【CurieNano教程1】教你查询GATT并编写相关BLE服务

灯灯灯

概述：

要进行BLE开发，GATT协议是必须了解的，因为思路与传统蓝牙不同，导致刚接触BLE的人产生很大困惑。
本文章教你如何在 https://www.bluetooth.com/specifications/gatt 里查询你需要的Service并编写相关的应用。



目的：
教大家了解GATT协议、如何查询GATT服务并用CurieNano编写GATT服务





BLE中的连接关系和服务关系：
连接关系：主动连接其他设备的设备称为Central（中心设备），接受其他设备连接的设备称为Peripheral（外围设备）。Central与Peripheral的关系是连接关系。
服务关系：提供服务的一方是Server（服务端），被提供服务的一方是Client（客户端）。Server与Client的关系是服务关系。
两种关系是共同存在的，比如本帖要讲解的例子中，CurieNano是Peripheral同时也是Server，手机是Central同时也是Client。




GATT协议描述：

GATT协议规定了BLE提供的标准服务，编写应用最好遵循这些标准。比如心率服务就负责发送心率数据，血压服务就负责发送血压数据，最好不要乱用。

上图是GATT Profile的逻辑结构。解释一下上图的几个名词：

• Profile，翻译为规范或配置文件，个人认为这个翻译容易引起误导。实际上，Profile就是在BLE通信中，由若干服务构成，实现某个特定功能的实体。
• Service，翻译为服务，是由数据及其关联的行为构成的集合，由一个或多个特征组成
• Characteristic，翻译为特征，通常由若干字段组成。
• UUID：统一唯一标识符，用于标识唯一的服务或特征，比如心率服务的UUID是0x180D，温度测量值特征的UUID是0x2A1C。UUID的作用是：通信双方互相告知UUID，就能知道对方提供的是哪些服务。
  
  

这种解释不够直观。那么我们举一个例子：

• 心率服务的UUID是0x180D，它只包含一个特征，叫心率测量值特征，UUID是0x2A37。
• 该特征的第一个字节是控制字节，它的各个比特位规定了心率值是1字节还是2字节，传感器是否接触人体，是否有补充字段等。
• 第二个字节开始就是心率值数据了，CurieNano要做的就是不断更新这个值，在手机上就能看到心率值的变化了。
  

这些字节的格式都是GATT规定好的，不能乱改，也不要混用！比如不要把心率服务用来传输电池服务数据。因为不同服务直接是不能互相连接的！一个提供心率服务的CurieNano不能与接受电池服务的手机连接。
这种强制的GATT规定看似多余，实际上非常有利于物联网的分工开发。比如开发蓝牙体重秤，负责手机APP和负责下位机的两个小组不需要商定数据格式，只需要共同遵守GATT的体重服务规定即可。





在哪查询GATT定义？

那么，在哪查看GATT规定了哪些Service和Characteristic，以及他们对应的UUID呢？当然是蓝牙官网：

https://www.bluetooth.com/specifications/gatt

点击GATT Services，可以查看各个Service的UUID，以及他们包含哪些Characteristic。下图给出了部分GATT Services
点击GATT Characteristic，可以查看各个Characteristic，以及他们包含哪些字段。

图：部分GATTSerivce条目

实战一：通过查询GATT定义，编写心率服务：

CurieNano心率服务是Arduino.cc提供的官方BLE例程之一（链接点此），我在这里把它的编程思路为大家梳理一下。注：我们并不是编写真正心率测量的应用，为了突出蓝牙编程的细节，本示例不会真正地去使用心率传感器。

