1.低功耗蓝牙BLE介绍
低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy, BLE，也称 Bluetooth LE 或旧商标 Bluetooth Smart）是蓝牙技术联盟（Bluetooth SIG）专为物联网和低功耗设备设计的一种短距离无线通信技术
。它自蓝牙4.0规范（2010年）开始引入，以其极低的功耗、快速的连接和广泛的兼容性，成为可穿戴设备、智能家居、医疗健康等领域的理想选择
BLE 的核心优势在于其低功耗设计，这主要通过以下几种方式实现
- 无线电间歇工作：BLE 设备大部分时间处于休眠状态，仅在需要发送或接收数据时才短暂唤醒无线电，从而极大降低能耗。
- 更短的连接时间：BLE 使用更少的射频通道（仅3个广播通道）进行设备发现和连接，减少了扫描和建立连接所需的时间和能量。
- 更小的数据包：BLE 传输的数据包更小，编码和解码所需的计算开销更少，降低了功耗。
- 利用电池恢复效应：BLE 的数据传输采用周期性短脉冲形式，之后留有空闲时间，这种脉冲式放电有助于电池恢复，延长其使用寿命。
- 非对称设计：在连接中，功耗和计算能力要求较高的中央设备（如手机）承担更多工作，而资源受限的外围设备（如传感器）则尽可能简单工作以节省电量。
此外，BLE 还具有快速连接（最快3毫秒即可完成连接）、成本低、兼容性强（被主流操作系统和物联网平台广泛支持）以及支持广播模式（设备无需配对即可向周围广播数据，非常适合信标、室内定位等场景）等特点
2.低功耗蓝牙GAT
低功耗蓝牙（BLE）中的 GAP（Generic Access Profile，通用访问配置文件）是蓝牙协议栈中非常关键的一层。它主要负责定义蓝牙设备如何被发现、如何建立连接以及如何进行安全交互，可以看作是蓝牙设备的“交通规则”和“自我介绍手册”。
2.1 GAP 的核心功能
GAP 主要规范了以下几个方面的行为：
• 设备发现：规定了设备如何通过广播和扫描来彼此发现。
• 连接管理：定义了设备如何建立连接、管理连接参数（如连接间隔、从设备延迟、连接超时）以及终止连接。
• 安全机制：制定了设备如何进行配对和绑定，以确保通信安全。
• 角色定义：为 BLE 设备定义了四种不同的通信角色。
2.2 GAP 的设备角色
BLE GAP 为设备定义了四种核心角色，这体现了其非对称设计以优化功耗和成本的思路：
| 角色 | 职责 | 典型设备 | 关键特点 |
|---|---|---|---|
| 外围设备 (Peripheral) | 对外发送广播数据包，并等待被中心设备连接 | 智能手环、心率传感器、智能门锁 | 通常资源受限，电池供电，可连接 |
| 中央设备 (Central) | 主动扫描周围的广播数据包，并选择性地发起连接 | 手机、平板电脑、PC | 通常资源丰富，作为数据消费者和控制者，可连接多个外设 |
| 广播者 (Broadcaster) | 只发送广播数据包，不接受也不响应连接请求 | iBeacon、Eddystone 等信标设备 | 不可连接，单向数据传输 |
| 观察者 (Observer) | 只扫描和接收广播数据包，不发起任何连接 | 商场导航APP、数据采集器、蓝牙嗅探器 | 不可连接，单向数据接收 |
一个物理设备可以同时支持多个角色，例如，一部手机可以同时作为中央设备（连接智能手环）和外围设备（被智能手表连接）。
2.3 GAP 的工作流程：广播、扫描与连接
2.3.1. 广播 (Advertising)
这是外围设备或广播者向外宣告自身存在的主要方式。它们会周期性地在特定的信道上发送广播数据包。
• 广播数据 (Advertising Data)：必需包含，最大 31 字节。通常包含设备名称、支持的服务UUID、发射功率、制造商特定数据等。
• 扫描响应数据 (Scan Response)：可选，最大也是 31 字节。当中央设备发起主动扫描时，外围设备可以用此包回复更多信息（如完整的设备名）。
• 广播间隔 (Advertising Interval)：两次广播事件之间的时间。间隔短则被发现快，但功耗高；间隔长则省电，但可能被发现慢。
2.3.2 扫描 (Scanning)
这是中央设备或观察者的行为，目的是监听和接收广播数据。
• 被动扫描 (Passive Scanning)：只监听广播包，不发送任何请求。功耗较低，但获取的信息量仅限于广播包内的31字节。
• 主动扫描 (Active Scanning)：在接收到广播包后，会发送扫描请求，以期获取外围设备回复的扫描响应数据。功耗相对较高，但可以获取最多62字节的信息（广播包+扫描响应）。
2.3.3 连接建立 (Connection Establishment)
当中央设备扫描到想要连接的外围设备广播包后，会向其发送连接请求。双方协商一致后，便会建立一条独占的无线链路。之后，它们会按照约定的连接参数进行周期性的通信。
• 连接间隔 (Connection Interval)：两次连接事件之间的时间。间隔短，延迟低，数据吞吐率高，但功耗高；间隔长，则更省电，但延迟增加。
• 从设备延迟 (Slave Latency)：允许从设备（外围设备）跳过一定次数的连接事件，而无需唤醒监听，用于节能。
• 监督超时 (Supervision Timeout)：连接超时时间。在此时间内若无有效通信，则认为连接丢失并断开。
🔒 GAP 的安全机制
GAP 定义了设备如何通过配对交换密钥，以及通过绑定保存长期密钥以便后续快速安全连接。BLE 的安全模式主要分为：
• LE Legacy Pairing: 旧式配对方法。
• LE Secure Connections: 更安全的配对方式，提供更强的加密和防中间人攻击保护。
⚙️ GAP 与 GATT 的关系
• GAP 负责 “如何连接”：解决设备如何被发现、谁连谁、怎么连上、连多快、安不安全等问题。它管的是“握手”和“ introductions”。
