蓝牙开发快速入门
本文旨在作为入门蓝牙开发的一个简单介绍
安装BlueZ和PyBluez
$ sudo apt install libglib2.0-dev libbluetooth-dev bluetooth
$ pip install pybluez
介绍蓝牙编程
概览
- 找到通信的设备
- 确认如何进行通信
- 创建一个发送的连接
- 创建一个接收的连接
- 发送数据
- 接收数据
选一个通信伙伴
每个蓝牙芯片包含唯一的48-bit地址，称为Bluetooth address和device address。可以把它看作为以太网的MAC地址，同样由IEEE注册授权。在制作的时候就写入到芯片李，作为蓝牙编成最基本的地址单元。
一个蓝牙设备需要和另外一个设备通信，必须要有某种机制获悉到其他设备的蓝牙地址。
在互联网中，通常会利用DNS技术实现一个简单域名来进行IP地址转换，在蓝牙中通常是提供一个友好的名字，例如"My Phone"，客户端通过查找附近蓝牙设备来转换为数字地址。
选择传输协议
现在客户端已经确认好要通信的设备，现在就需要确认使用什么样的传输协议了。
RFCOMM + TCP
RFCOMM类似TCP可靠性，虽然协议规范定义设为模仿 RS-232串口通信，就如类似TCP场景操作一样简单。
通常，应用程序使用TCP考虑使用点对点的连接，进行可靠的数据流传输。如果出现了固定次数失败传输，那么连接会断开并且会抛出一个错误。
RFCOMM和TCP最大的不同就是端口的选择，TCP支持最大65525端口，RFCOMM仅支持30。
L2CAP + UDP
UDP通常设计用来在对可靠性传输没有强制要求，就是为了足够轻量。L2CAP提供了类似的设计。
L2CAP，默认提供了一个面向连接，通过发送固定最大长度的单个数据包来提供可靠性。L2CAP可以定制为不同的可靠级别。为了提供该能力，L2CAP提供了传输和确认的方式，为被确认包进行重传。有三种可用的策略：
- 不重传
- 传输直到连接失败
- 丢弃包，如果数据包在特定时间（0-1279毫秒）没有确认放到队列里。这在需要设计为特定时间传输时很有用。
虽然蓝牙允许应用可以使用最大努力通信而不是可靠传输，有几点还是需要注意。
| Requirement | Internet | Bluetooth |
|---------------------- |---------- |------------------------------------------ |
| 基于流的可靠传输 | TCP | RFCOMM |
| 可靠的数据报传输 | TCP | RFCOMM or L2CAP with infinite retransmit |
| 最大努力的数据报传输 | UDP | L2CAP (0-1279 ms retransmit) |
端口号和服务发现协议
在搞清楚传输协议之后，第二个要弄清楚与远程机器通信部分就是端口号。在网络传输协议里，端口号是用来在同一个主机上来区分不同的具体应用的能力。蓝牙也不例外，但是使用了略微不同的术语。在L2CAP中，端口称为Protocol Service Mutiplexers，可以取1到32767基数端口号。在RFCOMM，有1-30通道可以使用。除了这些差别，两个协议提供类似TCP/IP多路复用功能。L2CAP，和RFCOMM不一样，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 |
在网络编程中，服务器通常会使用常用端口进行服务，客户端也使用常用端口进行连接。缺点就是不能在同一个服务器使用相同的端口应用程序，应用TCP/UDP可选择的端口非常多，所以这里也没有多大的问题。
蓝牙传输协议中，设计了较少的有效端口，我们不可以随意在设计期间选择任意端口。虽然在L2CAP中也不是什么问题，它存在15,000保留端口，RFCOMM仅有30个端口。结果就是有在7个应用程序就有可能超过50%的可能性端口冲突。蓝牙解决这个问题的方式使用Service Discovery Protocol(SDP)。
不是在设计时确定端口，蓝牙通过在运行时通过发布-订阅模型来确定端口。宿主服务器提供一个叫做SDP服务，它使用了L2CAP一些保留端口。其他服务器在运行时应用程序使用动态端口，并且注册一些它们的描述信息。客户端应用程序会从SDP服务（使用定义号的端口号）获取需要的信息。
这里的问题是客户端端如何知道哪个描述信息时它要找的呢？标准方式时通过给蓝牙赋于128-bits的数值，成为UUID(Universally Unique Identifier)，客户端和服务端使用了相同的UUID机制一边SDP服务可以找到它们。
SDP还可以用来描述哪个传输协议在使用，SDP在通信当中也不是必须的，也可以使用TCP/UDP的方式来提前定义端口，但要小心端口冲突。
蓝牙 RFC
PyBluez
PyBluez提供了蓝牙编程的能力。
选择通信伙伴
下面的代码示例，是将附近所有的设备打印出来
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))
结果：
# python bluetooth_ex1.py
found 1 devices
