像 “饮料柜台” 里的 “可乐”“果汁”，每个商品有自己的 “属性”（比如价格、容量）。
    1）比如：
    在 “健康数据柜台”（服务）里，有一个 “心率数据” 商品（特性），你可以 “查看”（读取）它的当前数值；
    在 “灯光控制柜台” 里，有一个 “亮度” 商品（特性），你可以 “设置”（写入）它的值（比如从 50% 调到 80%）。
    2）“商品属性”（特性的权限）：
    每个特性有 可读、可写、可通知 等权限，就像商品是否允许你 “查看价格”“修改数量”“缺货时提醒”：
    可读：允许顾客（手机）查看商品值（比如读取心率数值）；
    可写：允许顾客修改商品值（比如写入亮度参数）；
    通知（Notify）：当商品值变化时，主动告诉顾客（比如心率突然升高时，手表主动给手机发通知）。
  • UUID = 柜台和商品的 “全球唯一身份证号”：就像每个人有唯一的身份证号，每个服务和特性也有 全球唯一的 ID（UUID），确保不同品牌的 “蓝牙商店”（设备）能被正确识别。
    1）比如：
    所有蓝牙设备的 “电池电量服务” 都有一个 通用 UUID（0x180F），手机只要看到这个 ID，就知道这是电池服务；
    “心率数据特性” 的通用 UUID 是 0x2A37，手机看到这个 ID，就知道这是心率数据。
    2）UUID 的格式：
    128 位 UUID：长得像 00000000-0000-1000-8000-00805F9B34FB，是全球唯一的 “终极身份证”，由蓝牙协会分配（比如标准服务和特性用这种）；16 位 UUID：简化版 ID（比如 0x180F），只能在 蓝牙协会注册过的公司 / 组织范围内使用，避免冲突（自定义服务常用这种，但需要基于一个 128 位的 “主 UUID” 来生成）。
  • 举个真实例子：手机连蓝牙手表
    手机（顾客）走进手表商店（BLE 设备），想获取心率数据；
    找服务柜台：手机先搜索 “健康数据柜台”（服务），通过它的 UUID（比如 0x180D，这是蓝牙协会定义的 “健康数据服务”）找到对应的柜台；
    找具体商品：在这个柜台里，找到 “心率数据” 商品（特性），通过它的 UUID（0x2A37）确认这是心率数据；
    操作商品：
    如果需要实时心率，手机会 “订阅” 这个特性的 “通知” 权限，这样手表每次测到新心率，就会主动 “告诉” 手机（无需手机反复询问，省电！）；
    如果需要历史数据，手机可以 “读取” 这个特性的数值。

5、BLE 典型应用场景

• 穿戴设备（智能手表、手环）
  手机（中心）连接手表（外围），同步步数、心率，接收通知。
  关键：通过 GATT 服务交换数据（如 “健康服务”“设备信息服务”）。
• 物联网传感器（温湿度、血压计）
  传感器（外围）定期广播数据，手机 / 网关（中心）接收解析。
  优势：纽扣电池续航数年，无需频繁充电。
• Beacon 定位
  Beacon 设备（广播者）持续发送广播包（含位置 UUID），手机（观察者）通过信号强度计算距离，实现室内导航。
• 蓝牙 Mesh（蓝牙 5.0 + 功能）
  多设备组网（如智能灯泡、插座），通过中继传输信号，覆盖更大范围（类比 “接力赛”，设备间转发数据）。

