基于Cannon小钢炮蓝牙通信添加服务与特性

STM32
STM32CubeMx
发布日期:   2020-12-18
文章字数:   2.2k

实验目的

本文主要目的是添加服务与特性，在BLE Scanner中实现读，写，通知。

实验环境

  1. 软件: stm32cubemx ,keilMDK，BLE Scanner, WireShark
  2. 硬件：Cannon小钢炮
  3. 资料：BlueNRG-1、BlueNRG-2 BLE 栈 v2.x 编程指南

实验步骤

STM32CubeMx配置

软件设计

蓝牙协议栈

要实现蓝牙之间的通信，首先得知道蓝牙之间如何进行通信的。
一般而言，我们把某个协议的实现代码称为协议栈，BLE协议栈就是实现低功耗蓝牙协议的代码，理解和掌握BLE协议是实现BLE协议栈的前提。接下来对BLE协议进行简单介绍。
简单来说，BLE协议栈主要用来对应用数据进行层层封包，以生成一个满足BLE协议的空中数据包，也就是说，把应用数据包裹在一系列的帧头（header）和帧尾（tail）中。
蓝牙协议规定了两个层次的协议，分别为蓝牙核心协议（Bluetooth Core）和蓝牙应用层协议（Bluetooth Application）。而蓝牙核心协议（Bluetooth Core）又包含BLE Controller和BLE Host两部分。

BLE低功耗蓝牙核心协议层

通用访问配置文件层(GAP) ：它定义了设备如何彼此发现，建立连接以及如何实现绑定，同时描述了设备如何成为广播者和观察者，实现无需连接的数据传输，并且定义了如何用不同类型的地址来实现隐私性和可解性。也就是说它定义了一个蓝
牙设备所需具备的基本要求。
通用属性配置文件层（GATT）：GATT用来规范attribute中的数据内容，并运用group（分组）的概念对attribute进行分类管理。他定义了使用ATT协议的框架，被用于服务，特征，描述符发现，特征读写，写入，指示和通知。
属性协议层（ATT）：简单来说，ATT层用来定义用户命令及命令操作的数据，比如读取某个数据或者写某个数据。BLE协议栈中，开发者接触最多的就是ATT。BLE引入了attribute概念，用来描述一条一条的数据。Attribute除了定义数据，同时定义该数据可以使用的ATT命令，因此这一层被称为ATT层。
安全管理层(SM):当两个设备要在连接期间进行通信加密时，安全管理器使用配对流程。此流程允许通过交换身份信息来验证两个设备，交换信息是为了创建可作为受信任关系或（单个）安全连接基础的安全密钥。有一些方法用于执行配对过程。
逻辑链路控制及自适应协议层(L2CAP):支持更高层协议复用、数据包分割和重组操作以及服务信息质量的通知。
主机控制器接口（HCI）：主机和控制器之间提供了一种通信方式。本文使用的SPI接口实现HOST与Control的连接。
链路层（LL）：LL层是整个BLE协议栈的核心，也是BLE协议栈的难点和重点。LL层要做的事情非常多，比如具体选择哪程度 个射频通道进行通信，怎么识别空中数据包，具体在哪个时间点把数据包发送出去，怎么保证数据的完整性，ACK如何接收，如何进行重传，以及如何对链路进行管理和控制等等。LL层只负责把数据发出去或者收回来，对数据进行怎样的解析则交给上面的GAP或者ATT。
物理层（PHY）：PHY层用来指定BLE所用的无线频段，调制解调方式和方法等。

添加服务与特性
  1. 打开keilMDK，找到gatt_db.c文件，添加服务与特性的UUID，定义服务与特性句柄
    #define COPY_USART1_SERVICE_UUID(uuid_struct)          COPY_UUID_128(uuid_struct,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x03,0x11,0xe1,0x9a,0xb4,0x00,0x02,0xa5,0xd5,0xc5,0x1b)
#define COPY_SEND_AND_RECEIVE_CHAR_UUID(uuid_struct)   COPY_UUID_128(uuid_struct,0x01,0x00,0x00,0x00,0x00,0x01,0x11,0xe1,0x9a,0xb4,0x00,0x02,0xa5,0xd5,0xc5,0x1b)
uint16_t UTServW2STHandle, SendandreceiveCharHadle;
  2. 要实现添加服务，首先得知道这几个函数：
    aci_gatt_add_serv功能是将服务添加到GATT服务器中，入口参数如下： 
tBleStatus aci_gatt_add_serv(uint8_t service_uuid_type,   //服务类型UUID（16位或128位）
                 const uint8_t* service_uuid,             //基于UUID类型字段的16位或128位UUID
                 uint8_t service_type,                    //主要或辅助服务
                 uint8_t max_attr_records,                //添加到此服务的最大属性记录数（包括服务声明本身）
                 uint16_t *serviceHandle);                //务的句柄。将此服务添加到服务后，服务器将句柄分配给该服务。服务器也将此服务的句柄范围从serviceHandle分配给<serviceHandle + max_attr_records>。

