藍牙低功耗（BLE）

另一種無線：藍牙低功耗

第 12～14 課用 Wi-Fi 把 ESP32 接上網路。Wi-Fi 很方便，但要有無線網路分享器，而且耗電（第 15 課：發射時約 200 mA 等級）。 有些情況其實只需要：手機靠近時，直接和裝置交換一點點資料。例如心率帶把心跳傳給手機、手機設定一顆智慧燈泡、體重計把數字送到 App。

這就是藍牙低功耗（Bluetooth Low Energy，BLE）的用途。BLE 在 2010 年的藍牙核心規格 4.0 加入， 和傳統藍牙（耳機、喇叭用的那一種）名字相同，但是不同的通訊方式。ESP32 的資料手冊寫明它支援藍牙 4.2 的傳統藍牙與 BLE。

這一課的觀念用下面的模擬器操作（模擬器沒有模擬 MicroPython 的 bluetooth 模組），實機程式放在課文後半。

廣播、連線與四種角色

先廣播，再連線

一個 BLE 裝置要被找到，先要廣播（advertising）：每隔一段時間送出一個小封包，內容是「我是誰、我有什麼服務」。

• 廣播使用三個專門的頻道，編號 37、38、39；每次廣播在三個頻道各送一份，提高被收到的機會。
• 廣播間隔可以從 20 毫秒到 10.24 秒：越短越快被找到，也越耗電。
• 傳統的廣播封包，資料部分最多 31 位元組；放不下的名稱或資訊要縮短，或放進「掃描回應」。

手機掃描時收聽這三個頻道，列出附近的裝置；選了一個按下連線，兩邊就建立連線，之後在其他頻道上交換資料。

四種角色（GAP）

連線後：GATT 伺服器與用戶端

連線後交換資料的規則叫 GATT（Generic Attribute Profile）。保存資料的一方是 GATT 伺服器，來讀寫的一方是 GATT 用戶端。 常見的組合是「周邊＝伺服器、中央＝用戶端」：ESP32 有溫度，手機來讀。

伺服器的資料整理成一張屬性表，分成兩層：

服務（service）0x181A 環境感測
 ├─ 特徵值（characteristic）0x2A6E 溫度      性質：讀取、通知
 │    └─ 描述元（descriptor）0x2902 CCCD     用戶端在這裡開關通知
服務 0x180F 電池
 └─ 特徵值 0x2A19 電量                        性質：讀取

• UUID：每個服務與特徵值都有一個編號。藍牙技術聯盟（Bluetooth SIG）制定的標準項目用 16 位元的短編號（例如 0x181A）， 自己發明的服務用 128 位元的長編號，例如 9f3e0001-5b1c-4c8a-9e8b-2a6d7c0e1f00。用標準編號，任何認得它的 App 都知道 0x2A6E 是溫度。
• 讀取（read）：用戶端問，伺服器答。
• 寫入（write）：用戶端送一個值過去，例如開燈。
• 通知（notify）：用戶端先在 CCCD 寫入 01 00 訂閱，之後伺服器的值一改變就主動送過來，用戶端不必一直問； 指示（indicate）和通知類似，但用戶端要回覆確認。

這和第 14 課的 MQTT 很像：訂閱之後由對方主動送來，不用一直詢問。

特徵值裡裝的是位元組

MQTT 的訊息常用 JSON 文字；BLE 的特徵值很小（MicroPython 預設 20 位元組），通常直接放二進位的數字。 標準的溫度特徵值（0x2A6E）規定：有號 16 位元整數（sint16）、單位 0.01 °C、小端序（低位元組在前）。

25.84 °C → × 100 → 2584 → 十六進位 0x0A18 → 小端序送出：18 0A
收到 18 0A → 組回 0x0A18 → 2584 → × 0.01 → 25.84 °C

Python 用 struct 模組做這件事（MicroPython 也有）：

import struct
data = struct.pack("<h", 2584)       # "<" 小端序，"h" 有號 16 位元
print(data.hex())                     # 180a
value = struct.unpack("<h", data)[0]  # 2584
print(value / 100)                    # 25.84

