【蓝牙】BLE 数据收发实战指南（手机 App ↔ 嵌入式 Linux/BlueZ）
BLE 数据收发实战指南（手机 App ↔ 嵌入式 Linux/BlueZ）
本文面向在手机 App（Android/iOS）与嵌入式 Linux（BlueZ）之间实现 BLE（Bluetooth Low Energy）数据收发的工程实践，涵盖基础概念、接口映射、两类典型拓扑的完整流程、命令与验证、常见问题与排查，以及上线建议。
1. 基础概念与方向
- 角色与职责
Central（中心）：负责扫描、连接、发现服务；常发起读写与订阅通知。Peripheral（外设）：暴露 GATT 服务/特征/描述符；常被读写并主动上报通知/指示。
- GATT/ATT 数据通道
- 订阅上报：
notify/indicate由外设主动上报；由CCCD（0x2902）控制。 - 主动交互：
read/write由中心主动发起；外设读写回调中处理。
- 订阅上报：
- 关键对象（BlueZ D-Bus）
org.bluez.GattService1、org.bluez.GattCharacteristic1、org.bluez.GattDescriptor1- 特征属性：
UUID(s)、Service(o)、Value(ay)、Notifying(b)、Flags(as) - 特征方法：
ReadValue(a{sv} → ay)、WriteValue(ay, a{sv})、StartNotify()、StopNotify()
- CCCD（Client Characteristic Configuration Descriptor）
- 订阅通知：中心向 CCCD 写入
0x0001（notify）或0x0002（indicate）。 - 取消订阅：写入
0x0000。
- 订阅通知：中心向 CCCD 写入
2. BlueZ 接口与信号格式（Linux 外设）
- 特征 Value 类型：
ay（array of bytes）。 - 通知事件通过
PropertiesChanged信号上报，签名：s a{sv} as- 正确结构示例：
string "org.bluez.GattCharacteristic1"array [ dict entry( string "Value" variant array of bytes [ 12 34 56 78 ] ) ]array [ ]
- 正确结构示例：
- 重要实践：构造
a{sv}时应直接以ay作为"{sv}"的值，由 D-Bus 框架封装成单层variant。不要手动g_variant_new_variant(ay)再传入，否则会出现variant-of-variant（双层封装），导致上位机解析异常。- 参考实现路径：
vendor/linkric/acs-device-sdk/BluetoothImplementations/BlueZ/src/BlueZLEGattCharacteristic.cpp - 方法：
emitPropertiesChanged()将Value以ay直接放入"{sv}"。
- 参考实现路径：
2.1 从发现到数据收发的流程图（端到端）
详细步骤说明（基础通信过程）
-
发现与连接
- 中心启用控制器：
btmgmt power on、btmgmt le on - 扫描：
bluetoothctl→scan on，观察目标设备的广播（名称/服务 UUID/厂商字段）。 - 连接：
bluetoothctl connect <MAC>，建立 LE 连接（可在btmon中看到LE Connection Complete）。
- 中心启用控制器：
-
服务与特征发现
bluetoothctl→menu gatt→list-attributes查看服务与特征（GATT/ATT 句柄）。- 手机 App（Android/iOS）在连接后自动进行服务发现（
BluetoothGatt#discoverServices/CBPeripheral#discoverServices），并定位目标特征与 CCCD（0x2902）。
-
订阅通知 / 指示
- 中心写入 CCCD：
- Android：
descriptor.setValue(ENABLE_NOTIFICATION_VALUE/ENABLE_INDICATION_VALUE)→writeDescriptor - iOS：
peripheral.setNotifyValue(true, for: characteristic)
- Android：
- 外设（Linux/BlueZ）在
StartNotify设定Notifying=true。随后调用setValue(...)会发出PropertiesChanged，ATT 层表现为 Handle Value Notification/Indication。
- 中心写入 CCCD：
-
数据发送（外设→中心）
- 外设侧将待发字节流放入特征的
Value(ay)并触发PropertiesChanged：- 信号结构：
s a{sv} as，其中Value必须是variant(ay)的单层封装。 - 上层解析期望：
array of bytes [...]。
- 信号结构：
- 中心在回调中接收：
- Android：
onCharacteristicChanged - iOS：
didUpdateValueFor
- Android：
- 外设侧将待发字节流放入特征的
-
数据写入（中心→外设）
- 中心构造要写入的
ay字节流：- Android：
writeCharacteristic - iOS：
writeValue(data, type: .withResponse/.withoutResponse)
- Android：
- 外设在
WriteValue中读取参数并执行业务处理；需要返回结果时，结合通知/指示上报：setValue(result_bytes)。
- 中心构造要写入的
-
诊断与验证
- D-Bus 信号：
dbus-monitor --system "interface='org.freedesktop.DBus.Properties',member='PropertiesChanged'" - 低层抓包：
sudo btmon，观察 ATT 读写与通知时序。 - 常见问题：CCCD 写入失败、
