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ESP32学习笔记（48）——WiFi蓝牙网关_esp32 蓝牙网关

作者：繁依Fanyi0 | 2024-08-21 11:18:34

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esp32 蓝牙网关

一、项目简介

蓝牙网关 又叫蓝牙探针，是采集蓝牙设备的蓝牙数据，通过 WIFI 等方式传至服务器的一款中继设备。如果类比的话，就如同 WIFI 网络中的无线 AP 的作用。WIFI 网络中无线 AP 是将 WIFI 设备接入网络，而蓝牙网络中的蓝牙网关，是将蓝牙设备接入网络。

项目特性：

  • 采用 240MHz Xtensa 32-bit LX6 双核处理器
  • 支持 STA 工作模式
  • 支持 Smart Config/AirKiss 一键配网
  • 内嵌 Lwip 和 FreeRTOS
  • 支持 BLE 广播/扫描
  • 支持 Beacons 设备蓝牙广播上报功能

二、基本工作流程

  1. Smart Config/AirKiss 一键配网，WIFI 连接路由器；
  2. 通过 TCP 方式连接到指定 IP 地址服务器；
  3. 扫描周围蓝牙设备广播数据；
  4. 将采集蓝牙数据通过 TCP 方式发送到指定服务器；
  5. 上电或按下网关按键发送蓝牙广播数据，时长5秒（默认）。

三、API接口

3.1 外设

  • LED灯
函数功能
void LED_Init(void)LED模块初始化
void SetWarningLedStatus(uint8_t status)设置告警灯状态
void SetNetworkLedStatus(uint8_t status)设置网络灯状态
void LED_GPIO_Init(void)LED灯GPIO初始化
void LED_GPIO_Write(uint8_t ledNum, uint8_t ledMode)设置LED灯GPIO状态
uint8_t LED_GPIO_Read(uint8_t ledNum)获取LED灯GPIO状态
  • 按键
函数功能
void Key_Init(void)按键模块初始化
void Key_GPIO_Init(void)按键GPIO初始化
uint8_t Key_GPIO_Read(uint8_t keyNum)获取按键GPIO状态
void Key_GPIO_IrqCallback(void *arg)按键中断触发回调函数
  • 蜂鸣器
函数功能
void Buzzer_Init(void)蜂鸣器模块初始化
void Buzzer_Beep(uint8_t beepMode)设置蜂鸣器状态（短鸣/长鸣）
void Buzzer_GPIO_Init(void)蜂鸣器GPIO初始化
void Buzzer_GPIO_Write(uint8_t buzzerMode)设置蜂鸣器GPIO状态

3.2 Socket

函数功能
uint8_t Socket_Init(void)socket初始化，并开启连接
void Socket_Close(void)关闭socket
void Socket_Send(char *pString)发送数据
uint32_t Socket_Receive(char *pRecvDataBuf)接收数据

3.3 WIFI

函数功能
void WIFI_Init(void)WIFI模块初始化，并等待配网
uint8_t WIFI_Status(void)获取WIFI连接状态

3.4 BLE

函数功能
void BLE_Init(void)蓝牙BLE模块初始化
void BLE_Advertise(void)开启BLE广播
void BLE_StopAdvertise(void)停止BLE广播
void BLE_AdvertisingDataInit(void)BLE广播数据包内容初始化
void BLE_SetManufacturerData(uint8_t *pData, uint32_t dataLen)设置用户自定义内容
void BLE_Scan(void)开启BLE扫描
void BLE_StopScan(void)停止BLE扫描
bool BLE_GetAdTypeData(uint8_t adType, uint8_array_t *pAdvData, uint8_array_t *pTypeData)从广播包中提取AdType格式数据
bool BLE_GetUuidFromAdv(uint8_array_t *pAdvData, uint8_array_t *pTypeData)从广播包中提取UUID
bool BLE_GetNameFromAdv(uint8_array_t *pAdvData, uint8_array_t *pTypeData)从广播包中提取设备名称
bool BLE_GetUserDataFromAdv(uint8_array_t *pAdvData, uint8_array_t *pTypeData)从广播包中提取用户自定义内容

四、工程代码

GitCode：https://gitcode.net/qq_36347513/esp32-wifi_ble_gateway

将文件解压到 esp-idf/examples 目录下：

4.1 工程结构

4.2 一键配网

首先在 main.c 的 app_main() 中初始化 WIFI 模块，然后创建一个 network_task 处理网络通信业务。

void app_main(void)
{
    ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_init());

