低功耗蓝牙协议栈入门（五）广播者与观察者（NimBLE 应用）

在 低功耗蓝牙协议栈入门（一） 中有提到 BLE 一共有四种 GAP 角色：广播者；观察者；外围设备；中央设备。一个设备可以同时支持多个角色。所有的蓝牙应用都是围绕着这四个角色来的。

本文将结合 NimBLE 蓝牙协议栈的代码来介绍蓝牙的广播者与观察者这两种角色。

一. 广播者

广播者是发送广播报文的设备，通常广播一些服务数据给处于观察者角色的设备。 NimBLE 的蓝牙广播，涉及到这两个结构体：struct ble_gap_adv_params ， struct ble_hs_adv_fields 。

/* (1).广播配置 */
struct ble_gap_adv_params {
    uint8_t conn_mode;
    uint8_t disc_mode;
    uint16_t itvl_min;
    uint16_t itvl_max;
    uint8_t channel_map;
    uint8_t filter_policy;
    uint8_t high_duty_cycle:1;
};

/* (2).广播数据 */
struct ble_hs_adv_fields {
    /* 太多了，略... */
};

(1). 广播配置

就可连接性而言，蓝牙的广播可以分为三种模式：

1. 不可连接模式；
2. 定向连接模式；
3. 无向连接模式；

需要配置结构体 ble_gap_adv_params的conn_mode 成员值。

连接的模式，可以是下列宏定义之一:

#define BLE_GAP_CONN_MODE_NON //(non-connectable; 对应蓝牙白皮书章节：3.C.9.3.2).
#define BLE_GAP_CONN_MODE_DIR //(directed-connectable; 对应蓝牙白皮书章节：3.C.9.3.3).
#define BLE_GAP_CONN_MODE_UND //(undirected-connectable; 对应蓝牙白皮书章节：3.C.9.3.4).

就可发现性而言，蓝牙的广播可以分为三种模式：

1. 不可发现模式；
2. 有限可发现模式；
3. 一般可发现模式；

需要配置结构体 ble_gap_adv_params的disc_mode 成员值。

发现的模式，可以是下列宏定义之一:

#define BLE_GAP_DISC_MODE_NON //(non-discoverable; 对应蓝牙白皮书章节：3.C.9.2.2).
#define BLE_GAP_DISC_MODE_LTD //(limited-discoverable; 对应蓝牙白皮书章节：3.C.9.2.3).
#define BLE_GAP_DISC_MODE_GEN //(general-discoverable; 对应蓝牙白皮书章节：3.C.9.2.4).

以上两个成员是广播配置过程当中最常用的，除此之外，蓝牙的广播间隔，信道地图，过滤策略，等相关配置也是通过这个结构体内部成员变量配置的。

(2). 广播数据

如下图所示，红色框框为广播数据，广播数据内部的成员由黄色框框部分组成。每个黄色框框成员内容的开始处均使用Length字节来表示这个成员的长度，紧接着是Type，用于表示这个广播数据成员类型。

决定广播内容的是结构体 ble_hs_adv_fields。这个结构体内部定义了以下几种成员：

1. 标识（Flags）：定义了设备的情况。如，有限可发现模式；通用可发现模式；不支持 BR/EDR；等。
2. 服务：多种不同类型的服务数据类型，也就是服务 UUID。
3. 本地名称：蓝牙的名称，以字符串的形式保存。
4. 发射功率等级：长度为一个字节，单位为dBm。
5. 从设备连接间隔范围：通过这个数据，中央设备可以确定从设备倾向的连接时间间隔。
6. 服务请求：代表了发出该广播的从设备向外界中央设备发送的服务请求。
7. 服务数据：设置服务广播时使用的广播数据类型。
8. 制造商指定数据：起始的两个字节代表公司，后面跟着公司的自定义数据。

