藍牙開發快速入門

本文旨在做爲入門藍牙開發的一個簡單介紹

安裝BlueZ和PyBluez

$ sudo apt install libglib2.0-dev libbluetooth-dev bluetooth
$ pip install pybluez

介紹藍牙編程

概覽

• 找到通訊的設備
• 確認如何進行通訊
• 建立一個發送的鏈接
• 建立一個接收的鏈接
• 發送數據
• 接收數據

選一個通訊夥伴

每一個藍牙芯片包含惟一的48-bit地址，稱爲Bluetooth address和device address。能夠把它看做爲以太網的MAC地址，一樣由IEEE註冊受權。在製做的時候就寫入到芯片李，做爲藍牙編成最基本的地址單元。

一個藍牙設備須要和另一個設備通訊，必需要有某種機制獲悉到其餘設備的藍牙地址。

在互聯網中，一般會利用DNS技術實現一個簡單域名來進行IP地址轉換，在藍牙中一般是提供一個友好的名字，例如"My Phone"，客戶端經過查找附近藍牙設備來轉換爲數字地址。

選擇傳輸協議

如今客戶端已經確認好要通訊的設備，如今就須要確認使用什麼樣的傳輸協議了。

RFCOMM + TCP

RFCOMM相似TCP可靠性，雖然協議規範定義設爲模仿 RS-232串口通訊，就如相似TCP場景操做同樣簡單。

一般，應用程序使用TCP考慮使用點對點的鏈接，進行可靠的數據流傳輸。若是出現了固定次數失敗傳輸，那麼鏈接會斷開而且會拋出一個錯誤。

RFCOMM和TCP最大的不一樣就是端口的選擇，TCP支持最大65525端口，RFCOMM僅支持30。

L2CAP + UDP

UDP一般設計用來在對可靠性傳輸沒有強制要求，就是爲了足夠輕量。L2CAP提供了相似的設計。

L2CAP，默認提供了一個面向鏈接，經過發送固定最大長度的單個數據包來提供可靠性。L2CAP能夠定製爲不一樣的可靠級別。爲了提供該能力，L2CAP提供了傳輸和確認的方式，爲被確認包進行重傳。有三種可用的策略：

• 不重傳
• 傳輸直到鏈接失敗
• 丟棄包，若是數據包在特定時間（0-1279毫秒）沒有確認放到隊列裏。這在須要設計爲特定時間傳輸時頗有用。

雖然藍牙容許應用可使用最大努力通訊而不是可靠傳輸，有幾點仍是須要注意。

| Requirement           | Internet  | Bluetooth                                 |
|---------------------- |---------- |------------------------------------------ |
| 基於流的可靠傳輸      | TCP       | RFCOMM                                    |
| 可靠的數據報傳輸      | TCP       | RFCOMM or L2CAP with infinite retransmit  |
| 最大努力的數據報傳輸    | UDP       | L2CAP (0-1279 ms retransmit)              |

端口號和服務發現協議

在搞清楚傳輸協議以後，第二個要弄清楚與遠程機器通訊部分就是端口號。在網絡傳輸協議裏，端口號是用來在同一個主機上來區分不一樣的具體應用的能力。藍牙也不例外，可是使用了略微不一樣的術語。在L2CAP中，端口稱爲Protocol Service Mutiplexers，能夠取1到32767基數端口號。在RFCOMM，有1-30通道可使用。除了這些差異，兩個協議提供相似TCP/IP多路複用功能。L2CAP，和RFCOMM不同，存在(1-1023)保留端口。

| protocol  | terminology   | reserved/well-known ports     | dynamically assigned ports    |
|---------- |-------------  |---------------------------    |----------------------------   |
| TCP       | port          | 1-1024                        | 1025-65535                    |
| UDP       | port          | 1-1024                        | 1025-65535                    |
| RFCOMM    | channel       | none                          | 1-30                          |
| L2CAP     | port          | odd numbered 1-4095           | odd numbered 4097 - 32765     |

在網絡編程中，服務器一般會使用經常使用端口進行服務，客戶端也使用經常使用端口進行鏈接。缺點就是不能在同一個服務器使用相同的端口應用程序，應用TCP/UDP可選擇的端口很是多，因此這裏也沒有多大的問題。

