第12章 玩转蓝牙
蓝牙是一个使用广泛的无线通信协议，这两年又随着物联网概念进一步推广。本章介绍蓝牙协议，特别是低功耗蓝牙，并用树莓派来实践。树莓派3中内置了蓝牙模块。树莓派通过UART接口和该模块通信。树莓派1和树莓派2中没有内置的蓝牙模块，不过你可以通过USB安装额外的蓝牙适配器。本章以树莓派3为基础，介绍蓝牙通信。
12.1 蓝牙介绍
蓝牙由爱立信创制，旨在实现不同设备之间的无线连接。蓝牙无线通信的频率为2.4GHz，和Wi-Fi一样，都属于特高频。相对于低频信号来说，高频传输的速度比较快，穿透能力强，但传输距离受限。在没有遮蔽和干扰的情况下，蓝牙设备的最大通信距离能达到30米。但大多数情况下，蓝牙的实际通信距离在2到5米。相比之下，使用低频433MHz的对讲机设备，其通信距离很容易超过百米。因此，蓝牙常用于近距离的无线设备，比如无线鼠标和键盘。蓝牙的标志如图12-1所示。
图12-1 蓝牙的标志
蓝牙的工作流程可以分为下面三个基本步骤。
●广播/扫描：通信的一方向外广播自己的信息，另一方通过扫描知道自己周边有哪些蓝牙设备在广播，这些设备的地址是什么，以及是否可以连接，如图12-2所示。
图12-2 广播
●连接：通信的一方向另一方发起连接请求，双方通过一系列的数据交换建立连接，如图12-3所示。
图12-3 连接
●数据通信。
根据细节上的差别，蓝牙通信又细分为两种：经典蓝牙和低功耗蓝牙。早期的蓝牙通信方式称为经典蓝牙（Classic Bluetooth）。经典蓝牙中的数据传输协议是串行仿真协议RFCOMM。RFCOMM仿真了常见的串口连接。数据从一端输入，从另一端取出。经典蓝牙的开发非常简单。基于串口开发的有线鼠标程序，就可以直接用于RFCOMM连接的无线鼠标程序。此外，经典蓝牙可以快速传输数据。因此，诺基亚N95这样的早期智能手机，也用RFCOMM来互传图片和文件。
12.2 BLE介绍
经典蓝牙的缺点是比较耗电。后来，诺基亚发明了一种可以降低功耗的蓝牙通信方式。2010年出台的蓝牙4.0把这种通信方式规范为“低功耗蓝牙”（BLE, Bluetooth Low Energy）。BLE把通信双方分为非对称的双方，尽量让其中的一方承担主要的开销，减轻另一方的负担。举例来说，当手环与手机通信时，手环电量少，而且需要长时间待机。BLE通信的主要负担可以放在电量较充裕且充电方便的手机一侧，从而减少手环的能耗。
BLE通信一般也包含广播/扫描的步骤。主动发起广播的设备称为外设（Peripheral），扫描设备称为中心设备（Central）。BLE连接成功之后，就可以开始数据传输。BLE的数据传输协议是ATT协议和GATT协议。ATT是GATT的基础。ATT协议把通信双方分为服务器（Server）和客户端（Client）。客户端主动向服务器发起读写操作。需要注意的是，ATT中的服务器和客户端，与广播阶段的外设和中心设备相互独立。当然，在手环这样的应用场景下，外设通常也是服务器。ATT协议以属性（Attribute）为单位进行该数据传输。一个属性的格式有以下四个部分：
我们分别来理解属性的不同部分。
●handle：句柄，包括了属性的唯一编号，长度为16位。
●type：属性类型。每种类型用一个UUID编号。
●value：属性值。
●permission：属性权限，分为无、可读、可写、可读写。
服务器储存了多个属性。当客户端向服务器发起请求时，服务器会把自己的属性列表发给客户端。随后，客户端可以向服务器读取或写入某一个属性值。用读写的方式，通信双方实现了双向通信。
以智能手表为例。智能手表和手机配对后，手机可以用读的方式获得智能手表中某个属性下保存的步数，也可以用写的方式写入另一个属性负责的时间。在读写操作中，都是由客户端主动，服务器只能被动应答。ATT还提供了通知（Notification）的工作方式。当服务器改变了某个属性值时，可以主动通知订阅了该属性值的客户端。智能手表中的手势识别，就可以通过通知的方式告知手机。这样手机就可以实时地获知手势改变信息了。