• GATT 负责 “连接后做什么”：在连接建立之后，定义数据交换的结构和内容（通过服务、特征值等）。它管的是“对话的内容”。
2.4 代码示例
以下是小程序代码示例，展示了从初始化到连接的完整 GAP 相关操作
// 初始化蓝牙模块
wx.openBluetoothAdapter({success: (res) => {console.log('蓝牙适配器初始化成功');// 开始搜索设备wx.startBluetoothDevicesDiscovery({services: ['FEE7'], // 根据目标设备的主服务UUID过滤[5](@ref)allowDuplicatesKey: false,success: (res) => {console.log('开始搜索设备成功');},fail: (err) => {console.error('开始搜索设备失败', err);}});// 监听发现新设备wx.onBluetoothDeviceFound((res) => {res.devices.forEach(device => {if (device.name && device.name === 'YourTargetDeviceName') {console.log('找到目标设备', device);wx.stopBluetoothDevicesDiscovery(); // 停止扫描const deviceId = device.deviceId;// 连接目标设备wx.createBLEConnection({deviceId: deviceId,success: (res) => {console.log('设备连接成功');// 连接成功后可进行GATT操作，如发现服务、读写特征值等},fail: (err) => {console.error('设备连接失败', err);}});}});});},fail: (err) => {console.error('初始化蓝牙适配器失败', err);}
});
3. BLE的特征
低功耗蓝牙（BLE）中的 GATT（Generic Attribute Profile，通用属性配置文件）是蓝牙协议栈中至关重要的一层，它定义了蓝牙设备在建立连接后如何进行数据通信。GATT 基于 ATT (Attribute Protocol，属性协议)，采用一种结构化的数据组织方式，使得设备间的数据交换变得清晰和标准化
3.1 服务
服务用于实现设备的某种特定功能，是一些相关联数据的集合。
- 每个服务都有一个唯一的UUID（通用唯一识别码）来标识其类型
- 标准服务：由蓝牙技术联盟（SIG）预定义，UUID 为 16位（如 0x180F代表电池服务，0x180A代表设备信息服务）。
- 自定义服务：开发者为自己特定应用定义的服务，UUID 为 128位。
一个设备可以包含多个服务。例如，一个健康手环可能同时包含电池服务（0x180F）和心率服务（0x180D）。
3.2 特征 (Characteristic)
特征是服务中的具体数据值，是客户端与服务器进行数据交互的实际对象。一个特征包含三个基本部分：
1.声明 (Declaration)：一条类型为 0x2803（Characteristic Declaration）的属性，其值包含了该特征的属性 (Properties)、值句柄 (Value Handle) 和特征 UUID。
2.值 (Value)：一条类型为特征 UUID 的属性，存放实际的数据（如温度值、开关状态等）。
3.描述符 (Descriptor)（可选）：提供特征的额外信息或配置选项。最常用的是客户端特征配置描述符 (CCCD, UUID: 0x2902)，用于启用或禁用通知 (Notify) 和指示 (Indicate)。
3.2.1 特征属性 (Properties)
特征属性定义了客户端可以对特征进行哪些操作，主要包括：
- Read：读取特征值。
- Write：写入特征值（需要响应）。
- Write without response：无响应写入（更快速，但不可靠）。
- Notify：服务器主动向客户端发送值（无需确认）。
- Indicate：服务器主动向客户端发送值（需要客户端确认）。
- Broadcast：通过广播发送特征值。
3.2.2 角色关系
在 GATT 交互中，设备扮演两种角色：
•GATT 服务器 (Server)：存储属性表（包含服务、特征和数据），并响应客户端的请求。通常是外围设备（如传感器、手环）。
•GATT 客户端 (Client)：向服务器发起请求，读取或写入数据。通常是中央设备（如手机、电脑）。
3.2.3 核心操作流程
GATT 通信通常遵循以下步骤：
- 设备发现与连接（通过 GAP 完成）：中央设备扫描并连接外围设备。
- 服务与特征发现：连接成功后，客户端（主设备）发现服务器（从设备）支持的所有服务和特征。
- 数据交互：客户端根据特征的属性，对服务器进行读取、写入、启用通知等操作。
- 连接维护与断开：可能涉及连接参数更新，最终由一方或超时导致连接断开
3.2.4 小程序代码示例
// 获取蓝牙设备所有服务
wx.getBLEDeviceServices({deviceId: deviceId, // 目标设备IDsuccess: (res) => {console.log('设备服务列表:', res.services);// 假设我们目标服务的UUID是 '0000FFE0-0000-1000-8000-00805F9B34FB'const targetService = res.services.find(s => s.uuid === '0000FFE0-0000-1000-8000-00805F9B34FB');if (targetService) {// 获取指定服务下的所有特征this.getDeviceCharacteristics(deviceId, targetService.uuid);}}
