ESP32 BLE

项目介绍

MicroPython for ESP32 开发板低功耗蓝牙（BLE）研究学习项目

名词解释

写的比较乱，所以需要规范以下名词解释

• BLE：低功耗蓝牙设备（Bluetooth Low Energy、Bluetooth LE）
• Peripheral、BLE 设备、外围设备、设备：代表 ESP32 开发板
• Central、中心设备：代表手机、电脑等可以连接蓝牙外设的设备

制定目标

使用 BLE 实现蓝牙键盘控制器功能，也就是自制蓝牙（小）键盘（HID）

要自制（小）蓝牙键盘，需要完成下列功能：

• 开发板实现 HID 功能，即作为外围设备，可以被中心设备扫描连接
• 制作（小）键盘硬件，编写键盘驱动，实现通过开发板向中心设备输入内容
• 硬件还包括灯光效果，用一个按键进行灯效切换：
  • 全灭（默认）
  • 全亮
  • 全部呼吸闪烁
  • 按键点击闪烁
• 设计字符映射表统一规范，方便对应按键和输入内容

进度情况

• 视频演示
• 已完成开发板作为外围设备的功能，可以被手机扫描连接并简单输入一些字母和数字
• 已完成（小）键盘硬件电路设计，等待合适时机打板制作，目前有 2 种方案
• 打了若干次板子但是验证功能均失败了，目前硬件已经更新到v0.2.5，准备打板继续验证
• 目前v0.2.6按键部分硬件已经验证成功，终于可以继续后续开发了。。。

已知问题

• BLE 设备在第一次绑定连接成功后，处于连接状态时，复位设备，或者关闭再打开中心设备的蓝牙功能后，设备会处于已连接状态，但是中心设备没有任何反应，既不会连接成功也不会连接失败，此处怀疑是因为缺少连接超时设置，但是当前版本的设备固件并不支持设置超时

• 在 Windows 10 系统上可以搜索到 BLE 设备并进行连接，但是很快会出现驱动程序错误的提示，暂时无解

• 导致以上已知问题的原因为，MicroPython ubluetooth不支持设备间的配对和绑定操作，这个问题只能等

• 自己尝试给固件增加配对功能，目前在iOS上测试成功了

分支项目

在等待打板的这段时间里又继续研究了 BLE 的其它玩法，总结一下：

• MicroPython Beacon Library：这个库适用于实现包括谷歌的Eddystone和苹果的iBeacon在内的 2 种信标，还包括了不是很精确的信标测距功能

• ESP32 BLE - Remote Controller：这个项目用于制作蓝牙自拍按钮，可惜目前还不支持苹果的设备

• ESP32 BLE - MI Temperature Humidity 2 Reader：这个就有点无聊了，用于读取小米温湿度计2的温湿度数据

• MicroPython BLE Library：根据之前研究学习到的 Micropython BLE 相关知识，将相关代码模块封装成为类库，方便以后使用

• ESP32 BLE - 机械小键盘：重点项目，制作机械轴小键盘

• ESP32 BLE - UART：使用UART与其它设备交换数据

BLE 知识

非业内人士，以下内容纯属个人理解，如有偏差欢迎斧正

• BLE 设备遵循 HOGP 规范（HID over GATT Profile）

• Profile包扩很多Services

• Services包扩很多Characteristics

• Characteristics包扩很多Descriptors

  例如蓝牙键盘就是一个Profile，它包括了至少（必要的）3 个Services：

  • Battery Service
  • Device Information
  • Human Interface Device

  Battery Service又包括了 1 个Characteristics：

  • Battery Level

  Battery Level还可以包括 1 个Descriptors：

  • Client Characteristic Configuration

软件部分

首先参考HOGP 规范，配置好所有的Services、Characteristics和Descriptors

BLE 设备作为外围设备（GATT Server），本地注册所有Services，生成payload，等待中心设备（GATT Client）连接

然后作为广播者将payload进行广播，包括：

• 本地名称（显示名称）
• 所有的Services
• 外观（显示名称旁边的图标）

中心设备扫描到广播后进行内容分析、展示，用户点击展示内容后开始和外围设备进行绑定连接，并读取保存在 BLE 设备本地的Characteristics和Descriptors信息，最终完成连接，等待接收数据

此过程中我们只负责外围设备（GATT Server）的开发

硬件部分（按键）

已完成电路设计的（小）键盘 2 种方案，分别是：

• ADC 采样方案
• 键盘矩阵方案

ADC 采样方案

ADC 采样方案使用的是同型号电阻串联的方式，如图：

优点：

• 占用 IO 口少，一个 IO 口至少可以采集 10 个按键输入（未验证）
• 电阻型号一致，方便管理购买

缺点：

• 电阻串联方案导致只有 1 个按键的优先级别最高，也就是同时只能检测到 1 个按键按下

这种方案能想到的用途有 2 个：

• 作为小键盘使用，因为小键盘不需要多个按键同时按下
• 使用 2 路 ADC，其中一路作为控制键（Ctrl、Alt、Shift等），配合另外一路进行简单输入

键盘矩阵方案

键盘矩阵方案是常规键盘方案，连接方式如图：

优点：

• 可以做到全键无冲
• 电路简单，几乎只用到按键

缺点：

• 占用 IO 口较多，row * column个按键需要row + column个 IO，例如4 * 5的 20 键键盘需要 9 个 IO

硬件部分（灯效）

灯效也将使用矩阵方案（待验证）并使用按键切换 4 种不同灯效

相关链接

• Walkline Hardware：今后所有的开源硬件的生产文件和BOM 表都会放在这个项目中，包括本项目用到的 3 种方案

• ESP32 自定义固件下载

参考资料

• MicroPython 官方文档

• MicroPython 项目示例

• Bluetooth GATT

  • Services

    • Human Interface Device

    • Battery Service

    • Device Information

  • Characteristics

  • Descriptors

  • Generic Attributes

    • HID over GATT Profile.pdf：HOGP 规范

  • Appearance：蓝牙设备外观对应表

• USB HID Usage Table：键盘按键键值对应表

• HID Descriptor Tool：用于生成Report Map Data

好文推荐

• 广播包解析（作者：强光手电）
• 扫描请求和扫描响应（作者：强光手电）

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