ESP32:Примеры/Bluetooth Low Energy:сканирование

Содержание

Основы

Платы

Прошивки

Примеры

Проекты

Типовые проблемы

Библиотеки

Перевод: Максим Кузьмин

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Черновик

Bluetooth Low Energy:сканирование

Скетч-пример сканирует ближайшие Bluetooth-устройства и, найдя их, показывает информацию о них в мониторе порта. Этот скетч также можно найти по этой ссылке.

Справочная информация

Bluetooth Low Energy (BLE) в ESP32

В этом Разделе мы изучим, что такое BLE (означает «Bluetooth low energy», что можно перевести как «Bluetooth с пониженным энергопотреблением») и как использовать его на практике. Чип ESP32 оснащен не только WiFi-компонентами, но и компонентами для передачи данных по Bluetooth и Bluetooth Low Energy (BLE).

В этом Разделе мы рассмотрим следующее:

• Основы Bluetooth Low Energy (BLE)
• Терминология BLE: UUID, сервис, характеристика и свойства
• Взаимодействие между сервером и клиентом

Что такое Bluetooth?

Bluetooth – это беспроводной стандарт связи для обмена данными на коротком расстоянии. Как и WiFi, Bluetooth работает на частоте 2.4 ГГц.

Bluetooth применяется во множестве разных ситуаций, где требуются беспроводные управление и передача данных. Например:

• Передача аудиоданных в наушники или аудиосистему автомобиля
• Коммуникация между периферийными устройствами и ПК
• Передача данных между Bluetooth-устройствами

Другими словами, Bluetooth используется в ситуациях, когда для передачи данных между устройствами требуется непрерывное сквозное («точка-точка») подключение.

Что такое Bluetooth Low Energy (BLE)?

Bluetooth Low Energy (BLE) – это энергосберегающий вариант Bluetooth, и его главная область применения – это передача маленьких порций данных на короткие расстояния. Этот стандарт предназначен для очень маломощных проектов, питаемых от батареек-таблеток.

В отличие от Bluetooth, который включен постоянно, BLE-устройство постоянно находится в спящем режиме, кроме ситуаций, когда оно подключено к другим устройствам. Благодаря этому BLE-устройства потребляют очень мало питания. Эта функция крайне полезна для коммуникации типа M2M (англ. «machine-to-machine», т.е. «между машинами»), т.к. позволяет делать проекты из маленьких устройств, питаемых от батареек и работающих очень долгое время.

Благодаря этому стандарт BLE идеален для проектов, где требуется периодический обмен небольшими порциями данных – например, в медицине, фитнесе, отслеживании объектов, навигации, безопасности и домашней автоматизации.

О других отличиях между Bluetooth и BLE можно почитать в этой статье или просто ознакомиться с ними в таблице ниже:

Сервер и клиент Bluetooth

В стандарте Bluetooth Low Energy предусмотрено два типа устройств: сервер и клиент. В нашем примере ESP32 работает в качестве сервера, а смартфон – в качестве клиента.

Примечание

ESP32 (как и смартфон) может быть и сервером, и клиентом.

Сервер оповещает о своем существовании, чтобы его могли найти другие устройства, а также содержит данные для считывания клиентом. Клиент сканирует близлежащие устройства и, найдя искомый сервер, подключается к нему и начинает прослушивать входящие данные. Этот тип коммуникации называют «сквозным» или «точка-точка».

Стандарт BLE предусматривает и другие типы подключения:

• Режим вещания. Сервер передает данные нескольким клиентам, подключенным к нему.
• Ячеистая сеть. Все устройства подключены друг к другу. Это тип соединения, когда в сети несколько устройств, и у каждого из них по несколько подключений.

Теперь давайте рассмотрим несколько важных терминов, касающихся BLE.

GATT

GATT расшифровывается как «generic attributes» («общие атрибуты»). Эта спецификация определяет иерархию данных, которую BLE-устройство демонстрирует другим BLE-устройствам, подключенным к нему. Другими словами, GATT определяет то, как два BLE-устройства отправляют и получают стандартные сообщения.

На верхнем уровне этой иерархии – профиль, состоящий из одного или более сервисов. Каждый сервис содержит как минимум одну характеристику, а также может отсылать к другим сервисам.

Характеристики всегда находятся внутри сервисов, и это то место, где, собственно, хранятся данные во всей этой GATT-иерархии. Характеристика всегда содержит два атрибута: объявление характеристики (содержит метаданные о данных) и значение характеристики.

Кроме того, после значения характеристики могут идти дескрипторы, которые дополняют метаданные, содержащиеся в объявлении характеристики.

UUID

Каждый сервис, характеристика и дескриптор имеют собственный UUID (англ. «universally unique identifier», что переводится как «универсальный уникальный идентификатор»). UUID – это уникальное 128-битное (16-байтное) число вроде такого:

55072829-bc9e-4c53-938a-74a6d4c78776

Сокращенные UUID для всех сервисов, характеристик, профилей и т.д. можно найти на сайте Bluetooth SIG. К примеру, в неполной таблице ниже представлены сокращенные UUID для Bluetooth-сервисов. Полностью эту таблицу можно найти по этой ссылке.

Но если вашему приложению нужен собственный UUID, его можно сгенерировать при помощи этого UUID-генератора.

Итак, если вкратце, в UUID хранится уникальная идентифицирующая информация. С его помощью, к примеру, можно идентифицировать какой-либо сервис, предлагаемый Bluetooth-устройством.