首先，查询GATT定义：

• 进入GATT Servies查询页面：https://www.bluetooth.com/specifications/gatt/services
• 找到Heart Rate（心率服务），它的UUID是0x180D。
• 在 Service Characteristics 表格里，看到该服务包括好几个特征，但只有一个特征 Heart Rate Measurement 标记为Mandatory（强制的），其它特征都标记为Optional（可选的）。为了简化编程，我们只考虑这一个特征。
• 注意到Heart Rate Measurement的Properties栏里，只有Notify标记为Mandatory（强制的），也就是说该特征必须有Notify属性，其他属性都是可选的。所谓Notify，就是当CurieNano（Server方）改变特征的值时，手机（Client方）能立即检测到。
• 点进Heart Rate Measurement（心率测量值特征），看到它的UUID是0x2A37，它包括字段如下表。我们可以令Flags恒为0，改变Heart Rate Measurement Value即可
  

字段	大小	意义	备注
Flags	1Byte	控制字节，指出其他字段的大小，以及可选字段是否存在	必须存在
Heart Rate Measurement Value	1~2Byte	心率值，当Flags的第一bit为0时该字段1Byte，为1时该字段2Byte	必须存在
其他字段（本程序不考虑）	--	当Flags相应的bit都为0时，这些字段都不存在	可选

好，让我们理一下思路：我们的程序首先要建立一个UUID为0x180D的心率服务。然后建立一个UUID为0x2A37的心率测量值特征，该特征包括2字节：前1字节是Flags字段，我们让它恒为0；后1字节是心率值，不断改变该值，手机上就能收到不断变化的心率值了。

下面我们按此思路编写代码，注意注释中每个语句与我们的思路如何联系。

1. #include <CurieBLE.h>
   
2. 
   
3. BLEPeripheral blePeripheral;
   
4. // 创建UUID为0x180D的服务（心率服务）
   
5. BLEService Service("180D");
   
6. // 创建UUID为0x2A37的特征（心率测量值特征），它的属性为BLENotify，字段总长度2Byte
   
7. BLECharacteristic c("2A37", BLENotify, 2);
   
8. 
   
9. void setup() {
   
10.   blePeripheral.setLocalName("Arduino 101");
    
11.   blePeripheral.setAdvertisedServiceUuid(Service.uuid());
    
12.   blePeripheral.addAttribute(Service);
    
13.   blePeripheral.addAttribute(c);
    
14.   blePeripheral.begin();
    
15. }
    
16. 
    
17. // 待发送的2Byte心率特征的值。其中即data[0]是控制字节，令它恒为0。data[1]是心率值
    
18. uint8_t data[] = {0,0};
    
19. 
    
20. void loop() {
    
21.   // 将心率值+1
    
22.   data[1] ++;
    
23.   // 发送心率值
    
24.   c.setValue(data,2);
    
25.   delay(500);
    
26. }

复制代码

程序测试：
将以上代码上传到CurieNano。我们使用NRFToolBox和NRFConnect两款手机APP进行测试。NRFToolBox可以用于一些简单的蓝牙应用，NRFConnect可以用于调试蓝牙。建议学BLE的同学都安装上。
下载这些工具请前往奈何大大的帖子：http://www.arduino.cn/thread-22901-1-1.html

测试方法一：打开NRFToolBox，点击HRM（HeartRateMonitor），连接CurieNano后可以看到心率值一直在线性增加。
测试方法二：打开NRFConnect，点SCAN搜索设备，搜到CurieNano后点击Heart Rate，再点击Heart Rate Measurement右边的三个向下箭头，可以看到Value不断地变化，每次+1