(3). 广播实例代码

完成广播配置；广播数据；这两个相关结构体的配置后即可发起一段时间的广播。以下为代码流程注解：

static void advertise(void)
{
    int rc;
    struct ble_gap_adv_params adv_params;
    struct ble_hs_adv_fields fields;

    /* set adv parameters */
    memset(&adv_params, 0, sizeof(adv_params));
    /* 配置连接模式 */
    adv_params.conn_mode = BLE_GAP_CONN_MODE_NON;
    /* 配置发现模式 */
    adv_params.disc_mode = BLE_GAP_DISC_MODE_GEN;

    memset(&fields, 0, sizeof(fields));

    /* Fill the fields with advertising data - flags, tx power level, name */
    /* 定义设备的情况 */
    fields.flags = BLE_HS_ADV_F_DISC_GEN;
    /* 发射功率等级 */
    fields.tx_pwr_lvl_is_present = 1;
    fields.tx_pwr_lvl = BLE_HS_ADV_TX_PWR_LVL_AUTO;
    /* 本地名称 */
    fields.name = (uint8_t *)device_name;
    fields.name_len = strlen(device_name);
    fields.name_is_complete = 1;

    rc = ble_gap_adv_set_fields(&fields);
    assert(rc == 0);

    /* 启动一次 10000ms 时长的广播，广播期间的事件，通过 adv_event 回调函数通知。 */
    rc = ble_gap_adv_start(BLE_OWN_ADDR_RANDOM, NULL, 10000,
                           &adv_params, adv_event, NULL);
    assert(rc == 0);
}

二. 观察者

观察者是扫描广播者，并将信息报告给应用的设备。 NimBLE 的蓝牙扫描，涉及到的结构体为：struct ble_gap_disc_params 。通过对这个结构体的初始化，可以配置 NimBLE 的 扫描类型；扫描间隔；扫描窗口；扫描过滤策略；以及扫描“有限发现设备”。

扫描类型：

1. 被动扫描：设备被动监听来自外围设备的广播数据包。
2. 主动扫描：监听到广播数据包后，主动发起扫描请求，进一步获取扫描响应数据包。

以下两图来自蓝牙《core_v5.2.pdf》 Vol 6, Part D 第4节。

扫描间隔与扫描窗口：

如果扫描间隔配置为 500ms，扫描窗口配置为 250ms，那么设备就会在每 500ms 内进行 250ms 的扫描。

扫描过滤策略：

配置接收任何广播数据包或者仅接收白名单设备的广播数据包。

扫描“有限发现设备”：

仅扫描处于有限可发现模式的设备广播，忽略其他模式下的设备广播。

---

以下为代码流程注解：

static void scan(void)
{
    /* set scan parameters */
    struct ble_gap_disc_params scan_params;
    /* 配置扫描间隔与扫描窗口 */
    scan_params.itvl = 500;
    scan_params.window = 250;
    /* 配置扫描过滤策略 */
    scan_params.filter_policy = 0;
    scan_params.filter_duplicates = 0;
    /* 配置扫描“有限发现设备” */
    scan_params.limited = 0;
    /* 配置扫描类型 */
    scan_params.passive = 1;
    /* 启动扫描，并注册 scan_event 回调函数 */
    ble_gap_disc(BLE_OWN_ADDR_RANDOM, BLE_HS_FOREVER, &scan_params, scan_event, NULL);
}

scan_event 回调函数用于处理扫描事件：

static int scan_event(struct ble_gap_event *event, void *arg)
{
    struct ble_hs_adv_fields fields;
    int rc;
    switch (event->type) {
    /* 接收到广播事件 */
    case BLE_GAP_EVENT_DISC:
		/* 处理相关业务。。。 */
        return 0;
    /* 终止扫描事件 */
    case BLE_GAP_EVENT_DISC_COMPLETE:
		/* 处理相关业务。。。 */
        return 0;
    default:
        MODLOG_DFLT(ERROR, "Discovery event not handled\n");
        return 0;
    }
}

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