GATT协议构建在ATT协议之上，为属性提供了组织形式。GATT协议的最小组织单元是特征（Characteristic），可以由数条属性组成。表12-1就是一个特征，用于传输红外测温获得的数据。这个例子来自一款可以进行蓝牙连接的硬件设备
，该设备用BLE发送温度等传感器的测量数据。
表12-1 红外测温特征
特征的第一条是声明，其类型是0x2803。这条声明的value部分又可以细分为三部分。
●最开始的0x12，称为特征属性（Characteristic Properties），是GATT协议层面上的权限控制。
●随后的0x25，表示了特征数据所在的句柄。因此，0x25的属性值，就是红外温度的真正数值。我们顺着查看0x25的值，可以看到此时的读数为0。
●剩下的部分包含了该特征的UUID，总共128位。写成UUID的顺序，即为F000-AA01-0451-4000-B000-000000000000。除了128位的UUID，蓝牙官方还提供了16位的UUID可供使用。
可以看到，一个特征至少需要两个属性，一个用于声明，另一个用于储存它的数据。除此之外，特征还有被称为描述符（Descriptor）的额外描述信息。每个描述符占据一行。比如0x0027这个描述符，其属性值是：
54:65:6D:70:7E:20:44:61:74:61
翻译成ASCII就是：
Temp~ Data
Temp Data是温度数据（Temperature Data）的简写，所以这里说明了数据是温度数据。
此外，温度单位、测量频率等描述信息也经常会以描述符的形式放入特征中。在下一个特征声明出现前的属性，都是该特征的描述符。
再来看更高级的组织单位——服务（Service）。一个服务也有行属性作为声明，其类型UUID是0x2800。声明属性的值就是该服务的128位UUID。蓝牙官方也提供了16位的UUID，预留给特定的服务。在下一个服务声明出现前的属性都属于该服务，比如表12-2中从0x0023到0x002D的属性。
表12-2 0x0023到0x002D的属性
表12-2中包含了一个与红外温度计相关的服务。该服务包括了三个特征。第一个特征从0x24开始，到0x27结束。这个特征就是前面已经介绍过的传输红外感温数据的特征。第二个特征从0x28到0x2A，用于设置红外温度计参数。第三个特征是从0x2B到0x2D，用于设置测温频率。句柄0x002E之后，开始了一个新的服务。
服务和特征都是属性的组织形式。客户端可以向服务器请求服务和特征列表，然后对其进行操作。GATT还提供了规范（Profile）。一个规范可以包括多个服务。不过，规范并不像前面两者那样存在于服务器中。规范是一种标准，用于说明一个特型设备应该有哪些服务。比如，HID（Human Interface Device）这种规范，就说明了蓝牙输入设备应该提供的服务。
12.3 Bluez
我们用树莓派来深入实践前面学到的蓝牙知识。首先要在树莓派上安装必要的工具。BlueZ是Linux官方的蓝牙协议栈，你可以通过BlueZ提供的接口进行丰富的蓝牙操作。
Raspbian中已经安装了BlueZ，笔者使用的BlueZ版本是5.43，你可以检查自己的BlueZ版本：
$bluetoothd -v
低版本的BlueZ对低功耗蓝牙的支持有限。如果使用的Bluez版本低于5.43，那么请升级BlueZ的版本。
你可以用下面的命令检查BlueZ的运行状态：
$systemctl status bluetooth
笔者返回结果是：
● bluetooth.service - Bluetooth service
Loaded: loaded (/lib/systemd/system/bluetooth.service; enabled)
Active: active (running) since Sun 2017-04-23 19:03:08 CST; 1 day 6h ago
Docs: man:bluetoothd(8)
Main PID: 709 (bluetoothd)
Status: "Running"
CGroup: /system.slice/bluetooth.service