图：心率服务测试结果

通过以上例子，你应该掌握了如何“如何查询GATT条目，编写自己的BLE物联网应用”。下面我们按照这个套路再举一个例子。















实战二：通过查询GATT定义，编写骑行计程服务：

首先，查询GATT定义：

• 进入GATT Servies查询页面：https://www.bluetooth.com/specifications/gatt/services
• 找到Cycling Speed and Cadence（自行车速度和节奏），它的UUID是0x1816。
• 在 Service Characteristics 表格里，看到该服务包括好几个特征，只有两个特征CSC Measurement和CSC Feature是Mandatory（强制的）。我们只考虑这两个特征。
• 注意到CSC Feature特征的Properties栏里，只有Read是Mandatory（强制的）。所谓Read，指的是手机（Client方）有权读取该特征的值。
• 注意到CSC Measurement特征的Properties栏里，只有Notify是Mandatory（强制的）。所谓Notify，就是当CurieNano（Server方）改变特征的值时，手机（Client方）能立即检测到。
• 点开CSC Feature特征，看到它的UUID是0x2A5C，它仅仅包含一个2Byte的字段。看起来这个字段没什么重要的，我们令它为0即可
• 点开CSC Measurement特征，看到它的UUID是0x2A5B，它包含的字段如下表。为了让Cumulative Wheel Revolutions和Last Wheel Event Time字段存在，我们令Flags的第一bit为1，其余bit为0，即Flags=1。Cumulative Wheel Revolutions是用来指示骑行里程的，Last Wheel Event Time是用来指示骑行速度的。
  

字段	大小	意义	备注
Flags	1Byte	控制字节，指出其他字段是否存在	必须存在
Cumulative Wheel Revolutions	4Byte	车轮总转数计数，当Flags的第一bit为1时，该字段存在	可选
Last Wheel Event Time	2Byte	上一次车轮转满一圈时的时间值，当Flags的第一bit为1时，该字段存在	可选
其他字段	--	当Flags相应的bit都为0时，这些字段都不存在	可选

好，让我们理一下思路：我们的程序要建立一个UUID为0x1816的Cycling Speed and Cadence服务、一个UUID为0x2A5B的CSC Measurement特征、一个UUID为0x2A5C的CSC Feature特征。其中CSC Feature特征包括2字节，我们让它恒为0。CSC Measurement特征包括7字节：第一字节为控制字符Flags，我们让它恒为1；中间4字节是车轮总转数计数，我们让它不断+1；后2字节是上一次车轮转满一圈的时间值，我们让它不断增加。

代码如下：

1. #include <CurieBLE.h>
   
2. 
   
3. BLEPeripheral blePeripheral;
   
4. BLEService CSC("1816");
   
5. BLEShortCharacteristic CSCFeature("2A5C", BLERead);
   
6. BLECharacteristic CSCMeasure("2A5B", BLENotify, 7);
   
7. 
   
8. void setup() {
   
9.   blePeripheral.setLocalName("Arduino 101");
   
10.   blePeripheral.setAdvertisedServiceUuid(CSC.uuid());
    
11.   blePeripheral.addAttribute(CSC);
    
12.   blePeripheral.addAttribute(CSCFeature);
    
13.   blePeripheral.addAttribute(CSCMeasure);
    
14.   blePeripheral.begin();
    
15.   CSCFeature.setValue(0);
    
16. }
    
17. 
    
18. uint8_t data[7] = {1,0,0,0,0,0,0};
    
19. 
    
20. void loop() {
    
21.   data[1]++;
    
22.   data[6]++;
    
23.   CSCMeasure.setValue(data,7);
    
24.   delay(1000);
    
25. }

复制代码

程序测试：
将以上代码上传到CurieNano。
测试方法一：打开NRFToolBox，点击CSC（Cycling Speed and Cadence），连接CurieNano后可以看到左下图的效果。
测试方法二：打开NRFConnect，点SCAN搜索设备，搜到CurieNano后点击Cycling Speed and Cadence，再点击右边的三个向下箭头，可以看到Value不断地变化

图：骑行服务测试结果

slotg

好教程，感谢分享。

xyz.543

教程确实好，有板能验证更佳。

噗噗熊

楼主的帖子后面还有要补充的吧

灯灯灯

噗噗熊 发表于 2017-5-5 10:20
楼主的帖子后面还有要补充的吧

没了，就是讲解一下GATT service的结构，然后展示两个例子，就没了

灯灯灯

xyz.543 发表于 2017-5-5 09:58
教程确实好，有板能验证更佳。

验证了啊，两个例子都有上传程序并展示测试结果啊

feixiang20

每个人都可以顺利验证吧