aci_gatt_add_char功能是为服务添加特征。入口参数如下：

tBleStatus aci_gatt_add_char(uint16_t serviceHandle, //向其添加特征的服务的句柄。
                 uint8_t charUuidType,               //特征UUID的类型（16位或128位）。
                 const uint8_t* charUuid,            //16位或128位UUID
                 uint8_t charValueLen,              //特征值的最大长度
                 uint8_t charProperties,            //特征属性,
                 uint8_t secPermissions,            //添加的特征的安全权限
                 uint8_t gattEvtMask,               //位掩码，用于启用将由GATT服务器发送到应用程序的事件
                 uint8_t encryKeySize,              //此属性的最小加密密钥大小要求。有效范围：7到16。
                 uint8_t isVariable,                //如果属性具有可变长度值字段（1）或没有（0）。
                 uint16_t* charHandle);             //已添加特征的句柄。它是特征声明的句柄。

在gatt_db.c文件中，添加自己所写的服务与特性，在初始化过程中添加此函数，实现服务与特性的添加。代码如下：


tBleStatus Add_USARTServW2ST_Service(void)
{
  tBleStatus ret;
  int32_t NumberOfRecords=1;
  uint8_t uuid[16];

  COPY_USART1_SERVICE_UUID(uuid);
  BLUENRG_memcpy(&service_uuid.Service_UUID_128, uuid, 16);
  ret = aci_gatt_add_serv(UUID_TYPE_128, service_uuid.Service_UUID_128, PRIMARY_SERVICE,
                          1+3*NumberOfRecords, &UTServW2STHandle);

  if (ret != BLE_STATUS_SUCCESS) {
    goto fail;
  }

  COPY_SEND_AND_RECEIVE_CHAR_UUID(uuid);
  BLUENRG_memcpy(&char_uuid.Char_UUID_128, uuid, 16);
  ret =  aci_gatt_add_char(UTServW2STHandle, UUID_TYPE_128, char_uuid.Char_UUID_128,
                           2+4+2,
                           CHAR_PROP_NOTIFY|CHAR_PROP_READ|CHAR_PROP_WRITE,
                           ATTR_PERMISSION_NONE,
                           GATT_NOTIFY_READ_REQ_AND_WAIT_FOR_APPL_RESP|GATT_NOTIFY_WRITE_REQ_AND_WAIT_FOR_APPL_RESP|GATT_NOTIFY_ATTRIBUTE_WRITE,
                           16, 1, &SendandreceiveCharHadle);

  if (ret != BLE_STATUS_SUCCESS) {
    goto fail;
  }

  return BLE_STATUS_SUCCESS;

fail:
  return BLE_STATUS_ERROR;
}

  1. 在sensor.c文件中添加属性事件。user_notify函数功能作用是回调处理ACI事件。在 case EVT_VENDOR:语句中，是对属性进行判断。EVT_BLUE_GATT_READ_PERMIT_REQ是GATT读允许请求，EVT_BLUE_GATT_WRITE_PERMIT_REQ为GATT写允许请求，EVT_BLUE_GATT_ATTRIBUTE_MODIFIED为GATT通知。当客户端对服务器进行读，写，通知时，程序将进入此函数进行相关操作。

    case EVT_VENDOR:
 {
   evt_blue_aci *blue_evt = (void*)event_pckt->data;
   switch(blue_evt->ecode){
   case EVT_BLUE_GATT_ATTRIBUTE_MODIFIED:
    {
      evt_gatt_attr_modified_IDB05A1 *nt = (void*)blue_evt->data; 
      //uint8_t a = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB,GPIO_PIN_3);
      //aci_gatt_update_char_value_ext_IDB05A1(nt->conn_handle,nt->attr_handle,0x01,4,6,2,&a);
    }
    break;
   case EVT_BLUE_GATT_READ_PERMIT_REQ:
     {
       evt_gatt_read_permit_req *pr = (void*)blue_evt->data;
       Read_Request_CB(pr->attr_handle);
     }
     break;
   case EVT_BLUE_GATT_WRITE_PERMIT_REQ:
     {
        evt_gatt_write_permit_req *pw = (void*)blue_evt->data;
        Write_Request_CB(pw);
     }  
     break;
   }