    /*-------------------------- 外设驱初始化 ---------------------------*/
    ···
    WIFI_Init();                                                            // WIFI模块初始化
    ···
    ···

    /*-------------------------- 创建线程 ---------------------------*/
    ···
    xTaskCreate(network_task, "network_task", 4096, NULL, 5, NULL);

    ···
}

/**
 @brief 通信业务
 @param 无
 @return 无
*/
static void network_task(void *arg)
{
    while(1)                                                                // 任务都是一个无限循环，不能返回
    { 
        HandleNetworkService();
        Delay(1000);                                                        // 1s
    }
}

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扫描二维码进行 AirKiss 一键配网

4.3 连接TCP服务器

在 user_socket.h 中修改指定服务器的 IP 地址和端口：

当 network_task 获取到 WIFI 状态已连接路由器成功后，调用 Socket_Init() 初始化socket通信，连接到指定 TCP 服务器。

成功连接 TCP 服务器后，发送一条内容为 TEST 的消息。

void HandleNetworkService(void)
{
    if(CONNECT_WIFI_FAIL == WIFI_Status())
    {
        return;
    }

    if(INIT_FAIL == g_isSocketInit)
    {
        SetNetworkLedStatus(NO_NETWORK);
        s_isConnectServer = CONNECT_FAIL;
        g_isSocketInit = Socket_Init();                                 // 初始化socket通信
    }
    else if(INIT_SUCCESS == g_isSocketInit)
    {
        if(CONNECT_FAIL == s_isConnectServer)
        {
            SetNetworkLedStatus(IDLE);
            s_isConnectServer = CONNECT_SUCCESS;
            BLE_Scan();
            Socket_Send("TEST");
            ESP_LOGI(TAG, "socket send TEST\r\n");
        }

        // 接收服务器数据
        char recvDataBuf[MAX_RECV_BUF_SIZE] = {0};
        int recvDataLen = Socket_Receive(recvDataBuf);                  // 接收服务器数据
        if(recvDataLen > 0)
        {
            handleSocketRecvData(recvDataBuf, recvDataLen);
        }
    }
}

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4.4 发送BLE扫描数据

  • 首先在 main.c 的 app_main() 中初始化 BLE 模块，然后创建一个 monitor_task 处理事件业务。

  • 创建一个蓝牙消息队列 MsgQueue_Init(g_pMsgQueue); 和一个蓝牙 MAC 地址队列 MacQueue_Init(g_pMacQueue);。

  • 创建蓝牙 MAC 地址过滤定时器 CreateFilterMacTimer()，过滤短时间内同一 MAC 地址重复的蓝牙广播包。

void app_main(void)
{
    ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_init());

    /*-------------------------- 外设驱初始化 ---------------------------*/
    timers_init();                                                          // 定时器驱动初始化（在此加入自定义定时器）
    ···
    BLE_Init();                                                             // 蓝牙模块初始化
    BLE_AdvertisingDataInit();
    BLE_Advertise();

    /*---------------------------- 队列初始化 -----------------------------*/
    g_pMsgQueue = (MsgQueue_t *)malloc(sizeof(MsgQueue_t));
    g_pMacQueue = (MacQueue_t *)malloc(sizeof(MacQueue_t));
    MsgQueue_Init(g_pMsgQueue);
    MacQueue_Init(g_pMacQueue);

    /*-------------------------- 创建线程 ---------------------------*/
    ···
    xTaskCreate(monitor_task, "monitor_task", 4096, NULL, 4, NULL);
    ···

    application_timers_start();
}

static void timers_init(void)
{
    esp_timer_init();                                                       // 使用定时器API函数，先调用接口初始化

    ···
    CreateFilterMacTimer();
}

static void application_timers_start(void)
{
    ···
    StartFilterMacTimer();
}

static void monitor_task(void *arg)
{
    while(1)                                                                // 任务都是一个无限循环，不能返回
    {
        HandleEventService();
        Delay(100);                                                         // 100ms
    }
}

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当 network_task 获取到连接 TCP 服务器成功后，开启扫描 BLE_Scan()。

void HandleNetworkService(void)
{
    if(CONNECT_WIFI_FAIL == WIFI_Status())
    {
        return;
    }

    if(INIT_FAIL == g_isSocketInit)
    {
        SetNetworkLedStatus(NO_NETWORK);
        s_isConnectServer = CONNECT_FAIL;
        g_isSocketInit = Socket_Init();                                 // 初始化socket通信
    }
    else if(INIT_SUCCESS == g_isSocketInit)
    {
        if(CONNECT_FAIL == s_isConnectServer)
        {
            ···
            s_isConnectServer = CONNECT_SUCCESS;
            BLE_Scan();
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        }

