《物联网开发实战》18 场景联动：智能电灯如何感知光线？（上）（学习笔记）

仅作为本人学习《物联网开发实战》的学习笔记，原课程链接：极客时间《物联网开发实战》——郭朝斌

第一步：通信技术

郭老师建议选择 BLE 低功耗蓝牙技术作为光照传感器设备的通信手段。因为传感器的部署位置比较灵活，所以不能直接用电源线，而是需要用到无线通信技术，又因为 BLE 的功耗比 Wi-Fi 低，所以我们选择 BLE 通信技术。

BLE 设备可以在 4 种模式下工作：

1. 广播模式（Boradcaster），单纯的广播模式。这种模式下设备不可以被连接，只能够以一定的时间间隔把数据广播出来，工其他设备使用，比如手机扫描处理。
2. 从机模式（Peripheral），这种模式下设备仍然可以广播数据，同时也可以被连接。建立连接后，双方可以进行双向通信。
3. 主机模式（Central），这种模式下设备不能进行广播，但是可以扫描周围的蓝牙广播包，发现其他设备，然后主动对这些设备进行发起连接。
4. 观察者模式（Observer），这种模式下设备像主机模式一样，也不进行广播，而是扫描周围的蓝牙广播包，但不同的地方是，它不会与从机建立连接。一般收集蓝牙设备广播包的网关就是在这种模式下工作的。

本讲中，光照传感器只需要提供光照强度数据就行了，所以我们可以让它工作在广播模式下。

第二步：选择开发板

开发板依然是 NodeMCU，需要使用基于 ESP32 芯片的 NodeMCU 开发板，它同时支持 Wi-Fi 和低功耗蓝牙通信技术，还有很多 ADC 接口。

第三步：准备 MicroPython 环境

环境搭建可以参考 《物联网开发实战》16 实战准备：如何搭建硬件开发环境？（学习笔记）

第四步：搭建光照传感器硬件电路

下面是郭老师的连线图：

郭老师选择的是基于 PT550 环保型光敏二极管的光照传感器元器件，它的灵敏度更高，测量范围是 0Lux~6000Lux。

这个元器件通过信号管脚输出模拟量，我们读取 NodeMCU ESP32 的 ADC 模数转换器的数值（ADC7，GPIO35），就可以得到光照的强度。这个数值越大，说明光照强度越大。

ADC 支持的最大精度为 12 bit，对应十进制为 0~4095，我们需要将电压值与 ADC 值做一个线性转换，可以参考下面的代码（摘自原文）

from machine import ADC
from machine import Pin

class LightSensor():
	def __init__(self, pin):
		self.light = ADC(Pin(pin))
	
	def value(self):
		value = self.light.read()
		print("Light ADC value:", value)
		return int(value/4096*6000)

第五步：编写蓝牙程序

NodeMCU ESP32 的固件已经集成了 BLE 功能，但我们还需要给广播包数据定义一定的格式，让其他设备可以顺利地解析使用扫描到的数据。

如何定义蓝牙广播包的格式呢？郭老师推荐了小米定制的 MiBeacon 蓝牙协议。

为了方便用户在使用米家APP 和蓝牙网关时，能快速发现并与BLE 设备建立连接，小米IoT 平台在BLE 设备的广播中（基于 BLE 协议4.0），添加了小米服务数据(ServiceData UUID 0xFE95，即Mibeacon)，使BLE 设备在广播数据时能够标识设备自己的身份和类型，能够及时被用户或蓝牙网关识别和连接；此外，为了更好地提高BLE 设备智能化的能力，BLE MiBeacon 协议还支持开发者根据实际的使用需要，选择添加Object 字段，通过网关向小米IoT 平台上报BLE 设备的事件信息和状态信息（属性），实现设备状态远程上报和智能联动等功能。

https://iot.mi.com/

MiBeacon 蓝牙协议的广播包格式是基于 BLE 的 GAP（Generic Access Profile）制定的。GAP 控制了蓝牙的广播和连接，也就是控制了设备如何被发现，以及如何交互。

具体来说，GAP 定义了两种方式来让设备广播数据：
一个是广播数据（Advertising Data payload），这个是必须的，数据长度是 31 个字节；
另一个是扫描回复数据（Scan Response payload），它基于蓝牙主机设备（比如手机）发出的扫描请求（Scan Request）来回复一些额外的信息。数据长度和广播数据一样。
（注意，蓝牙 5.0 中有扩展的广播数据，数据长度等特性与此不同，但这里不涉及，所以不再介绍。）

所以，只要含有以下指定信息的广播报文，就可以认为是符合 MiBeacon 蓝牙协议的。

1 . Advertising Data 中 Service Data（0x16）含有 Mi Service UUID 的广播包，UUID 是 0xFE95。
2 . Scan Response 中 Manufacturer Specific Data（0xFF）含有小米公司识别码的广播包，识别码 ID 是 0x038F。

