ESP32 蓝牙 BLE 开发实战：广播、扫描与 GATT 服务构建

一、ESP32 蓝牙 BLE 协议栈概览

ESP32 的 BLE 协议栈基于 Bluedroid 和 NimBLE 两种实现。Bluedroid 是官方默认方案，功能全面但资源占用较高；NimBLE 则更轻量，适合资源受限场景。本文以 Bluedroid 为例，通过 ESP-IDF 框架进行开发。

BLE 协议栈分层如下：

物理层（PHY）：2.4GHz 频段，支持 1Mbps/2Mbps 速率
链路层（LL）：负责连接、广播、扫描等底层操作
主机控制接口（HCI）：连接控制器与主机
逻辑链路控制与适配协议（L2CAP）：数据封装与复用
属性协议（ATT）：定义数据交互的规则
通用属性协议（GATT）：基于 ATT，定义服务、特征等高级数据结构
通用访问协议（GAP）：管理设备发现、连接和安全性

二、广播（Advertising）开发

广播是 BLE 设备向外发送数据的过程，用于让周围设备发现自己。广播数据分为广播包（Advertising Packet）和扫描响应包（Scan Response），前者必须发送，后者可选。

2.1 广播参数配置

主要参数包括：

广播间隔（adv_interval）：范围 20ms~10.24s，间隔越短功耗越高
广播类型：可连接非定向、可连接定向、不可连接、可扫描等
广播信道：默认使用 37、38、39 三个信道

2.2 广播数据格式

广播数据由多个 AD Structure 组成，每个结构包含长度、类型和数据。常见类型有：

0x01：标志位（LE 通用可发现模式等）
0x02/0x03：16 位服务 UUID 列表
0xFF：制造商特定数据

2.3 代码示例：配置广播

#include "esp_bt.h"
#include "esp_bt_main.h"
#include "esp_gap_ble_api.h"

static esp_ble_adv_params_t adv_params = {
    .adv_int_min = 0x20,        // 40ms
    .adv_int_max = 0x40,        // 80ms
    .adv_type = ADV_TYPE_IND,   // 可连接非定向
    .own_addr_type = BLE_ADDR_TYPE_PUBLIC,
    .channel_map = ADV_CHNL_ALL,
    .adv_filter_policy = ADV_FILTER_ALLOW_SCAN_ANY_CON_ANY,
};

static uint8_t adv_data[] = {
    0x02, 0x01, 0x06,                     // 标志：LE 通用可发现模式
    0x03, 0x03, 0xFF, 0x00,               // 16位服务 UUID 0x00FF
    0x05, 0x09, 'E', 'S', 'P', '3', '2'   // 完整本地名称 "ESP32"
};

void ble_adv_start(void) {
    esp_ble_gap_set_device_name("ESP32");
    esp_ble_gap_config_adv_data(sizeof(adv_data), adv_data);
    esp_ble_gap_start_advertising(&adv_params);
}

三、扫描（Scanning）开发

扫描是发现周围 BLE 设备的过程。扫描分为主动扫描和被动扫描，主动扫描会发送扫描请求以获取扫描响应数据。

3.1 扫描参数配置

扫描间隔（scan_interval）：两次扫描之间的间隔
扫描窗口（scan_window）：每次扫描持续的时间
扫描类型：主动（0x01）或被动（0x00）

3.2 扫描结果处理

扫描结果通过 GAP 回调函数返回，包括设备地址、RSSI、广播数据等。需要解析广播数据以获取设备名称、服务 UUID 等信息。

3.3 代码示例：发起扫描

static esp_ble_scan_params_t scan_params = {
    .scan_type = BLE_SCAN_TYPE_ACTIVE,   // 主动扫描
    .scan_interval = 0x50,               // 50ms
    .scan_window = 0x30,                 // 30ms
    .scan_filter_policy = BLE_SCAN_FILTER_ALLOW_ALL,
    .own_addr_type = BLE_ADDR_TYPE_PUBLIC,
};

static void gap_event_handler(esp_gap_ble_cb_event_t event, esp_ble_gap_cb_param_t *param) {
    switch (event) {
        case ESP_GAP_BLE_SCAN_RESULT_EVT:
            if (param->scan_rst.search_evt == ESP_GAP_SEARCH_INQ_RES_EVT) {
                uint8_t *adv_data = param->scan_rst.ble_adv;
                uint8_t adv_len = param->scan_rst.adv_data_len;
                // 解析广播数据，提取设备名称等
                printf("Found device, RSSI: %d\n", param->scan_rst.rssi);
            }
            break;
        default:
            break;
    }
}

void ble_scan_start(void) {
    esp_ble_gap_set_scan_params(&scan_params);
    esp_ble_gap_start_scanning(10); // 扫描10秒
}

