BLE模式和配置文件（原文）

本文档探讨了BLE如何工作，特别是如何将两种BLE模式（连接和广告）用于不同的目的。

外围设备和中央设备vs服务器和客户端

当我们通过BLE连接设备时，我们将它们视为外设（从设备）设备或中央（主设备）设备。 蓝牙标准建立了该区分方式以匹配设备上可用的资源：

• 主设备/中央

通常将具有更多的计算资源和可用能量 - 例如计算机或平板电脑。

• 从设备/外设

一个mbed设备 - 将在计算资源和能源两个方面受限制。

目前，mbed的BLE_API支持创建外设。 我们计划尽快将其扩展到中央设备。

BLE使用两个附加术语来描述连接实体 - 服务器和客户端：

• 服务器

该设备具有希望共享的信息，且对于BLE而言通常是外设（如mbed板子）。

• 客户端

需要信息和服务的设备，且对于BLE而言通常是中央设备 - 例如电话。

在讨论信息交流时，我们使用术语服务器和客户端 。 我们使用中央和外设来表示BLE连接的起点和目标。 中央作为客户端连接，外围设备作为服务器并不罕见。

服务器和客户端

mbed板是服务器或外设;手机是客户端和中央设备“）

启动连接

中央启动，控制和结束连接 - 外设不能强制中央执行（扫描BLE设备，查看其信息，连接等）。 中央还决定询问外围设备的频度。 然而，外设可以向中央推荐一些东西。 有关这些决定的更多信息，请参阅连接参数部分 。

广告和连接模式

BLE使用的两种模式是：

• 广告模式

外设会发出该区域任何设备可以接收到的信息。 这是中央设备如何知道周围有外围设备的方式。

• 连接模式

外设和中央设备建立一对一的对话。 这就是他们如何交换复杂的信息的方式。

中央设备必须知道外围设备存在才能与之连接。 因此，外设将使用BLE 广告模式发布其存在。 在这种模式下，设备使用通用访问配置文件 （GAP）以稳定的速率发送一些信息 —— 一个广告。 这个广告是其他设备，像你的手机，接收到的。 它告诉他们附近有一个BLE设备存在，以及该设备是否愿意与他们交谈。

广告模式是一对多的，而连接模式是一对一的。

广告模式数据包大小非常有限。 GAP广播的一般数据包格式如下图所示：

BLE协议栈占用了47B数据包的一部分，直到我们的数据只有26B

每个BLE包可以包含最多47个字节（这不是很多），我们不能使用它们的全部：

1. 为了自己的目的，BLE协议栈需要8个字节（1 + 4 + 3）。

2. 因此，广告分组数据单元（PDU）最多具有39个字节。 但是BLE栈再次需要一些开销，占用8个字节（2 + 6）。

3. PDU的广告数据字段剩下31个字节，分为广告数据（AD）结构。 然后：

   • GAP广播必须包含告诉设备有关我们发送的广告类型的标志。 标志结构总共使用三个部分（一个用于数据长度，一个用于数据类型，一个用于数据本身）。 我们需要前两个字节（数据长度和类型指示）的原因是帮助解析器来使用我们的标志信息正常工作。 我们还剩下28个字节。

   • 现在我们终于用自己的数据结构发送自己的数据了 - 但是它也需要一个长度和类型的指示（总共两个字节），所以我们只剩下26个字节。

所有这些意味着我们只有26B用于通过GAP发送的数据。

如果您想查看AD的示例，请参阅自定义GAP广告部分中的扩展说明。

对于许多应用，广告可能是需要的一切。 这可能是：

• 外围设备只想周期性地广播可以适应广告的少量信息。
• 无论身份验证如何，这些数据都可用于范围内的任何中央设备。

但是，有时候，您需要提供比单向数据传输更多的信息或更复杂的交互。 为此，您需要在BLE设备和用户的手机，平板电脑或计算机之间设置“对话”。该会话基于连接模式 ，其描述了仅两个设备之间的关系：BLE外围设备和中央设备。

目前，广告和连接模式还不能共存。 这是因为BLE外围设备一次只能连接到一个中央设备（如移动电话）。 连接建立的时刻，BLE外设将停止广告。 在这一点上，没有其他中央设备能够连接到它，因为如果它不广告，他们不能发现该设备在那里。 只有在第一个连接终止并且BLE外围设备再次开始广告之后，才能建立新的连接。

注意：最新的蓝牙标准允许广告并行连接，这将在2015年底之前成为mbed的BLE_API的一部分。

服务和配置文件（GATT）

为了使上述通信的功耗较低，BLE规范在连接模式下交换数据的方式施加了特定的结构。 它依赖于BLE外设维护客户端可以访问的状态变量数据库（如电池电量，温度和时间）的能力。 我们可以根据功能将状态变量分组到服务中。 例如，心率服务是状态变量的集合，包括心率测量和身体传感器位置。 这些状态变量的技术术语是“特征（Characteristics）”。 为了互操作性，每个特征（Characteristics）也包含了值类型的描述。 这样客户端就可以解释这个值，即使它们没有被特别编程来识别它。