});// 获取特定服务的所有特征
getDeviceCharacteristics(deviceId, serviceId) {wx.getBLEDeviceCharacteristics({deviceId: deviceId,serviceId: serviceId,success: (res) => {console.log('特征列表:', res.characteristics);// 遍历特征，根据其属性决定如何操作res.characteristics.forEach(char => {if (char.properties.read) {// 如果特征可读，则读取一次this.readCharacteristic(deviceId, serviceId, char.uuid);}if (char.properties.notify || char.properties.indicate) {// 如果特征支持通知或指示，则启用监听this.enableNotify(deviceId, serviceId, char.uuid);}// 对于支持写的特征，可以保留其UUID，后续用于发送数据});}});
}// 向设备发送数据（ArrayBuffer类型）
sendDataToDevice(deviceId, serviceId, characteristicId, dataArray) {// 将数组（如[0x01, 0x02, 0x03]）转换为ArrayBufferconst buffer = new ArrayBuffer(dataArray.length);const dataView = new DataView(buffer);for (let i = 0; i < dataArray.length; i++) {dataView.setUint8(i, dataArray[i]);}wx.writeBLECharacteristicValue({deviceId: deviceId,serviceId: serviceId,characteristicId: characteristicId,value: buffer, // 必须是 ArrayBuffer 类型success: (res) => {console.log('写入数据成功', res);},fail: (err) => {console.error('写入数据失败', err);}});
}
启用通知Notify
enableNotify(deviceId, serviceId, characteristicId) {wx.notifyBLECharacteristicValueChange({deviceId,serviceId,characteristicId,state: true, // 启用 notifysuccess: (res) => {console.log('已启用通知', res);},fail: (err) => {console.error('启用通知失败', err);}});
}// 记得在页面或组件卸载时取消通知
disableNotify(deviceId, serviceId, characteristicId) {wx.notifyBLECharacteristicValueChange({deviceId,serviceId,characteristicId,state: false // 禁用 notify});
}
4. 蓝牙MTU
BLE 中的 MTU（Maximum Transmission Unit，最大传输单元）是指在一次数据包传输中能够承载的最大数据量，它直接影响蓝牙通信的效率和吞吐能力。默认情况下，BLE 的 MTU 为 23 字节，其中约 20 字节可用于有效载荷（实际应用数据），其余部分用于协议头等开销。若传输的数据超过 MTU 限制，则需进行分包，这会增加延迟和通信开销。通过协商更大的 MTU（如 247 字节），可以显著减少传输次数，提高数据交换效率。
在 Android 和 iOS 系统中，MTU 的处理和支持存在一些差异。Android 设备允许开发者通过 API（如 BluetoothGatt.requestMtu()）主动请求更大的 MTU 值。实际支持的最大值因设备和系统版本而异，现代 Android 设备通常可支持 128 字节或更高（甚至可达 517 字节）。需要注意的是，Android 系统从 5.1（API 21）开始才支持 MTU 修改。
iOS 系统则更自动化一些，其在建立连接时会自动发起 MTU 交换过程。运行 iOS 10 及以上系统的设备通常会请求 185 字节 的 MTU。iOS 对 MTU 的手动控制接口相对较少，更多依赖于系统自身的协商机制。
MTU 的大小直接影响传输延迟、通信开销和整体吞吐率。较大的 MTU 允许单次传输更多有效数据，特别有利于需要高频或大数据量交换的应用场景（如固件升级、持续传感器数据流等），从而降低功耗并提升响应速度。
微信小程序提供一下接口控制MTU：
// 假设已连接设备，并获取到 deviceId
wx.setBLEMTU({deviceId: deviceId, // 目标蓝牙设备 IDmtu: 100, // 期望设置的 MTU 值，建议在 23 到 512 之间[1](@ref)success: (res) => {console.log('MTU 设置成功', res.mtu); // res.mtu 为实际协商后的MTU值},fail: (err) => {console.error('MTU 设置失败:', err);// 处理设置失败的情况，例如采用分包策略}
});