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    }
}

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当扫描到蓝牙广播时，进去蓝牙事件处理函数 bleEventHandler() 处理扫描结果，将蓝牙广播设备的 MAC 地址、设备名称、UUID、用户数据和RSSI 等依次封装成消息，加入消息队列。

static void bleEventHandler(esp_gap_ble_cb_event_t event, esp_ble_gap_cb_param_t *param)
{
    esp_err_t err;

    switch(event) 
    {
        ···
        /*--------------------------- 扫描 ---------------------------*/
        case ESP_GAP_BLE_SCAN_PARAM_SET_COMPLETE_EVT: 
        {
            //the unit of the duration is second, 0 means scan permanently
            // uint32_t duration = 0;
            // esp_ble_gap_start_scanning(duration);
            break;
        }
        case ESP_GAP_BLE_SCAN_START_COMPLETE_EVT:
            //scan start complete event to indicate scan start successfully or failed
            if((err = param->scan_start_cmpl.status) != ESP_BT_STATUS_SUCCESS) 
            {
                ESP_LOGE(TAG, "Scan start failed: %s", esp_err_to_name(err));
            }
            break;
        case ESP_GAP_BLE_SCAN_RESULT_EVT: 
            scanResultHandler(param);
            break;

        case ESP_GAP_BLE_SCAN_STOP_COMPLETE_EVT:
            if((err = param->scan_stop_cmpl.status) != ESP_BT_STATUS_SUCCESS)
            {
                ESP_LOGE(TAG, "Scan stop failed: %s", esp_err_to_name(err));
            }
            else 
            {
                ESP_LOGI(TAG, "Stop scan successfully");
            }
            break;

        default:
            break;
    }
}

/**
 @brief 处理扫描结果
 @param 无
 @return 无
*/
static void scanResultHandler(esp_ble_gap_cb_param_t *pScanResult)
{
    bool result;
    uint8_array_t advData;
    uint8_array_t name;
    uint16_t uuid = 0;
    uint8_array_t uuidArray;
    uint8_array_t userData;
    uint8_t macAddr[ESP_BD_ADDR_LEN] = {0};
    int8_t rssi = 0;
            
    switch(pScanResult->scan_rst.search_evt) 
    {
        case ESP_GAP_SEARCH_INQ_RES_EVT:
            // ESP_LOGI(TAG, "----------Device Found----------");
            advData.p_data = pScanResult->scan_rst.ble_adv;
            advData.size = pScanResult->scan_rst.adv_data_len + pScanResult->scan_rst.scan_rsp_len;

            // MAC地址
            memcpy(macAddr, pScanResult->scan_rst.bda, ESP_BD_ADDR_LEN);
            // esp_log_buffer_hex("Device address:", pScanResult->scan_rst.bda, ESP_BD_ADDR_LEN);
            // 设备名称
            result = BLE_GetNameFromAdv(&advData, &name);
            if(result == true)
            {
                // ESP_LOGI(TAG, "searched Device Name Len %d", name.size);
                // esp_log_buffer_char(TAG, (char *)name.p_data, name.size);
            }
            // UUID
            result = BLE_GetUuidFromAdv(&advData, &uuidArray);
            if(result == true)
            {
                uuid = U8ToU16LittleEndian(uuidArray.p_data);
                // ESP_LOGI(TAG, "searched uuid:%04x", uuid);
            }
            // 用户数据
            result = BLE_GetUserDataFromAdv(&advData, &userData);
            if(result == true)
            {
                // esp_log_buffer_hex("searched user data:", userData.p_data, userData.size);
            }
            // RSSI
            rssi = pScanResult->scan_rst.rssi;
            // ESP_LOGI(TAG, "RSSI of packet:%d dbm", pScanResult->scan_rst.rssi);

            // 检查MAC地址不在待发送消息队列中
            if(!CheckMac(g_pMacQueue, macAddr) && ESP_BT_DEVICE_TYPE_BLE == pScanResult->scan_rst.dev_type)
            {
                MacFilter_t *pMac;
                pMac =(MacFilter_t *)malloc(sizeof(MacFilter_t));
                memcpy(pMac->addr, pScanResult->scan_rst.bda, ESP_BD_ADDR_LEN);   // MAC地址
                pMac->tick = esp_timer_get_time();              // 当前系统tick,用于过滤重复消息

                if(MacQueue_GetLength(g_pMacQueue) < MAX_MAC_NUM)
                {
                    MacQueue_PushElement(g_pMacQueue, *pMac);   // 加入MAC队列
                }
                free(pMac);
                pMac = NULL;