Сервис «Battery Service»

Для примера давайте рассмотрим сервис «Battery Service». Он используется в большинстве питаемых от батареи BLE-устройств с целью определения текущего уровня заряда батареи (в процентах). Если BLE-устройство было сделано как следует, оно должно использовать стандартизированный сервис под названием «Battery Service».

Этот сервис позволяет приложениям, которые подключены к BLE-устройству, постоянно знать процент заряда батареи независимо от производителя устройства, т.к. они используют для этого уникальный ID сервиса, обозначающий уровень заряда батареи.

Характеристика «Battery Level»

О характеристиках сервиса «Battery Service» можно узнать по этой ссылке. Нам же понадобится характеристика «Battery Level», возвращающая текущий уровень заряда батареи в диапазоне от 0 до 100 процентов.

Итак, если у вас есть BLE-устройство с батареей (то есть сервер с сервисом «Battery Service», рассылающий оповещения с характеристикой «Battery Level»), то клиент (то есть ваш смартфон, подключенный к этому BLE-устройству) может видеть уровень заряда батареи этого BLE-устройства, т.к. это широко используемый сервис со стандартной характеристикой.

Свойства характеристики «Battery Level»

Как мы уже говорили ранее, у одного сервиса может быть одна или несколько характеристик. Характеристика – это данные, передаваемые между клиентом и сервером. Характеристика может иметь разные свойства. К примеру, характеристика «Battery Level» предназначена только для чтения, и это обязательное требование для ее работы.

Вы также можете, если хотите, активировать свойство «Notify» (оно опционально), чтобы BLE-устройства, к примеру, сообщали об уровне заряда своей батареи каждые X секунд.

В разных характеристиках могут быть разные свойства.

Структура Bluetooth-устройства

На рисунке ниже показано Bluetooth-устройство с сервисом «Battery Service», содержащим характеристику «Battery Level».

Понимать эту иерархию очень важно, т.к. это упростит понимание того, как использовать BLE и создавать собственные проекты, использующие эту функцию.

Более подробно о стандартных сервисах можно почитать на этой странице. Вы также можете создавать новые сервисы, которых в этом списке нет.

Это лишь базовая теория о BLE-устройствах, взаимодействии между клиентом и сервером, а также о некоторых стандартах, о которых нужно знать, чтобы работать с Bluetooth Low Energy. Стоит отметить, что мы затронули тему BLE поверхностно, и впереди нас ждет еще много интересного. Мы лишь рассмотрели несколько функций, имеющих отношение к нашим проектам.

Настоятельно рекомендуем почитать эту статью о BLE на «Википедии» – там о BLE рассказано более подробно.

Также советуем добавить в закладки сайт bluetooth.com, т.к. он содержит информацию о стандартных сервисах и UUID, которые вы будете использовать в BLE-устройствах и приложениях.

Тестируем код

Убедитесь, что в IDE Arduino выбраны правильная плата и COM-порт для этой ESP32. Чтобы не ошибиться и загрузить скетч на правильную плату, другую ESP32 можно на время отключить от ПК.

После загрузки кода у вас должны работать две ESP32:

1. Одна – со скетчем «BLE_notify»(можно скопировать из примера Bluetooth Low Energy: уведомления)
2. Другая – со скетчем «BLE_scan»(можно скопировать из раздела ниже)

Откройте монитор порта для ESP32 со скетчем «BLE_scan», нажмите на этой ESP32 кнопку EN, чтобы перезапустить плату, а затем подождите несколько секунд, пока она просканирует близлежащие устройства.

Спустя несколько секунд она должна найти BLE-устройство под названием «MyESP32» – это ESP32, на которой запущен скетч «BLE_notify».

Скетч «BLE_scan» также напечатает в мониторе порта дополнительную информацию вроде адреса и мощности передающего сигнала (txPower).

Необходимое оборудование

• Плата ESP32 - 2шт.;

Схема

Для данного примера нужны только 2 платы.

Код

/*
   Основан на скетче-примере Нила Колбана для IDF:   
   https://github.com/nkolban/esp32-snippets/blob/master/cpp_utils/tests/BLE%20Tests/SampleScan.cpp
   Порт в ESP32-адддон для IDE Arduino – Эвандро Коперчини
*/

#include <BLEDevice.h>
#include <BLEUtils.h>
#include <BLEScan.h>
#include <BLEAdvertisedDevice.h>

int scanTime = 30; // в секундах

class MyAdvertisedDeviceCallbacks: public BLEAdvertisedDeviceCallbacks {
    void onResult(BLEAdvertisedDevice advertisedDevice) {
      Serial.printf("Advertised Device: %s \n", advertisedDevice.toString().c_str());
                //  "Устройство, рассылающее оповещения о себе: "
    }
};

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Serial.println("Scanning...");  //  "Сканирование..."

  BLEDevice::init("");
  // создаем новый объект для сканирования:
  BLEScan* pBLEScan = BLEDevice::getScan();
  pBLEScan->setAdvertisedDeviceCallbacks(new MyAdvertisedDeviceCallbacks());
  // активное сканирование более энергоемко, но работает быстрее:
  pBLEScan->setActiveScan(true);
  BLEScanResults foundDevices = pBLEScan->start(scanTime);
  Serial.print("Devices found: ");  //  "Найденные устройства: "
  Serial.println(foundDevices.getCount());
  Serial.println("Scan done!");  //  "Сканирование завершено!"
}

void loop() {
  // вставьте сюда свой главный код, он будет постоянно повторяться
  delay(2000);
}