蓝牙通信模块详细分析
2025-07-07
模块概述
蓝牙通信模块是OpenEarable 2.0与外部设备通信的核心组件，基于Bluetooth LE Audio协议栈构建，提供音频流传输、GATT服务、设备管理等功能。该模块不仅支持高质量音频传输，还提供了丰富的传感器数据传输和设备控制接口。
文件结构
src/bluetooth/
├── bt_management/ # 蓝牙连接管理
├── bt_stream/ # 蓝牙音频流处理
├── bt_content_control/ # 内容控制
├── bt_rendering_and_capture/ # 音频渲染和捕获
├── gatt_services/ # GATT服务实现
│ ├── device_info.h/.c # 设备信息服务
│ ├── battery_service.h/.cpp # 电池服务
│ ├── sensor_service.h/.c # 传感器服务
│ ├── led_service.h/.cpp # LED控制服务
│ ├── button_service.h/.c # 按键服务
│ └── audio_config_service.h/.c # 音频配置服务
├── CMakeLists.txt # 构建配置
├── Kconfig # 配置选项
└── Kconfig.defaults # 默认配置
核心架构
1. GATT服务架构
OpenEarable 2.0实现了多个自定义GATT服务，为客户端提供完整的设备控制和数据访问接口。
服务概览
| 服务名称 | 功能描述 | 主要特征 |
|---|---|---|
| Device Info | 设备信息查询 | 制造商、型号、固件版本等 |
| Battery Service | 电池状态监控 | 电量、充电状态、健康状态 |
| Sensor Service | 传感器数据传输 | 配置、数据流、录制控制 |
| LED Service | LED状态控制 | 颜色、模式、亮度控制 |
| Button Service | 按键事件通知 | 按键状态、事件通知 |
| Audio Config | 音频参数配置 | 采样率、编解码器设置 |
2. 传感器服务详解
传感器服务是OpenEarable的核心创新服务，提供完整的传感器数据访问和控制接口。
UUID定义
// 传感器服务UUID
#define BT_UUID_SENSOR_VAL \
BT_UUID_128_ENCODE(0x34c2e3bb, 0x34aa, 0x11eb, 0xadc1, 0x0242ac120002)
// 传感器配置特征UUID
#define BT_UUID_SENSOR_CONFIG_VAL \
BT_UUID_128_ENCODE(0x34c2e3be, 0x34aa, 0x11eb, 0xadc1, 0x0242ac120002)
// 传感器数据特征UUID
#define BT_UUID_SENSOR_DATA_VAL \
BT_UUID_128_ENCODE(0x34c2e3bc, 0x34aa, 0x11eb, 0xadc1, 0x0242ac120002)
// 配置状态特征UUID
#define BT_UUID_SENSOR_CONFIG_STATUS_VAL \
BT_UUID_128_ENCODE(0x34c2e3bf, 0x34aa, 0x11eb, 0xadc1, 0x0242ac120002)
// 录制名称特征UUID
#define BT_UUID_SENSOR_RECORDING_NAME_VAL \
BT_UUID_128_ENCODE(0x34c2e3c0, 0x34aa, 0x11eb, 0xadc1, 0x0242ac120002)
服务接口
// 传感器服务初始化
int init_sensor_service();
// 传感器配置状态设置
int set_sensor_config_status(struct sensor_config config);
// 获取录制名称
const char *get_sensor_recording_name();
传感器配置协议
// 传感器配置结构
struct sensor_config {
uint8_t sensorId; // 传感器ID
uint8_t sampleRateIndex; // 采样率索引
uint8_t storageOptions; // 存储选项位图
} __attribute__((packed));
// 存储选项位图定义
#define STORAGE_SD_CARD (1 << 0) // SD卡存储
#define STORAGE_BLE_STREAM (1 << 1) // 蓝牙流传输
#define STORAGE_FLASH (1 << 2) // 内部Flash存储
3. 电池服务详解
电池服务提供完整的电源状态信息，支持标准GATT电池服务扩展。
电池状态结构
// 电池电量状态
struct battery_level_status {
uint8_t flags; // 状态标志
uint16_t power_state; // 电源状态
} __attribute__((packed));
// 电池能量状态
struct battery_energy_status {
uint8_t flags; // 状态标志
struct sfloat voltage; // 电压(V)
struct sfloat available_capacity; // 可用容量(mAh)
struct sfloat charge_rate; // 充电速率(mA)
} __attribute__((packed));
// 电池健康状态
struct battery_health_status {
uint8_t flags; // 状态标志
uint8_t battery_health_summary; // 健康状态摘要
uint16_t cycle_count; // 循环次数
int8_t current_temperature; // 当前温度(°C)
} __attribute__((packed));
服务接口
// 电池服务初始化
int init_battery_service();
// 发送电池电量数据
int bt_send_battery_level(struct battery_data *data);
4. LED服务详解
LED服务提供LED状态的完整控制接口，支持颜色、亮度、模式控制。