藍牙傳輸協議中，設計了較少的有效端口，咱們不能夠隨意在設計期間選擇任意端口。雖然在L2CAP中也不是什麼問題，它存在15,000保留端口，RFCOMM僅有30個端口。結果就是有在7個應用程序就有可能超過50%的可能性端口衝突。藍牙解決這個問題的方式使用Service Discovery Protocol(SDP)。

不是在設計時肯定端口，藍牙經過在運行時經過發佈-訂閱模型來肯定端口。宿主服務器提供一個叫作SDP服務，它使用了L2CAP一些保留端口。其餘服務器在運行時應用程序使用動態端口，而且註冊一些它們的描述信息。客戶端應用程序會從SDP服務（使用定義號的端口號）獲取須要的信息。

這裏的問題是客戶端端如何知道哪一個描述信息時它要找的呢？標準方式時經過給藍牙賦於128-bits的數值，成爲UUID(Universally Unique Identifier)，客戶端和服務端使用了相同的UUID機制一邊SDP服務能夠找到它們。

SDP還能夠用來描述哪一個傳輸協議在使用，SDP在通訊當中也不是必須的，也可使用TCP/UDP的方式來提早定義端口，但要當心端口衝突。

藍牙 RFC

www.bluetooth.org/spec

PyBluez

PyBluez提供了藍牙編程的能力。

選擇通訊夥伴

下面的代碼示例，是將附近全部的設備打印出來

import bluetooth

nearby_devices = bluetooth.discover_devices(lookup_names=True)
print("found %d devices" % len(nearby_devices))

for addr, name in nearby_devices:
    print("  %s - %s" % (addr, name))

結果：

# python bluetooth_ex1.py 
found 1 devices
C0:A5:3E:88:F8:BB - 何文祥的 iPhone

咱們能夠看到地址使用16進制方式呈現，每一個佔用8位，一共48-bit。

discover_devices()大概花費10秒來檢測設備列表。lookup_names是請求時獲取到名稱，例如這裏的何文祥的 iPhone。
discover_devices()有時候會檢測失敗，lookup_name()有時也會返回None。

使用RFCOMM通訊

在Python中藍牙編程遵循了socket編程。這對於大部分網絡程序編寫過的程序員來講應該是很是熟悉，切換過來也至關簡單，如下展現瞭如何使用RFCOMM創建鏈接，以及傳輸數據，最後進行了斷開操做。

rfcomm_server.py

import bluetooth

server_sock=bluetooth.BluetoothSocket( bluetooth.RFCOMM )

port = 1
server_sock.bind(("",port))
server_sock.listen(1)

client_sock,address = server_sock.accept()
print "Accepted connection from ",address

data = client_sock.recv(1024)
print "received [%s]" % data

client_sock.close()
server_sock.close()

rfcomm_client.py

import bluetooth

bd_addr = "01:23:45:67:89:AB"

port = 1

sock=bluetooth.BluetoothSocket( bluetooth.RFCOMM )
sock.connect((bd_addr, port))

sock.send("hello!!")

sock.close()

在socket通訊中，socket提供了一個通訊通道，建立時尚未鏈接，直到有另外一端有發起鏈接過來，一旦鏈接創建，就能夠進行收發數據。

PyBluez支持兩種BluetoothSocket對象：RFCOMM和L2CAP。上面的例子就是RFCOMM socket，經過傳遞RFCOMM做爲BluetootheSocket構造參數。L2CAP咱們會在下節描述

咱們必須使用bind方法綁定給操做系統，bind方法接受一個元組參數，提供給藍牙適配器進行監控的地址和端口號。一般咱們在設備上只有一個藍牙適配器，第一個參數使用爲空就能夠了，以後咱們就可使用listen將socket置入監聽模式，等待鏈接。

BluetoothSocket向外鏈接須要使用connect方法，須要傳遞一個元組參數，該傳輸是指定須要創建鏈接的地址和端口號。後面咱們將介紹使用動態端口號以及使用SDP服務查找端口