二、ESP32C8蓝牙模块

1、芯片

stm32芯片通过向ESP32的U1串口发送蓝牙相关的AT指令，实现蓝牙通信。

1、 蓝牙相关的AT 命令集

• AT+BLEINIT：Bluetooth LE 初始化
• AT+BLEADDR：设置 Bluetooth LE 设备地址
• AT+BLENAME：查询/设置 Bluetooth LE 设备名称
• AT+BLESCANPARAM：查询/设置 Bluetooth LE 扫描参数
• AT+BLESCAN：使能 Bluetooth LE 扫描
• AT+BLESCANRSPDATA：设置 Bluetooth LE 扫描响应
• AT+BLEADVPARAM：查询/设置 Bluetooth LE 广播参数
• AT+BLEADVDATA：设置 Bluetooth LE 广播数据
• AT+BLEADVDATAEX：自动设置 Bluetooth LE 广播数据
• AT+BLEADVSTART：开始 Bluetooth LE 广播
• AT+BLEADVSTOP：停止 Bluetooth LE 广播
• AT+BLECONN：建立 Bluetooth LE 连接
• AT+BLECONNPARAM：查询/更新 Bluetooth LE 连接参数
• AT+BLEDISCONN：断开 Bluetooth LE 连接
• AT+BLEDATALEN：设置 Bluetooth LE 数据包长度
• AT+BLECFGMTU：设置 Bluetooth LE MTU 长度
• AT+BLEGATTSSRVCRE：GATTS 创建服务
• AT+BLEGATTSSRVSTART：GATTS 开启服务
• AT+BLEGATTSSRVSTOP：GATTS 停止服务
• AT+BLEGATTSSRV：GATTS 发现服务
• AT+BLEGATTSCHAR：GATTS 发现服务特征
• AT+BLEGATTSNTFY：服务器 notify 服务特征值给客户端
• AT+BLEGATTSIND：服务器 indicate 服务特征值给客户端
• AT+BLEGATTSSETATTR：GATTS 设置服务特征值
• AT+BLEGATTCPRIMSRV：GATTC 发现基本服务
• AT+BLEGATTCINCLSRV：GATTC 发现包含的服务
• AT+BLEGATTCCHAR：GATTC 发现服务特征
• AT+BLEGATTCRD：GATTC 读取服务特征值
• AT+BLEGATTCWR：GATTC 写服务特征值
• AT+BLESPPCFG：查询/设置 Bluetooth LE SPP 参数
• AT+BLESPP：进入 Bluetooth LE SPP 模式
• AT+SAVETRANSLINK：设置 Bluetooth LE 开机透传模式 信息
• AT+BLESECPARAM：查询/设置 Bluetooth LE 加密参数
• AT+BLEENC：发起 Bluetooth LE 加密请求
• AT+BLEENCRSP：回复对端设备发起的配对请求
• AT+BLEKEYREPLY：给对方设备回复密钥
• AT+BLECONFREPLY：给对方设备回复确认结果（传统连接阶段）
• AT+BLEENCDEV：查询绑定的 Bluetooth LE 加密设备列表
• AT+BLEENCCLEAR：清除 Bluetooth LE 加密设备列表
• AT+BLESETKEY：设置 Bluetooth LE 静态配对密钥
• AT+BLEHIDINIT：Bluetooth LE HID 协议初始化
• AT+BLEHIDKB：发送 Bluetooth LE HID 键盘信息
• AT+BLEHIDMUS：发送 Bluetooth LE HID 鼠标信息
• AT+BLEHIDCONSUMER：发送 Bluetooth LE HID consumer 信息
• AT+BLUFI：开启或关闭 BluFi
• AT+BLUFINAME：查询/设置 BluFi 设备名称
• AT+BLUFISEND: 发送 BluFi 用户自定义数据
• AT+BLEPERIODICDATA：设置 Bluetooth LE 周期性广播数据
• AT+BLEPERIODICSTART：开启 Bluetooth LE 周期性广播
• AT+BLEPERIODICSTOP：停止 Bluetooth LE 周期性广播
• AT+BLESYNCSTART：开启周期性广播同步
• AT+BLESYNCSTOP：停止周期性广播同步
• AT+BLEREADPHY：查询当前连接使用的 PHY
• AT+BLESETPHY：设置当前连接使用的 PHY

三、代码案例