蓝牙4.0通讯协议

用户1750537

发布于 2025-08-29 18:27:39

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蓝牙4.0 案例分析：心率监测系统

背景

蓝牙4.0（Bluetooth Low Energy, BLE）是一种低功耗无线通信协议，广泛应用于可穿戴设备、医疗设备和智能家居等领域。本案例设计一个心率监测系统，使用 BLE 将心率数据从传感器设备传输到手机应用。

系统需求

心率传感器设备：
- 读取心率数据。
- 使用 BLE 广播心率信息。
手机端应用：
- 通过 BLE 接收心率数据。
- 在应用中显示实时心率。

实现思路

硬件平台：ESP32 开发板（支持 BLE）。
BLE 角色：
- 心率传感器作为 BLE 外围设备（Peripheral）。
- 手机作为 BLE 中心设备（Central）。
BLE Profile：
- 使用 Heart Rate Profile (HRP)，遵循蓝牙规范。

代码实现

心率传感器代码（ESP32）

使用 Arduino IDE 和 ESP32 BLE 库实现。

#include <BLEDevice.h>
#include <BLEServer.h>
#include <BLEUtils.h>
#include <BLE2902.h>

// UUID 定义
#define SERVICE_UUID        "180D" // 心率服务 UUID
#define CHARACTERISTIC_UUID "2A37" // 心率测量特性 UUID

BLEServer *pServer = nullptr;
BLECharacteristic *pCharacteristic = nullptr;
bool deviceConnected = false;
uint8_t heartRate = 75; // 初始心率

// 连接回调类
class MyServerCallbacks : public BLEServerCallbacks {
    void onConnect(BLEServer* pServer) {
        deviceConnected = true;
        Serial.println("设备已连接");
    }

    void onDisconnect(BLEServer* pServer) {
        deviceConnected = false;
        Serial.println("设备已断开连接");
    }
};

void setup() {
    Serial.begin(115200);

    // 初始化 BLE 设备
    BLEDevice::init("HeartRateMonitor");

    // 创建 BLE Server
    pServer = BLEDevice::createServer();
    pServer->setCallbacks(new MyServerCallbacks());

    // 创建心率服务
    BLEService *pService = pServer->createService(SERVICE_UUID);

    // 创建心率测量特性
    pCharacteristic = pService->createCharacteristic(
                        CHARACTERISTIC_UUID,
                        BLECharacteristic::PROPERTY_NOTIFY
                      );
    pCharacteristic->addDescriptor(new BLE2902());

    // 启动服务
    pService->start();

    // 开始广播
    pServer->getAdvertising()->start();
    Serial.println("开始广播");
}

void loop() {
    if (deviceConnected) {
        // 模拟心率数据更新
        heartRate = random(60, 100);

        // 打包心率数据（按照蓝牙规范）
        uint8_t heartRateData[2] = {0x00, heartRate}; // 标志位 + 心率值
        pCharacteristic->setValue(heartRateData, sizeof(heartRateData));
        pCharacteristic->notify(); // 通知中心设备

        Serial.printf("发送心率数据: %d bpm\n", heartRate);
    }
    delay(1000); // 每秒更新一次
}

手机端应用代码（基于 Flutter 和 Dart）

手机端使用 Flutter 框架和 flutter_blue 插件。

pubspec.yaml

dependencies:
  flutter:
    sdk: flutter
  flutter_blue: ^0.8.0

手机端代码

import 'package:flutter/material.dart';
import 'package:flutter_blue/flutter_blue.dart';

void main() => runApp(HeartRateApp());

class HeartRateApp extends StatelessWidget {
  @override
  Widget build(BuildContext context) {
    return MaterialApp(
      title: 'Heart Rate Monitor',
      home: HeartRateScreen(),
    );
  }
}

class HeartRateScreen extends StatefulWidget {
  @override
  _HeartRateScreenState createState() => _HeartRateScreenState();
}

class _HeartRateScreenState extends State<HeartRateScreen> {
  FlutterBlue flutterBlue = FlutterBlue.instance;
  BluetoothDevice? connectedDevice;
  BluetoothCharacteristic? heartRateCharacteristic;
  int heartRate = 0;

  @override
  void initState() {
    super.initState();
    scanForDevices();
  }

  void scanForDevices() {
    flutterBlue.startScan(timeout: Duration(seconds: 5));
    flutterBlue.scanResults.listen((results) {
      for (ScanResult r in results) {
        if (r.device.name == "HeartRateMonitor") {
          connectToDevice(r.device);
          flutterBlue.stopScan();
          break;
        }
      }
    });
  }

  void connectToDevice(BluetoothDevice device) async {
    await device.connect();
    setState(() {
      connectedDevice = device;
    });

    // 获取服务
    List<BluetoothService> services = await device.discoverServices();
    for (BluetoothService service in services) {
      if (service.uuid.toString() == "180d") {
        for (BluetoothCharacteristic c in service.characteristics) {
          if (c.uuid.toString() == "2a37") {
            heartRateCharacteristic = c;

            // 订阅心率数据
            c.setNotifyValue(true);
            c.value.listen((value) {
              setState(() {
                heartRate = value[1]; // 第二字节是心率值
              });
            });
          }
        }
      }
    }
  }

  @override
  Widget build(BuildContext context) {
    return Scaffold(
      appBar: AppBar(title: Text('Heart Rate Monitor')),
      body: Center(
        child: connectedDevice == null
            ? Text("扫描中，请稍候...")
            : Column(
                mainAxisAlignment: MainAxisAlignment.center,
                children: [
                  Text(
                    "心率: $heartRate bpm",
                    style: TextStyle(fontSize: 24),
                  ),
                  SizedBox(height: 20),
                  ElevatedButton(
                    onPressed: () {
                      connectedDevice?.disconnect();
                      setState(() {
                        connectedDevice = null;
                        heartRate = 0;
                      });
                    },
                    child: Text("断开连接"),
                  ),
                ],
              ),
      ),
    );
  }
}

步骤说明

ESP32 设置：
- 使用 BLEDevice 库初始化 BLE 外围设备。
- 设置心率服务（UUID 为 180D）和心率测量特性（UUID 为 2A37）。
- 广播设备名称为 HeartRateMonitor。
手机端开发：
- 使用 flutter_blue 扫描 BLE 设备。
- 连接到名称为 HeartRateMonitor 的设备。
- 订阅心率测量特性，接收心率数据并实时更新 UI。
测试：
- 使用 ESP32 开发板运行心率传感器代码。
- 手机运行 Flutter 应用，连接 ESP32 并显示心率数据。