 }
 break;
}

  2. 对相应的属性做出响应。
    在EVT_BLUE_GATT_READ_PERMIT_REQ中，进入Read_Request_CB函数，添加的读属性进行操作，本文将0x1234发送给客户端。

else if(handle == SendandreceiveCharHadle + 1)
  {

     BlueMS_Sendandreceive_Update(0x12345678, 0x1234);
  }

BlueMS_Sendandreceive_Update函数功能为将服务器中的数据发送给客户端，代码如下：

  //更新数据
tBleStatus BlueMS_Sendandreceive_Update(int32_t press, int16_t temp)
{
  tBleStatus ret;
  uint8_t buff[2];
  HOST_TO_LE_16(buff, HAL_GetTick()>>3);

  //HOST_TO_LE_32(buff+2,press);
  HOST_TO_LE_16(buff,temp);

  ret = aci_gatt_update_char_value(UTServW2STHandle, SendandreceiveCharHadle,
                                   0, 2, buff);

  if (ret != BLE_STATUS_SUCCESS){
    PRINTF("Error while updating TEMP characteristic: 0x%04X\n",ret) ;
    return BLE_STATUS_ERROR ;
  }

  return BLE_STATUS_SUCCESS;
}

在EVT_BLUE_GATT_WRITE_PERMIT_REQ中，添加Write_Request_CB函数，客户端写数据时，程序将进入这里，服务器进行读取进行相关操作，本函数只是从客户端写入的数据放入dubf数组中，没有进行相关操作，代码如下：

 void Write_Request_CB(evt_gatt_write_permit_req *pw)
{
  tBleStatus ret;
  uint8_t dubf[4];
   if(connection_handle !=0)
  {
    ret = aci_gatt_write_response(pw->conn_handle,pw->attr_handle,0,0,pw->data_length,pw->data);
    if (ret != BLE_STATUS_SUCCESS)
    {
      PRINTF("aci_gatt_allow_read() failed: 0x%02x\r\n", ret);
    }
  }
  if(pw->attr_handle == AccGyroMagCharHandle + 1)
  {

  }
  else if (pw->attr_handle == EnvironmentalCharHandle + 1)
  {

  }
  else if(pw->attr_handle == SendandreceiveCharHadle + 1)
  {
     dubf[0] = pw->data[0];
     dubf[1] = pw->data[1];
     dubf[2] = pw->data[2];
     dubf[3] = pw->data[3];
  }
}

在通知属性中，当将新值写入启用通知的特性时，服务器将启动此操作。如果客户端已订阅有关该特征的通知，则在写入新值时会将新值推送到客户端。本文是将LED的状态通知给客户端。在app_bluenrg_ms.c下，在User_Process中，connected判断语句下添加以下两行代码：

uint8_t a = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB,GPIO_PIN_3);
BlueMS_LED_Update(a);

BlueMS_LED_Update函数作是更新客户端的值,代码如下：

tBleStatus BlueMS_LED_Update(int8_t led)
{
  tBleStatus ret;
  uint8_t buff[2];
  HOST_TO_LE_16(buff, HAL_GetTick()>>3);
  HOST_TO_LE_16(buff,led);

  ret = aci_gatt_update_char_value(UTServW2STHandle, SendandreceiveCharHadle,
                                   0, 2, buff);

  if (ret != BLE_STATUS_SUCCESS){
    PRINTF("Error while updating LED characteristic: 0x%04X\n",ret) ;
    return BLE_STATUS_ERROR ;
  }

  return BLE_STATUS_SUCCESS; 
}

至此，这个程序就实现了添加服务与特性，以及读写通知属性。

实验结果

本文使用BLE Scanner作为客户端。当BLE Scanner和Cannon小钢炮相连时，读取数据，写入数据，以及通知。
如图1-1所示，为wireshark抓到的包，客户端读取的数据，也就是服务器发送的数据。
图1-1读数据包
如图1-2所示，为wireshark抓到的写入数据包。
图1-2读数据包
如图1-3所示，为wireshark抓到的通知包。
图1-3读数据包

文章作者: 潘苏皖
文章链接: https://pan_su_wan.gitee.io/posts/swble/
版权声明: 本博客所有文章除特別声明外，均采用 CC BY 4.0 许可协议。转载请注明来源 潘苏皖 !
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