                DataType_t *pMsg;
                pMsg =(DataType_t *)malloc(sizeof(DataType_t));
                // UUID
                pMsg->uuid = uuid;
                // 广播内容
                pMsg->adv_data.size = advData.size;
                pMsg->adv_data.p_data = (uint8_t *)malloc(advData.size * sizeof(uint8_t));
                memcpy(pMsg->adv_data.p_data, advData.p_data, advData.size);
                // 信号强度
                pMsg->rssi = rssi;
                // MAC地址
                memcpy(pMsg->addr, pScanResult->scan_rst.bda, ESP_BD_ADDR_LEN);

                if(MsgQueue_GetLength(g_pMsgQueue) < MAX_MESSAGE_NUM)
                {
                    MsgQueue_PushElement(g_pMsgQueue, *pMsg);   // 加入消息队列
                }
                else
                {
                    free(pMsg->adv_data.p_data);
                    pMsg->adv_data.p_data = NULL;
                }
                free(pMsg);
                pMsg = NULL;
            }
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        default:
            break;
    }
}

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在 monitor_task 中，从消息队列中提取消息发送到 TCP 服务端。


4.5 按键发送BLE广播

  • 首先在 main.c 的 app_main() 中初始化 BLE 模块，然后创建一个 monitor_task 处理事件业务。
  • 创建蓝牙广播停止的定时器 CreateKeepAdvertisingTimer()，设备上电广播5秒。
void app_main(void)
{
    ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_init());

    /*-------------------------- 外设驱初始化 ---------------------------*/
    timers_init();                                                          // 定时器驱动初始化（在此加入自定义定时器）
    ···
    BLE_Init();                                                             // 蓝牙模块初始化
    BLE_AdvertisingDataInit();
    BLE_Advertise();

    ···

    /*-------------------------- 创建线程 ---------------------------*/
    ···
    xTaskCreate(monitor_task, "monitor_task", 4096, NULL, 4, NULL);
    ···

    application_timers_start();
}

static void timers_init(void)
{
    esp_timer_init();                                                       // 使用定时器API函数，先调用接口初始化

    CreateKeepAdvertisingTimer();
    ···
}

static void application_timers_start(void)
{
    StartKeepAdvertisingTimer();
    ···
}

static void monitor_task(void *arg)
{
    while(1)                                                                // 任务都是一个无限循环，不能返回
    {
        HandleEventService();
        Delay(100);                                                         // 100ms
    }
}

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当设备连接上 TCP 服务器时，按下按键通过 socket 发送消息。

void HandleEventService(void)
{
    // 网络连接成功
    if(CONNECT_SUCCESS == GetConnectServerStatus())
    {
        // 发送呼叫
        if(KEY_CALL_EVENT == GetKeyTriggerEvent())
        {
            Buzzer_Beep(SHORT);
            Socket_Send("CALL");
            ESP_LOGI(TAG, "socket send CALL\r\n");
            SetKeyTriggerEvent(0);
            return;
        }
       ···
    }
    // 网络故障
    else
    {
        ···
    }
}

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当设备没有连接上 TCP 服务器时，按下按键通过 BLE 广播发送消息。

void HandleEventService(void)
{
    // 网络连接成功
    if(CONNECT_SUCCESS == GetConnectServerStatus())
    {
        ···
    }
    // 网络故障
    else
    {
        if(KEY_CALL_EVENT == GetKeyTriggerEvent())
        {
            Buzzer_Beep(SHORT);
            SetWarningLedStatus(CALL_WARNING);
            uint8_t data[6] = {0};
            data[0] = APP_COMPANY_IDENTIFIER_L;
            data[1] = APP_COMPANY_IDENTIFIER_H;
            data[2] = 0x11;
            data[3] = 0x22;
            data[4] = 0x33;
            data[5] = 0x44;
            BLE_SetManufacturerData(data, sizeof(data));
            BLE_Advertise();                                        // 开启广播
            StartKeepAdvertisingTimer();
            SetKeyTriggerEvent(0);
        }
    }
}

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• 由 Leung 写于 2022 年 5 月 17 日

• 参考：【IoT】BLE 蓝牙网关与蓝牙定位技术解析
　　　　【安信可PB-01/02模组专题③】ESP32-G WIFI蓝牙网关与PB02模组开发进行组网通讯

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