其中，无论是在 Advertising Data 中，还是 Scan Response 中，均采用统一格式定义。据图的广播报文格式定义，可以参考下面的表格。

——原文

名称	长度（byte）	是否必须	描述
Frame Control	2	必须	控制位
Product ID	2	必须	产品 ID，需要在小米 IoT 开发平台申请
Frame Counter	1	必须	序号，用于去重
MAC Address	6	基于 Frame Control	设备 Mac 地址
Capability	1	基于 Frame Control	设备能力
I/O capability	2	基于 Capacity	I/O 能力，目前只有高安全级 BLE 接入才会用到此字段
Object	n（根据实际需求）	基于 Frame Control	触发事件或广播属性
Random Number	3	基于 Frame Control	如果加密则为必选字段，与 Frame Counter 合并成为 4 字节 Counter，用于防重放
Message Integrity Check	4	基于 Frame Control	如果加密则为必选字段，MIC 四字节

由于我们要给光照传感器增加广播光照强度数据的能力，所以需要重点关注 Object 的定义。

根据 MiBeacon 的定义，光照传感器的 Object ID 是 0x1007，数据长度 3 个字节，数值范围是 0~120000。

下面是郭老师提供的参考代码【略做了修改，不然无法在我的板子上运行】：

#file: ble_lightsensor.py
import bluetooth
import struct
import time
from ble_advertising import advertising_payload

from micropython import const

_IRQ_CENTRAL_CONNECT = const(1)
_IRQ_CENTRAL_DISCONNECT = const(2)
_IRQ_GATTS_INDICATE_DONE = const(20)

_FLAG_READ = const(0x0002)
_FLAG_NOTIFY = const(0x0010)

_ADV_SERVICE_DATA_UUID = 0xFE95
_SERVICE_UUID_ENV_SENSE = 0x181A
_CHAR_UUID_AMBIENT_LIGHT = 'FEC66B35-937E-4938-9F8D-6E44BBD533EE'

# Service environmental sensing
_ENV_SENSE_UUID = bluetooth.UUID(_SERVICE_UUID_ENV_SENSE)
# Characteristic ambient light density
_AMBIENT_LIGHT_CHAR = (
    bluetooth.UUID(_CHAR_UUID_AMBIENT_LIGHT),
    _FLAG_READ | _FLAG_NOTIFY ,
)
_ENV_SENSE_SERVICE = (
    _ENV_SENSE_UUID,
    (_AMBIENT_LIGHT_CHAR,),
)

# https://specificationrefs.bluetooth.com/assigned-values/Appearance%20Values.pdf
_ADV_APPEARANCE_GENERIC_AMBIENT_LIGHT = const(1344)

class BLELightSensor:
    def __init__(self, ble, name='Nodemcu'):
        self._ble = ble
        self._ble.active(True)
        self._ble.irq(self._irq)
        ((self._handle,),) = self._ble.gatts_register_services((_ENV_SENSE_SERVICE,))
        self._connections = set()
        time.sleep_ms(500)
        self._payload = advertising_payload(
            name=name, services=[_ENV_SENSE_UUID], appearance=_ADV_APPEARANCE_GENERIC_AMBIENT_LIGHT
        )
        self._sd_adv = None
        self._advertise()

    def _irq(self, event, data):
        # Track connections so we can send notifications.
        if event == _IRQ_CENTRAL_CONNECT:
            conn_handle, _, _ = data
            self._connections.add(conn_handle)
        elif event == _IRQ_CENTRAL_DISCONNECT:
            conn_handle, _, _ = data
            self._connections.remove(conn_handle)
            # Start advertising again to allow a new connection.
            self._advertise()
        elif event == _IRQ_GATTS_INDICATE_DONE:
            conn_handle, value_handle, status = data

    def set_light(self, light_den, notify=False):
        self._ble.gatts_write(self._handle, struct.pack("!h", int(light_den)))
        self._sd_adv = self.build_mi_sdadv(light_den)
        self._advertise()
        if notify:
            for conn_handle in self._connections:
                if notify:
                    # Notify connected centrals.
                    self._ble.gatts_notify(conn_handle, self._handle)

    def build_mi_sdadv(self, density):
        
        uuid = 0xFE95
        fc = 0x0010
        pid = 0x0002
        fcnt = 0x01
        mac = self._ble.config('mac')
        objid = 0x1007
        objlen = 0x03
        objval = density

        service_data = struct.pack("<3HB",uuid,fc,pid,fcnt)+mac[1]+struct.pack("<H2BH",objid,objlen,0,objval)

        print("Service Data:",service_data)
        
        return advertising_payload(service_data=service_data)
        
    def _advertise(self, interval_us=500000):
        self._ble.gap_advertise(interval_us, adv_data=self._payload)
        time.sleep_ms(100)

        print("sd_adv",self._sd_adv)
        if self._sd_adv is not None:
            print("sdddd_adv",self._sd_adv)
            self._ble.gap_advertise(interval_us, adv_data=self._sd_adv)