└─709 /usr/lib/bluetooth/bluetoothd -C
可以看到，蓝牙服务已经打开，并在正常运行。
你可以用下面的命令手动启动或关闭蓝牙服务：
$sudo systemctl start bluetooth
$sudo systemctl stop bluetooth
此外，还可以让蓝牙服务随系统启动：
$sudo systemctl enable bluetooth
12.4 了解树莓派上的蓝牙
在Raspbian中，基本的蓝牙操作可以通过BlueZ中的bluetoothctl进行。该命令运行后，将进入一个新的Shell。这个Shell是由BlueZ提供的，与Linux系统的Shell不同。这个Shell中支持蓝牙相关的一些命令，比如输入：
list
将显示树莓派上可用的蓝牙模块，如：
Controller B8:27:EB:72:47:5E raspberrypi [default]
运行scan命令，开启扫描：
scan on
扫描启动后，用devices命令可以打印扫描到蓝牙设备的MAC地址和名称，如：
Device 00:9E:C8:62:AF:55 MiBOX3
Device 4D:CE:7A:1D:B8:6A vamei
此外，还可以用help命令获得帮助，使用结束后，可以用exit命令退出bluetoothctl。
除了bluetoothctl，在系统Shell中可以通过hciconfig来控制蓝牙模块。比如，我们可以启动蓝牙模块：
$sudo hciconfig hci0 up
下面的命令可以关闭蓝牙模块：
$sudo hciconfig hci0 down
命令中的“hci0”指的是0号HCI设备，即树莓派的蓝牙适配器。
还可以用下面的命令来查看蓝牙设备的工作日志：
$hcidump
BlueZ本身还提供了连接和读写工具，但不同版本的BlueZ相关功能的差异比较大，而且使用起来不太方便，所以下面使用Node.js的工具来实现更深入的开发。
12.5 树莓派作为BLE外设
尝试用树莓派进行BLE通信。我们先把一个树莓派改造成BLE外设，同时它也将充当连接建立后的服务器。这个过程较为复杂，你可以借用Node.js下的bleno库。
首先，安装Node.js：
$curl -sL https://deb.nodesource.com/setup_5.x | sudo bash -
$sudo apt-get install nodejs
然后，安装bleno：
$mkdir ble-test-peripheral
$cd ble-test-peripheral
$npm install bleno
运行bleno中pizza的例子：
$sudo node node_modules/bleno/examples/pizza/peripheral
你可以在node_modules/bleno/examples/pizza/中看到源代码，或者到Github网站查看。
这个名为pizza的例子提供了一个关于披萨的服务，它的UUID是1333-3333-3333-3333-3333-333333333337。服务中包含了三个特征，分别是用于披萨饼选项、配料参数和烤披萨，如表12-3所示。
表12-3 特征
通过这些特征，我们可以对树莓派进行BLE读写。读写操作会作用于一个代表披萨的对象。披萨饼选项如表12-4所示。
表12-4 披萨饼选项
配料是一个8位的参数，如表12-5所示，每一位代表了一种配料。当这一位是1时，那么说明添加该配料：
表12-5 披萨饼配料
因此，0x1A代表了添加MUSHROOMS、BLACK_OLIVES、CANADIAN_BACON，即蘑菇、黑橄榄、加拿大培根肉，味道应该不错。
对于烤披萨来说，写操作设定了烘烤的温度和时间。时间到了之后，中心设备会发出通知，告诉客户端烘烤完成。下一步将用另一个树莓派作为BLE中心设备。即使你没有另一个树莓派，你也可以用手机App来测试BLE外设。
12.6 树莓派作为BLE中心设备