单一服务可以包含几个特征

服务，特征及其配套属性是连接方式的基本实体。 服务使用通用属性配置文件（Generic Attribute Profile，GATT）根据特征来组织信息。 我们将在下面更详细地探索特征。

我们将服务捆绑到一个配置文件中 。 例如，心率配置文件（Heart Rate Profile）包括两个服务 - 心率和设备信息（Heart Rate and Device Information），血压配置文件（Blood Pressure Profile）包括血压和设备信息（Blood Pressure and Device Information）服务。

具有两个服务的示例配置文件

BLE已经有一段时间了，所以它有一些标准的服务，你可以进入。 回到我们的心率监测器的例子，心率服务是完善的，易于使用。 它可以从BLE心率监测器读取信息并将其发送到应用程序。 你会在稍后的编码示例中看到。

在开始研究项目之前，值得看看是否已经有可以完成所需功能的服务了; 它会节省大量的编码和测试时间。 您可以在这里找到可用的配置文件和服务列表。

特征和相互作用

服务将数据分解为特征 。 每个特征映射到单个数据点：它告诉你一件事，只有一件事。 例如， 设备信息服务具有以下特征：

• 制造商名称
• 型号
• 序列号
• 硬件版本
• 固件版本
• 软件版本
• 系统ID
• IEEE 11073-20601监管认证资料清单（regulatory certification data list）

这些特征中的每一个应该只包含其标签所包含的信息。 他们一起揭示设备的制造商信息，并组成一个完整的设备信息服务。 此服务本身捆绑在不同的配置文件中。

在mbed上创建一个特征非常简单，因为BLE_API为涉及服务定义的实体提供C++抽象。 例如，这里我们创建一个简单的特征，通知客户一个按钮的状态（按下/释放）：

//button initial state
bool buttonPressed = false; 
//read-only characteristic of type boolean, 
//accepting the buttonState’s UUID and initial value
ReadOnlyGattCharacteristic<bool> buttonState(BUTTON_STATE_CHARACTERISTIC_UUID, 
    &buttonPressed);

有关mbed的特征创建的完整展示，请参阅我们的输入服务模板 。

特征完全由其声明，值和描述符定义：

• 声明包含有关特征的数据，例如其通用唯一标识符（UUID）。

• 值是特征的“有趣”部分：它是包含您正在查看和响应的数据的值。

• ** 描述符**不是强制性的; 您可以使用它来提供有关特征的更多信息或控制其行为。 例如，在使用通知时使用描述符。

特征可以是静态的（如设备的制造商名称）或动态的。 如果一个特征是动态的，当设备有新的信息时，您的设备可以为它生成一个新的值。 例如，在心率服务中， 当前心率是定期获得新值的特征。

以下是创建读/写特征（可以接收新值并显示其当前值的特征）的示例：

bool initialValueForLEDCharacteristic = false;
ReadWriteGattCharacteristic<bool> ledState(LED_STATE_CHARACTERISTIC_UUID, 
    &initialValueForLEDCharacteristic);

有关在mbed上创建读/写特征的信息，请参阅我们的执行器服务模板 。

一些特征是双向实体。 这意味着服务器（BLE外设）可以自己更新，也可以从客户端（手机）接收新的值。 这种双向流量使BLE具有交互性：用户向一个或多个特征发送新值，并且设备响应这些新值。 例如，当UriBeacon设备打开时，它进入临时配置模式（configuration mode） ，让我们有机会更新其特征的值（包含稍后公布的数据）。

对于每个特征，服务定义说明客户端是否有权写入该特征。 这是在外设上设置GATT服务器时完成的。 在我们的示例中， 配置模式（configuration mode）指出广告信息是可读/写的， 广告模式表示它是只读的。 因此，根据设备的模式，相同的特征可以具有两种不同的权限。

UUID

每个服务和特征都需要一个普遍唯一的标识符（UUID），它们在声明中列出（如上所述）。 对于BLE官方实体，UUID为16位，BLE站点上提供了完整的列表，以获取服务和特性 。 对于您自己创建的服务和特征，您将需要128位UUID; 您可以在UTI网站上生成。

有关UUID分配的更多信息，请参见我们的服务创建示例 。

配置文件，服务和特征的总结

因此，配置文件的完整拆分是：一个或多个服务，每个服务包含零个或多个特征，每个特征具有零个或多个描述符：

单个配置文件可以包含多个服务，并且每个服务可以包含几个特征