使用L2CAP通訊

接下來咱們瞭解如何使用L2CAP做爲傳輸協議，L2CAP通訊方式和RFCOMM sockets通訊方式極其相像。惟一區別就是傳遞給BluetoothSocket構造參數更改成L2CAP，選擇一個（0x1001到0x8FFF）基數號碼，默認鏈接配置提供了可靠的數據包大小爲672bytes。

l2cap-server.py

import bluetooth

server_sock = bluetooth.BluetoothSocket(bluetooth.L2CAP)

port = 0x1001
server_sock.bind(("", port))
server_sock.listen(1)

client_sock, address = server_sock.accept()
print("Accepted connection from", address)

data = client_sock.recv(1024)
print("Received [{:r}]".format(data))

client_sock.close()
server_sock.close()

l2cap-client.py

import bluetooth

sock = bluetooth.BluetoothSocket(bluetooth.L2CAP)

bd_addr = "9C:B6:D0:E8:F9:D4"
port = 0x1001

sock.connect((bd_addr, port))
sock.send(b"hello!")
sock.close()

L2CAP發送的數據包有最大限制，兩個設備端都維護了一個MTU來指定能夠收到的最大包大小。若是二者調整各自的MTU，那麼它們的默認672字節能夠調整到65535字節。但一般，都會使用默認的MTU值進行茶unshu。在PyBluez經過設置set_l2cap_mtu方法來調整該值

bluetooth.set_l2cap_mtu( l2cap_sock, 65535 )

該方法使用也很直觀，第一個參數是建立BluetoothSocket對象，第二個參數就是具體要調整的值大小了。

有時候鏈接不可靠，須要使用set_packet_timeout方法()

bluetooth.set_packet_timeout( bdaddr, timeout )

set_packet_timeout接收藍牙地址，和一個毫秒參數，做爲調整L2CAP和RFCOMM鏈接發送包的超時時間，須要有管理員權限，並且該操做是全局影響的。

服務發現協議

當前咱們已經學習如何檢測到附近藍牙設備，而且進行兩種傳輸協議的鏈接，均使用的是固定的藍牙地址和端口號。在實踐中咱們並不推薦這麼作。

動態開闢端口和使用SDP（Service Discovery Protocol）進行查找，get_available_port方法來找到有效的L2CAP和RFCOMM端口，advertise_service經過本地SDP服務器發送服務，find_service找到特定設備的藍牙設備。

server_sock.bind(("", bluetooth.PORT_ANY))

bluetooth.PORT_ANY任意端口，後面我可使用server_sock.getsockname()[1]來獲取到實際端口號

bluetooth.advertise_service( sock, name, uuid )
bluetooth.stop_advertising( sock )
bluetooth.find_service( name = None, uuid = None, bdaddr = None )

這三個方法提供了一個在本地藍牙設備提供了通知服務的方式.advertise_service接收一個socket用來綁定監聽, service name和UUID做爲參數。socket打開的話通知功能也一直打開，直到調用stop_advertising來關閉該socket。

find_service能夠查找單個或者全部附近特定設備。經過匹配name和uuid進行service查找，必須至少指定其中一個。若是bdaddr是None，那麼全部附近的設備都會進行查找。若是提供了localhost做爲bdaddr參數，那麼會對本地的SDP進行查找。否着，就會指定的bdaddr藍牙設備進行查找。

find_service返回一個列表，每一個列表是個字典類型，包含了host, name, protocol, port。

rfcomm-server-sdp.py

import bluetooth

server_sock = bluetooth.BluetoothSocket(bluetooth.RFCOMM)

server_sock.bind(("", bluetooth.PORT_ANY))
server_sock.listen(1)

port = server_sock.getsockname()[1]
print("listening on port {:d}".format(port))

uuid = "1e0ca4ea-299d-4335-93eb-27fcfe7fa848"
bluetooth.advertise_service(server_sock, "FooBar Service", uuid)

client_sock, address = server_sock.accept()
print("Accepted connection from ", address)

data = client_sock.recv(1024)
print("received [{:r}]".format(data))

client_sock.close()
server_sock.close()

rfcomm-client-sdp.py

import sys
import bluetooth

uuid = "1e0ca4ea-299d-4335-93eb-27fcfe7fa848"
service_matches = bluetooth.find_service(uuid=uuid)

if len(service_matches) == 0:
    print("couldn't find the FooBar service")
    sys.exit(0)

first_match = service_matches[0]
port = first_match["port"]
name = first_match["name"]
host = first_match["host"]

print("connecting to {} on {}".format(name, host))

sock=bluetooth.BluetoothSocket( bluetooth.RFCOMM )
sock.connect((host, port))
sock.send(b"hello!!")
sock.close()