我们拿另一个作为BLE的中心设备进行扫描，并发起连接请求。连接建立后，该服务器将充当客户端。和bleno对应，Node.js下有一个叫noble的项目，可以便捷地完成这一任务。首先，安装noble：
$mkdir ble-test-central
$cd ble-test-central
$npm install noble
noble中有一个同样名为pizza的例子，不过这个例子实现的是客户端。运行该例子：
$sudo node node_modules/noble/examples/pizza/peripheral
这个例子将自动执行扫描、连接、服务发现、数据传输的全过程。如果把bleno和noble部署到两个树莓派上，就可以在这两个树莓派之间进行蓝牙通信了。如果想自定义开发，那么可以在node_modules/noble/examples/pizza/上参考源代码，或者到Github查看。
12.7 树莓派作为Beacon
苹果在BLE的基础上推出了iBeacon协议。iBeacon使用了BLE的广播部分，但不建立连接。一个遵守iBeacon协议的外设被称为Beacon。Beacon会广播自己的身份信息和发射信号的强度。中心设备接到广播之后，除了可以获知Beacon的身份之外，还能通过信号的衰减算出自己与Beacon的距离。在一个典型的超市应用场景中，每件商品可以带上一个Beacon。消费者可以用手机看到自己周围有哪些商品，工作人员也可以用手机来清点货物。商家还可以在服务器上提供商品相关的质保、促销等信息。用户可以根据Beacon的编号，获得这些附加信息。
我们把配备了蓝牙模块的树莓派改造成一个Beacon。既然Beacon只使用了蓝牙中的广播，那么应该关闭树莓派的扫描，打开广播，并且不接受蓝牙连接。用下面的命令来关闭扫描：
$sudo hciconfig hci0 noscan
然后让蓝牙模块开始广播，并且在广播中不接受连接：
$sudo hciconfig hci0 leadv 3
把广播信息改为符合iBeacon协议的内容：
$sudo hcitool -i hci0 cmd 0x08 0x0008 1E 02 01 1A 1A FF 4C 00 02 15 63 6F 3F 8F
64 91 4B EE 95 F7 D8 CC 64 A8 63 B5 00 01 00 02 C5
上面的命令附加了一串16进制信息。其中0x08说明了整条信息是蓝牙命令，0x0008说明后面的内容将作为广播信息。
1E是广播信息开始的标志。按照蓝牙通信的规定，广播信息最多有31个字节。1E后面的广播信息分为两组。
●第一组：02 01 1A
●第二组：1A FF 4C 00 02 15 63 6F 3F 8F 64 91 4B EE 95 F7 D8 CC 64 A8 63 B5 00 01 00 02 C5
每一组开始的一个字节说明了该组信息的长度。02说明了两字节，1A说明是26个字节。随后一个字节说明了该组信息的类型。第一组的01说明了该组信息是蓝牙控制标志，第二组的FF说明了该组是蓝牙制造商相关信息。
我们来看第二组信息的细节：
●4C 00是制造商信息，即苹果。
●02 15是iBeacon协议标识。
●63 6F 3F 8F 64 91 4B EE 95 F7 D8 CC 64 A8 63 B5是设备的UUID，通常是用户编号。
●00 01是主编号（Major）。
●00 02是次编号（Minor）。
把UUID、主编号、次编号合在一起，我们可以确定Beacon的唯一身份。
最后的C5说明了蓝牙信号强度，即在1米处测得的该Beacon的RSSI值。中心设备把接收到的信号强度和该信号强度对比，就可以知道信号衰减了多少，从而推算出自己与Beacon的距离。由于我这里写入的C5没有经过校准，所以距离测量可能不准确。
用手机上探测Beacon的App来测试。当进入树莓派的广播范围时，应用就会显示出手机距离树莓派的距离。
使用结束后，可以用下面的命令停止广播：
$sudo hciconfig hci0 noleadv
用下面的命令来恢复扫描：
$sudo hciconfig hci0 piscan