# File: main.py
from ble_lightsensor import BLELightSensor
from lightsensor import LightSensor
import time
import bluetooth

def main():
    ble = bluetooth.BLE()
    ble.active(True)
    ble_light = BLELightSensor(ble)

    light = LightSensor(35)
    light_density = light.value()
    i = 0

    while True:
        # Write every second, notify every 10 seconds.
        i = (i + 1) % 10
        ble_light.set_light(light_density, notify=i == 0)
        print("Light Lux:", light_density)

        light_density = light.value()
        time.sleep_ms(1000)

if __name__ == "__main__":
    main()

除了上文提到的 3 个 Python 脚本，还需要一个 ble_advertising.py，可以到 MicroPython 官方的 Bluetooth 例子中获取，地址：https://github.com/micropython/micropython/tree/master/examples/bluetooth

广播 service data 这一功能我调了很久都没成功，最后发现。。。。：

下面是我使用 ble_advertising.py 脚本文件：

# Helpers for generating BLE advertising payloads.

from micropython import const
import struct
import bluetooth

# Advertising payloads are repeated packets of the following form:
# 1 byte data length (N + 1)
# 1 byte type (see constants below)
# N bytes type-specific data

_ADV_TYPE_FLAGS = const(0x01)
_ADV_TYPE_NAME = const(0x09)
_ADV_TYPE_UUID16_COMPLETE = const(0x3)
_ADV_TYPE_UUID32_COMPLETE = const(0x5)
_ADV_TYPE_UUID128_COMPLETE = const(0x7)
_ADV_TYPE_UUID16_MORE = const(0x2)
_ADV_TYPE_UUID32_MORE = const(0x4)
_ADV_TYPE_UUID128_MORE = const(0x6)
_ADV_TYPE_APPEARANCE = const(0x19)
_ADV_TYPE_SERVICE_DATA = const(0x16)


# Generate a payload to be passed to gap_advertise(adv_data=...).
def advertising_payload(limited_disc=False, br_edr=False, name=None, services=None, appearance=0, service_data = None):
    payload = bytearray()

    def _append(adv_type, value):
        nonlocal payload
        payload += struct.pack("BB", len(value) + 1, adv_type) + value

    _append(
        _ADV_TYPE_FLAGS,
        struct.pack("B", (0x01 if limited_disc else 0x02) + (0x18 if br_edr else 0x04)),
    )

    if name:
        _append(_ADV_TYPE_NAME, name)

    if services:
        for uuid in services:
            b = bytes(uuid)
            if len(b) == 2:
                _append(_ADV_TYPE_UUID16_COMPLETE, b)
            elif len(b) == 4:
                _append(_ADV_TYPE_UUID32_COMPLETE, b)
            elif len(b) == 16:
                _append(_ADV_TYPE_UUID128_COMPLETE, b)

    # See org.bluetooth.characteristic.gap.appearance.xml
    if appearance:
        _append(_ADV_TYPE_APPEARANCE, struct.pack("<h", appearance))

    if service_data:
        _append(_ADV_TYPE_SERVICE_DATA, service_data)

    return payload


def decode_field(payload, adv_type):
    i = 0
    result = []
    while i + 1 < len(payload):
        if payload[i + 1] == adv_type:
            result.append(payload[i + 2 : i + payload[i] + 1])
        i += 1 + payload[i]
    return result


def decode_name(payload):
    n = decode_field(payload, _ADV_TYPE_NAME)
    return str(n[0], "utf-8") if n else ""


def decode_services(payload):
    services = []
    for u in decode_field(payload, _ADV_TYPE_UUID16_COMPLETE):
        services.append(bluetooth.UUID(struct.unpack("<h", u)[0]))
    for u in decode_field(payload, _ADV_TYPE_UUID32_COMPLETE):
        services.append(bluetooth.UUID(struct.unpack("<d", u)[0]))
    for u in decode_field(payload, _ADV_TYPE_UUID128_COMPLETE):
        services.append(bluetooth.UUID(u))
    return services


def demo():
    payload = advertising_payload(
        name="micropython",
        services=[bluetooth.UUID(0x181A), bluetooth.UUID("6E400001-B5A3-F393-E0A9-E50E24DCCA9E")],
    )
    print(payload)
    print(decode_name(payload))
    print(decode_services(payload))


if __name__ == "__main__":
    demo()

第六步：验证光照传感器

接下来我们需要验证设备有没有正常工作，首先使用串口终端查看程序运行情况，终端上打印了设备发送的 Service Data，以及光照强度和光照传感器 ADC 值：

接下来用手机下载一个蓝牙调试 APP，原文推荐了 3 款（LightBlue、nRFConnect、BLEScanner），也可以随便下一个其他类似的软件。

设备的蓝牙名称为 “Nodemcu”，这是在 BLELightSensor 类的 __init__() 函数中设定的，

查看蓝牙的广播包，感觉有点问题。。。（难道是调试助手的问题？）