LED控制结构
// RGB颜色定义
typedef uint8_t RGBColor[3];
// LED模式枚举
enum led_mode {
STATE_INDICATION, // 状态指示模式
CUSTOM, // 自定义模式
};
// LED配置结构
struct led_config {
enum led_mode mode; // LED模式
RGBColor color; // RGB颜色
uint8_t brightness; // 亮度(0-255)
uint16_t pattern; // 闪烁模式
} __attribute__((packed));
5. 按键服务详解
按键服务提供按键事件的实时通知功能。
按键事件结构
// 按键状态结构
struct button_event {
uint8_t button_id; // 按键ID
uint8_t event_type; // 事件类型
uint32_t timestamp; // 时间戳
} __attribute__((packed));
// 事件类型定义
enum button_event_type {
BUTTON_PRESS, // 按键按下
BUTTON_RELEASE, // 按键释放
BUTTON_LONG_PRESS, // 长按
BUTTON_DOUBLE_CLICK, // 双击
};
LE Audio 音频流处理
音频流架构
OpenEarable基于Nordic的nRF5340 Audio应用，支持完整的LE Audio协议栈。
音频流类型
// 音频流类型
enum audio_stream_type {
STREAM_TYPE_CIS, // Connected Isochronous Stream (单播)
STREAM_TYPE_BIS, // Broadcast Isochronous Stream (广播)
};
// 音频配置参数
struct audio_config {
uint32_t sample_rate_hz; // 采样率
uint8_t channels; // 声道数
uint16_t frame_duration_us; // 帧长度
uint8_t codec_type; // 编解码器类型
uint32_t bitrate_bps; // 比特率
};
编解码器支持
// 支持的编解码器
enum audio_codec {
CODEC_LC3, // LC3 (LE Audio标准)
CODEC_SBC, // SBC (经典蓝牙)
CODEC_PCM, // 未压缩PCM
};
// LC3编解码器配置
struct lc3_config {
uint32_t sample_rate; // 采样率 (8000, 16000, 24000, 32000, 48000)
uint16_t frame_duration; // 帧长度 (7.5ms, 10ms)
uint8_t channels; // 声道数 (1, 2)
uint32_t bitrate; // 比特率 (16000-320000 bps)
};
连接管理
配对和绑定
// 配对状态管理
enum pairing_state {
SET_PAIRING, // 设置配对模式
BONDING, // 正在绑定
PAIRED, // 已配对
CONNECTED, // 已连接
};
// 连接参数
struct connection_params {
uint16_t interval_min; // 最小连接间隔
uint16_t interval_max; // 最大连接间隔
uint16_t latency; // 从设备延迟
uint16_t timeout; // 超时时间
};
安全管理
// 安全参数
struct security_params {
uint8_t auth_req; // 认证要求
uint8_t oob_flag; // OOB数据标志
uint8_t min_key_size; // 最小密钥长度
uint8_t max_key_size; // 最大密钥长度
uint8_t init_key_dist; // 初始密钥分发
uint8_t resp_key_dist; // 响应密钥分发
};
// SIRK (Set Identity Resolving Key) 管理
uint32_t uicr_sirk_get(void); // 获取SIRK
int uicr_sirk_set(uint32_t sirk); // 设置SIRK
数据传输优化
数据分包传输
// 大数据包分包传输
struct data_packet {
uint8_t packet_id; // 包ID
uint8_t total_packets; // 总包数
uint8_t sequence; // 序列号
uint16_t data_size; // 数据大小
uint8_t data[]; // 数据载荷
} __attribute__((packed));
// 分包传输控制
int send_large_data(const uint8_t *data, size_t size,
uint16_t mtu_size);
流量控制
// 流量控制参数
struct flow_control {
uint16_t window_size; // 窗口大小
uint16_t credit_count; // 信用计数
bool flow_enabled; // 流控使能
};
// 自适应流控
void adaptive_flow_control(uint16_t buffer_level) {
if (buffer_level > HIGH_THRESHOLD) {
// 缓冲区满，减少发送速率
reduce_transmission_rate();
} else if (buffer_level < LOW_THRESHOLD) {
// 缓冲区空，增加发送速率
increase_transmission_rate();
}
}
功耗优化
连接间隔优化
// 动态连接间隔调整
void optimize_connection_interval() {
if (high_data_rate_required()) {
// 高数据传输需求，使用短连接间隔
set_connection_interval(7.5); // 7.5ms
} else {
// 低功耗需求，使用长连接间隔
set_connection_interval(100); // 100ms
}
