【树莓派3B＋测评】与CC2640R2F通信的简单示例

上一篇，树莓派和手机通过蓝牙通信，用的是经典蓝牙。这一篇中将尝试用蓝牙的另外一种模式，低功耗蓝牙BLE。主角当然是树莓派3B+，与之搭配做通信测试的，是当前一款比较流行的BLE SoC，TI的CC2640R2F（以下简称R2F）。

一、R2F上程序的简单介绍
        R2F是CC2640的升级版， 增加了FLASH空间，支持蓝牙5并向下兼容蓝牙4.x。测试时，R2F上跑的是官方提供的SDK中的simple_peripheral demo程序。在SDK中的路径为：
        simple_peripheral文件夹下的README.html是这个demo程序的介绍及演示过程。简单来讲，simple_peripheral例程提供了一个服务custom service，custom service下有五个characteristics，每个characteristics或者可读，或者可写，或者可通知，或者需要先authentication才能读取。README文档展示了手机上的BLE scanner App访问这五个characteristics的过程。这个演示基本涵盖了BLE通信中的常见操作。
        那接下来的操作，将是在树莓派上通过python编程，与R2F通信，逐一访问这五个characteristics，重复一遍README文档中的演示操作。下面是具体的介绍。

二、PYGATT
        上一篇测评中，树莓派和手机之间的经典蓝牙通信，用的是蓝牙中的RFCOMM协议。现在树莓派与R2F之间的通信，用到的是BLE中的GATT协议。Python有一个名为pygatt的模块，提供了python编程时访问GATT descriptors的API接口。
        下面是pygatt的安装方法：


        注意：pexpect也是需要手动安装的。否则下面运行代码时会报与pexpect有关的错误。

三、python编程访问R2F的代码
        先将通信代码贴在这里。


四、代码说明
        在与R2F通信之前，我们需要先获取一些通信对象R2F的参数，这些可以通过python调用pygatt的API获得。这里是在终端里输入几个指令来获取。
        首先是获取R2F的地址，需要先扫描一下：
        sudo hcitool lescan
        第五行的SimpleBLEPeripheral便是R2F了，它的地址是54:6C:0E:6D:D7:96
        接下来是获取R2F的service和characteristics信息。

        这里需要关注的是蓝框中的handle值和绿框中的uuid。最上面框住的一行，是用来获取设备名称的，最下面框住的五行，就是第一部分中提到的5个characteristics。下面编程访问，都需要对应的char value handle或者uuid（第一部分截图中的uuid是16位的，这里应该是补全成标准格式的uuid了，fff1-fff5还是很好识别的）。
        除了char value handle和uuid，前面的handle似乎就是个顺序标号，在下面的编程中没有用到这个。char properties是指明读写和通知属性的。读=0x02  写=0x08  通知=0x10。 characteristics1（uuid=0xfff1）是可读可写的，那么它的char properties=0x02|0x08=0x0a

        下面简单介绍一下程序内容。
        第12行是通过指定地址，建立与R2F的连接
        第13行是获取R2F的设备名称，char_read的参数是uuid，返回值是characteristics对应的值。
        第17行是通过handle写characteristics1，char_write_handle的第一个参数是上面图片中的char value handle，十六进制的0x1e是十进制的30，第二个参数是要写入的值。
        第19行是通过uuid读characteristics1，我尝试用char_read_handle通过char value handle去读，但总是报错，这个目前还没弄明白是怎么回事。
        第29行是使能characteristics的notification并注册回调函数，subscribe函数的第一个参数是characteristics的uuid，第二个参数是通知的回调函数句柄，第三个参数为True时为indicate，为False时为notification。回调函数的两个参数是系统收到notification传回来的，分别是对应的char value handle以及返回的数值。
        第33行是也是一个读操作，如simple_peripheral例程的介绍文档README中所描述的，要读取characteristics5 先要有认证过程。用BLE scanner读取时，会弹出配对的对话框，并提示输入配对密码（这个密码是R2F那端给出的，会实时通过串口把密码打印出来）。这里python编程读取时，也会尝试与R2F配对，但一般都是失败，这个我猜测可能是没有输入配对密码的缘故（也不会有任何提示要输入配对密码的）。
        为了绕过这个过程，我尝试先让树莓派和R2F配对上，我在图形界面里点击最上方的蓝牙图标，搜索到SimpleBLEPeripheral，点击pair，提示输入配对密码，然后正确配对上了。但是运行程序到读取characteristics5时，依然会提示配对失败。后来我尝试通过在终端中调用bluetoothctl相关的指令建立配对，中间也有曲折，但是按如下操作，也是可以实现配对的，并且此后再一次运行程序读取characteristics5时，是可以成功读取的。
        终端中运行bluetoothctl建立配对的截图如下（左侧是R2F的打印信息，右侧是树莓派终端中的操作，红框是需要输入的指令）。如果上来直接pair device，则会报错。需要先remove device，再trust device，最后pair，这样成功率较高。pair成功后会打印出R2F上的service等信息，因内容较多，这里只截了两行（图片中的最后两行）。

        最后附上python程序运行时，R2F以及python程序的打印信息截图。那两行notify,是在sleep(10)的十秒钟时间内收到的两个通知信息。其余的，与第一部分中介绍的例程中的操作基本一致。

五、总结
        这一篇里，主要是通过python的pygatt模块编程完成了与CC2640R2F的一些通信操作。另外中途还用到了gatttool和bluetoothctl这两个工具。整个流程走下来，还是学到了很多linux上与BLE相关的东西，对BLE的通信过程，以及service，characteristics，notification等概念有了初步的了解。当然对gatt的内容还只是略知皮毛。
        就python下的ble相关的模块而言，我找到的，除了pygatt，还有pygattlib和bluepy。运用另外两个模块我也实现了与R2F的读写操作，但是在处理notification遇到了问题，首先就是不知道如何使能notification，R2F的程序上默认characteristics4 的notification是关闭的，但我在这两个模块上都没有找到打开操作的API，另外回调函数的实现形式上也没有pygatt的API这么容易理解。如果大家谁在这方面有心得，也可以交流一下。
        受时间限制，蓝牙这一块就告一段落了，后续开始实现8266与树莓派的通信。

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