Notifying未更新、variant-of-variant导致解析异常（务必保证Value的ay仅单层 variant）。
- D-Bus 信号：
3. 案例 A：手机 App 为 Central，Linux/BlueZ 为 Peripheral
3.1 Linux 侧（外设）
- 特征声明包含
Flags：notify或indicate。 - 启用通知：在
StartNotify中设置Notifying=true；之后每次调用setValue(...)都会触发PropertiesChanged信号（通知）。 - 验证信号：
dbus-monitor --system "interface='org.freedesktop.DBus.Properties',member='PropertiesChanged'" | grep -A3 /org/bluez/app/service0/chrc1- 低层抓包：
sudo btmon观察ATT Handle Value Notification/Indication。
- 快速命令（bluetoothctl）：
scan on→ 发现并connect <MAC>→menu gatt→ 选择特征后notify on。
3.2 手机 App 侧（中心）
- Android（
BluetoothGatt）- 流程：连接→发现服务→查找特征与
CCCD。 - 订阅示例：
gatt.setCharacteristicNotification(characteristic, true)- 写入
CCCD：descriptor.setValue(BluetoothGattDescriptor.ENABLE_NOTIFICATION_VALUE)；gatt.writeDescriptor(descriptor)。
- 接收：
onCharacteristicChanged回调中读取字节数组。
- 流程：连接→发现服务→查找特征与
- iOS（
CoreBluetooth）- 流程：连接→
discoverServices/discoverCharacteristics。 - 订阅：
peripheral.setNotifyValue(true, for: characteristic)。 - 接收：
peripheral(_:didUpdateValueFor:error:)回调读取characteristic.value。
- 流程：连接→
3.3 数据帧约定（建议）
- 在字节流首部编码协议版本与命令字，便于扩展与兼容：
- 示例：
[magic=0x5AA5][ver=0x11][cmd=0x01][len=...][payload][CRC]
- 示例：
4. 案例 B：手机 App 写入命令（Central→Peripheral），Linux 回传结果
4.1 手机侧（写入）
- Android：
characteristic.setValue(bytes)→gatt.writeCharacteristic(characteristic)；是否需要withResponse视特征Flags而定。 - iOS：
peripheral.writeValue(data, for: characteristic, type: .withResponse/.withoutResponse)。
4.2 Linux 侧（接收与反馈）
- 在特征的
WriteValue中读取ay参数，进行业务处理。 - 需要反馈时：在处理完成后
setValue(result_bytes)并确保已订阅通知（Notifying=true），中心即可收到结果通知。
4.3 验证
dbus-monitor观察PropertiesChanged；btmon观察 ATT 写入与后续通知时序。
5. 案例 C：Linux 为 Central（BlueZ + 工具/bleak），手机/设备为 Peripheral
5.1 Linux 侧（中心）
bluetoothctl快速验证：scan on→connect <MAC>→menu gatt→list-attributes- 选择目标特征后：
notify on订阅、read/write <hex bytes>主动交互。
- Python bleak（如需自动化）：
- 订阅：
await client.start_notify(char_uuid, callback) - 写入：
await client.write_gatt_char(char_uuid, data)
- 订阅：
5.2 手机 App（外设）
- 暴露自定义 GATT 服务与特征，按需支持
notify/indicate与write。 - 快速验证可用
nRF Connect/LightBlue等通用 App。
6. 验证与诊断清单
- 控制器启用：
btmgmt power on、btmgmt le on - 扫描与连接：
bluetoothctl→scan on、connect <MAC> - 订阅通知：
menu gatt→ 选择特征 →notify on - 读写测试：
read、write <hex bytes> - D-Bus 信号监控：
dbus-monitor --system "interface='org.freedesktop.DBus.Properties',member='PropertiesChanged'" - 低层抓包：
sudo btmon
7. 常见问题与排查
- 无法订阅通知
- 特征
Flags未包含notify/indicate；CCCD 写入失败；外设未维护Notifying状态。
- 特征
- 收到空数据或长度异常
getValue()返回空数组；写入处理未更新m_value；两端编码约定不一致。
variant-of-variant解析异常- 构造
a{sv}时应直接传入ay，让框架封装单层variant；不要手动g_variant_new_variant(ay)再加入"{sv}"。
- 构造
- 连接稳定性与功耗
- 广播与连接参数（interval/latency/supervision timeout）需与手机端适配；高频上报场景建议限流与降采样。
8. 上线建议
- 建立“金路径”脚本：用
bluetoothctl与btmon固化验证步骤，更新后快速回归。 - 手机侧先用通用 App（
nRF Connect/LightBlue）快速验证，再集成到自研 App。 - 为数据帧定义清晰的协议文档与测试用例，确保两端编码一致。