四、GATT 服务开发

GATT 定义了数据交互的结构，包括服务（Service）、特征（Characteristic）和描述符（Descriptor）。服务是一组特征的集合，特征包含值和属性，描述符用于描述特征。

4.1 GATT 服务架构

服务：由 UUID 标识，如 0x180D 表示心率服务
特征：包含值（Value）和属性（Properties），如读、写、通知等
描述符：可选，用于配置特征，如 CCCD（客户端特征配置描述符）

4.2 创建 GATT 服务步骤

注册 GATT 回调函数
创建服务表（包括服务、特征、描述符）
启动服务
处理读写请求和通知发送

4.3 完整代码示例：自定义 GATT 服务

#include "esp_gatts_api.h"

#define GATTS_TAG "GATTS"
#define SERVICE_UUID 0x00FF
#define CHAR_UUID 0xFF01

static uint8_t char_value = 0;

static esp_gatt_srvc_id_t service_id = {
    .id = {
        .uuid = {.len = ESP_UUID_LEN_16, .uuid = {.uuid16 = SERVICE_UUID}},
        .inst_id = 0,
    },
    .is_primary = true,
};

static esp_attr_value_t char_val = {
    .attr_max_len = 1,
    .attr_len = 1,
    .attr_value = &char_value,
};

static esp_gatts_attr_db_t gatts_db[] = {
    // 服务声明
    {
        .attr_control = {.auto_rsp = ESP_GATT_AUTO_RSP},
        .att_desc = {
            .uuid_length = ESP_UUID_LEN_16,
            .uuid_p = (uint8_t *)&SERVICE_UUID,
            .perm = ESP_GATT_PERM_READ,
            .max_length = 0,
            .length = 0,
            .value = NULL,
        }
    },
    // 特征声明
    {
        .attr_control = {.auto_rsp = ESP_GATT_AUTO_RSP},
        .att_desc = {
            .uuid_length = ESP_UUID_LEN_16,
            .uuid_p = (uint8_t *)&CHAR_UUID,
            .perm = ESP_GATT_PERM_READ | ESP_GATT_PERM_WRITE,
            .max_length = 1,
            .length = 1,
            .value = &char_value,
        }
    },
};

static void gatts_event_handler(esp_gatts_cb_event_t event, esp_gatt_if_t gatts_if, esp_ble_gatts_cb_param_t *param) {
    switch (event) {
        case ESP_GATTS_REG_EVT:
            esp_ble_gatts_create_service(gatts_if, &service_id, 2);
            break;
        case ESP_GATTS_CREATE_EVT:
            esp_ble_gatts_start_service(param->create.service_handle);
            break;
        case ESP_GATTS_WRITE_EVT:
            char_value = param->write.value[0];
            printf("Write value: %d\n", char_value);
            break;
        default:
            break;
    }
}

void gatts_init(void) {
    esp_ble_gatts_register_callback(gatts_event_handler);
    esp_ble_gatts_app_register(0);
}

五、注意事项

内存管理：BLE 协议栈占用较多 RAM，在内存受限时考虑使用 NimBLE
功耗优化：合理设置广播间隔和扫描窗口，避免频繁唤醒
安全机制：生产环境应启用配对和加密，防止数据泄露
错误处理：检查每个 API 的返回值，处理超时和异常情况
多连接：ESP32 支持最多 9 个 BLE 连接，但需注意资源分配

六、总结

本文从 BLE 协议栈基础出发，详细介绍了 ESP32 的广播、扫描和 GATT 服务开发。通过代码示例，你可以快速上手并构建自己的 BLE 应用。实际项目中，还需结合具体需求调整参数和架构，并深入理解协议细节。希望这篇文章能成为你 BLE 开发路上的有力参考。