用整數乘上 100，而不是傳浮點數，資料只要 2 個位元組，接收端也不會遇到浮點數格式不同的問題。

ESP32 上的 BLE 周邊程式

MicroPython 的 bluetooth 模組是低階介面：事件（有人連線、離線、寫入）透過一個你登記的函式通知程式。 下面的程式改寫自 MicroPython 官方範例 examples/bluetooth/ble_temperature.py，它需要同一個資料夾的 ble_advertising.py （負責組出廣播封包，就是模擬器裡那串位元組）。

import bluetooth
import struct
import time
from micropython import const
from ble_advertising import advertising_payload

_IRQ_CENTRAL_CONNECT = const(1)
_IRQ_CENTRAL_DISCONNECT = const(2)
_FLAG_READ = const(0x0002)
_FLAG_NOTIFY = const(0x0010)

ENV_UUID = bluetooth.UUID(0x181A)                                  # 環境感測服務
TEMP_CHAR = (bluetooth.UUID(0x2A6E), _FLAG_READ | _FLAG_NOTIFY)    # 溫度：可讀取、可通知

ble = bluetooth.BLE()
ble.active(True)
((temp_handle,),) = ble.gatts_register_services(((ENV_UUID, (TEMP_CHAR,)),))
connections = set()
payload = advertising_payload(name="Uedu-Temp", services=[ENV_UUID])

def on_ble(event, data):
    if event == _IRQ_CENTRAL_CONNECT:
        conn, _, _ = data
        connections.add(conn)
        print("手機連上了")
    elif event == _IRQ_CENTRAL_DISCONNECT:
        conn, _, _ = data
        connections.discard(conn)
        print("手機離開了，重新廣播")
        ble.gap_advertise(500000, adv_data=payload)

ble.irq(on_ble)
ble.gap_advertise(500000, adv_data=payload)      # 每 0.5 秒（500000 微秒）廣播一次
print("廣播中：Uedu-Temp")

temp = 25.0
while True:
    data = struct.pack("<h", int(temp * 100))    # sint16、小端序、單位 0.01 °C
    ble.gatts_write(temp_handle, data)           # 更新屬性表裡的值：手機讀取時拿到它
    for conn in connections:
        ble.gatts_notify(conn, temp_handle)      # 主動送給已連線的手機
    temp += 0.1
    time.sleep(1)

幾個要注意的地方：

• gatts_register_services 依你給的服務定義建立屬性表，回傳每個特徵值的 handle（屬性表裡的編號），之後讀寫都用它。
• 旗標常數（_FLAG_READ 等）沒有內建在模組裡，要像上面一樣自己定義。
• gatts_notify 不管手機有沒有訂閱都會送出；正式的程式應該記錄手機寫入 CCCD 的值，有訂閱才送。
• MicroPython 文件建議一般應用改用較高階的 aioble 函式庫，它幫你處理事件與連線管理，但需要 asyncio。
• ESP32 的 Wi-Fi 與藍牙共用同一組 2.4 GHz 無線電，靠分時輪流使用；可以同時開著，但同時大量傳輸時兩邊都會變慢。

重點整理

• BLE 讓手機和裝置不經過網路、直接交換少量資料，耗電低、距離短；ESP32 同時支援 Wi-Fi 與 BLE。
• 周邊在 37、38、39 頻道廣播（資料最多 31 位元組），中央掃描後發起連線；只廣播不連線的是廣播者。
• 連線後，保存資料的 GATT 伺服器提供屬性表：服務底下有特徵值，每個都有 UUID（標準 16 位元、自訂 128 位元）。
• 用戶端可以讀取、寫入，或在 CCCD 寫入 01 00 訂閱通知，之後伺服器主動送新值。
• 特徵值放位元組：標準溫度是 sint16、小端序、0.01 °C，用 struct.pack("<h", ...) 編碼。
• MicroPython 的 bluetooth 模組是低階、事件驅動的介面；一般應用可以改用 aioble。

下一課是 ESP32 軌的專題：把 Wi-Fi、感測、MQTT 整合成一個完整的感測節點。