}
广告功耗管理
// 广告参数优化
struct adv_params {
uint16_t interval_min; // 最小广告间隔
uint16_t interval_max; // 最大广告间隔
uint8_t type; // 广告类型
uint8_t tx_power; // 发射功率
};
// 自适应广告
void adaptive_advertising() {
if (battery_low()) {
// 低电量时减少广告频率
set_adv_interval(1000); // 1秒
set_tx_power(-20); // 降低发射功率
} else {
// 正常电量时正常广告
set_adv_interval(100); // 100ms
set_tx_power(0); // 标准发射功率
}
}
错误处理和恢复
连接错误处理
// 连接错误类型
enum connection_error {
CONN_ERR_TIMEOUT, // 连接超时
CONN_ERR_AUTH_FAILED, // 认证失败
CONN_ERR_PARAM_INVALID, // 参数无效
CONN_ERR_RESOURCES, // 资源不足
};
// 错误恢复策略
void handle_connection_error(enum connection_error error) {
switch (error) {
case CONN_ERR_TIMEOUT:
// 超时错误，重新尝试连接
restart_connection();
break;
case CONN_ERR_AUTH_FAILED:
// 认证失败，清除配对信息
clear_bonding_info();
start_pairing_mode();
break;
case CONN_ERR_PARAM_INVALID:
// 参数错误，使用默认参数
reset_to_default_params();
break;
default:
// 通用错误，重启蓝牙栈
restart_bluetooth_stack();
break;
}
}
音频流错误处理
// 音频流错误处理
void handle_audio_stream_error(int error_code) {
if (error_code == AUDIO_UNDERRUN) {
// 音频缓冲区下溢
increase_buffer_size();
adjust_presentation_delay();
} else if (error_code == AUDIO_SYNC_LOST) {
// 音频同步丢失
reinitialize_audio_sync();
}
}
配置选项
Kconfig配置
# 蓝牙基础配置
CONFIG_BT=y
CONFIG_BT_PERIPHERAL=y
CONFIG_BT_CENTRAL=y
CONFIG_BT_GATT_CLIENT=y
# LE Audio配置
CONFIG_BT_AUDIO=y
CONFIG_BT_BAP_UNICAST_SERVER=y
CONFIG_BT_BAP_BROADCAST_SINK=y
CONFIG_LC3_CODEC=y
# GATT服务配置
CONFIG_BT_GATT_DYNAMIC_DB=y
CONFIG_BT_GATT_SERVICE_CHANGED=y
# 安全配置
CONFIG_BT_SMP=y
CONFIG_BT_PRIVACY=y
CONFIG_BT_RPA=y
# 音频配置
CONFIG_AUDIO_SAMPLE_RATE_48000=y
CONFIG_AUDIO_FRAME_DURATION_10MS=y
CONFIG_LC3_BITRATE_96000=y
服务配置
// GATT服务配置
#define MAX_SENSOR_DATA_SIZE 256
#define MAX_RECORDING_NAME_LEN 32
#define BATTERY_UPDATE_INTERVAL K_SECONDS(30)
#define SENSOR_DATA_INTERVAL K_MSEC(100)
// 连接配置
#define MIN_CONN_INTERVAL 6 // 7.5ms
#define MAX_CONN_INTERVAL 80 // 100ms
#define SLAVE_LATENCY 0
#define CONN_SUP_TIMEOUT 400 // 4s
性能监控
连接质量监控
// 连接质量统计
struct connection_stats {
uint32_t packets_sent; // 发送包数
uint32_t packets_received; // 接收包数
uint32_t packets_lost; // 丢包数
float rssi_average; // 平均RSSI
uint16_t connection_interval; // 连接间隔
uint16_t slave_latency; // 从设备延迟
};
// 质量监控
void monitor_connection_quality() {
struct connection_stats stats;
get_connection_stats(&stats);
// 计算丢包率
float packet_loss_rate = (float)stats.packets_lost /
(stats.packets_sent + stats.packets_lost);
// 信号质量评估
if (stats.rssi_average < -80 || packet_loss_rate > 0.05) {
LOG_WRN("Poor connection quality detected");
optimize_connection_params();
}
}
总结
蓝牙通信模块是OpenEarable 2.0的重要组成部分，具有以下特点：
- 完整的LE Audio支持: 基于最新的LE Audio标准，支持高质量音频传输
- 丰富的GATT服务: 提供传感器、电池、LED、按键等完整的设备控制接口
- 高效数据传输: 优化的数据分包和流量控制机制
- 智能功耗管理: 自适应的连接参数和广告策略
- 可靠的错误处理: 完善的错误检测和恢复机制
- 安全通信: 支持配对、绑定和加密通信
- 性能监控: 实时的连接质量监控和优化
该模块为OpenEarable 2.0提供了稳定可靠的无线通信能力，支持高质量音频播放、丰富的传感器数据传输和完整的设备控制功能。