C0:A5:3E:88:F8:BB - 何文祥的 iPhone
我们可以看到地址使用16进制方式呈现，每个占用8位，一共48-bit。
discover_devices()大概花费10秒来检测设备列表。lookup_names是请求时获取到名称，例如这里的何文祥的 iPhone。
discover_devices()有时候会检测失败，lookup_name()有时也会返回None。
使用RFCOMM通信
在Python中蓝牙编程遵循了socket编程。这对于大部分网络程序编写过的程序员来说应该是非常熟悉，切换过来也相当简单，以下展示了如何使用RFCOMM建立连接，以及传输数据，最后进行了断开操作。
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通信中，socket提供了一个通信通道，创建时还没有连接，直到有另一端有发起连接过来，一旦连接建立，就可以进行收发数据。
PyBluez支持两种BluetoothSocket对象：RFCOMM和L2CAP。上面的例子就是RFCOMM socket，通过传递RFCOMM作为BluetootheSocket构造参数。L2CAP我们会在下节描述
我们必须使用bind方法绑定给操作系统，bind方法接受一个元组参数，提供给蓝牙适配器进行监控的地址和端口号。通常我们在设备上只有一个蓝牙适配器，第一个参数使用为空就可以了，之后我们就可以使用listen将socket置入监听模式，等待连接。
BluetoothSocket向外连接需要使用connect方法，需要传递一个元组参数，该传输是指定需要建立连接的地址和端口号。后面我们将介绍使用动态端口号以及使用SDP服务查找端口
使用L2CAP通信
接下来我们了解如何使用L2CAP作为传输协议，L2CAP通信方式和RFCOMM sockets通信方式极其相像。唯一区别就是传递给BluetoothSocket构造参数更改为L2CAP，选择一个（0x1001到0x8FFF）基数号码，默认连接配置提供了可靠的数据包大小为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发送的数据包有最大限制，两个设备端都维护了一个MTU来指定可以收到的最大包大小。如果两者调整各自的MTU，那么它们的默认672字节可以调整到65535字节。但通常，都会使用默认的MTU值进行茶unshu。在PyBluez通过设置set_l2cap_mtu方法来调整该值
bluetooth.set_l2cap_mtu( l2cap_sock, 65535 )
该方法使用也很直观，第一个参数是创建BluetoothSocket对象，第二个参数就是具体要调整的值大小了。
有时候连接不可靠，需要使用set_packet_timeout方法()
bluetooth.set_packet_timeout( bdaddr, timeout )
set_packet_timeout接收蓝牙地址，和一个毫秒参数，作为调整L2CAP和RFCOMM连接发送包的超时时间，需要有管理员权限，而且该操作是全局影响的。
服务发现协议
当前我们已经学习如何检测到附近蓝牙设备，并且进行两种传输协议的连接，均使用的是固定的蓝牙地址和端口号。在实践中我们并不推荐这么做。
动态开辟端口和使用SDP（Service Discovery Protocol）进行查找，get_available_port方法来找到有效的L2CAP和RFCOMM端口，advertise_service通过本地SDP服务器发送服务，find_service找到特定设备的蓝牙设备。
server_sock.bind(("", bluetooth.PORT_ANY))
bluetooth.PORT_ANY任意端口，后面我可以使用server_sock.getsockname()[1]来获取到实际端口号
bluetooth.advertise_service( sock, name, uuid )
bluetooth.stop_advertising( sock )
bluetooth.find_service( name = None, uuid = None, bdaddr = None )
这三个方法提供了一个在本地蓝牙设备提供了通知服务的方式.advertise_service接收一个socket用来绑定监听, service name和UUID作为参数。socket打开的话通知功能也一直打开，直到调用stop_advertising来关闭该socket。
find_service可以查找单个或者所有附近特定设备。通过匹配name和uuid进行service查找，必须至少指定其中一个。如果bdaddr是None，那么所有附近的设备都会进行查找。如果提供了localhost作为bdaddr参数，那么会对本地的SDP进行查找。否着，就会指定的bdaddr蓝牙设备进行查找。
find_service返回一个列表，每个列表是个字典类型，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()
