通过BLE实现类似UART的串行通信：NUS服务 vs GATT服务

在物联网和智能设备的发展中，蓝牙低功耗（Bluetooth Low Energy, BLE）技术已经成为无线数据传输的重要手段。本文将介绍通过BLE实现类似UART的串行通信，并对比NUS服务和GATT服务的使用场景，帮助开发者更好地选择适合的技术方案。

什么是UART？

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器）是一种用于串行通信的硬件协议，常用于将数据从一个设备传输到另一个设备，比如从电脑传输到微控制器或传感器。

什么是BLE？

BLE（Bluetooth Low Energy，蓝牙低功耗）是一种无线通信技术，用于在设备之间传输数据，特点是低功耗和短距离通信。

BLE实现类似UART的串行通信

通过BLE实现类似UART的串行通信，意思是通过无线蓝牙连接，在两个设备之间传输数据，就像通过电线连接的UART那样。这种方式可以替代传统的有线连接，使用无线方式进行数据传输。

蓝牙特征服务（GATT Services and Characteristics）

蓝牙低功耗（BLE）使用通用属性配置文件（Generic Attribute Profile，GATT）来组织和定义数据。GATT包含服务和特征，每个服务和特征都有其特定的功能。

1. 服务（Service）：
   • 服务是一个逻辑集合，包含一组相关的特征。
   • 每个服务都有一个唯一的UUID（通用唯一标识符），用来标识它。
2. 特征（Characteristic）：
   • 特征是服务的基本组成部分，表示一个数据点或属性。
   • 每个特征也有一个UUID，并且包含一个或多个值和描述符。
   • 特征可以是可读的、可写的或支持通知和指示（当特征值改变时通知或指示中央设备）。

蓝牙NUS服务（Nordic UART Service）

蓝牙NUS服务是由Nordic Semiconductor公司定义的一个自定义服务，专门用于通过BLE实现类似UART的串行通信。

1. NUS服务：
   • NUS服务是一个自定义的GATT服务，有自己的UUID，通常由Nordic定义和使用。
2. NUS特征：
   • NUS服务包含两个主要的特征：
     • RX特征：用于接收从中央设备发送到外围设备的数据。
     • TX特征：用于从外围设备向中央设备发送数据（通过通知机制）。

例子：智能家居环境监控系统

使用GATT服务特征的方式

设备设置

1. 环境监控设备：
   • 配置两个特征：
     • 温度特征：定期更新当前温度值。
     • 湿度特征：定期更新当前湿度值。
2. 手机应用：
   • 订阅这两个特征，分别接收温度和湿度数据。

数据传输过程

1. 连接建立：
   • 手机应用连接到环境监控设备。
2. 服务发现：
   • 应用程序发现设备上的温度和湿度特征。
3. 订阅特征：
   • 应用程序订阅温度特征和湿度特征。
4. 接收数据：
   • 每当环境监控设备更新温度或湿度值时，应用程序会收到通知并显示数据。

使用NUS服务的方式

设备设置

1. 环境监控设备：
   • 配置NUS（Nordic UART Service）服务，带有两个特征：
     • RX特征：用于接收手机发送的命令或数据。
     • TX特征：用于发送温度和湿度数据到手机。
2. 手机应用：
   • 订阅NUS服务的TX特征，接收环境监控设备的数据。
   • 通过RX特征发送命令或数据到环境监控设备。

数据传输过程

1. 连接建立：
   • 手机应用连接到环境监控设备。
2. 服务发现：
   • 应用程序发现设备上的NUS服务和其特征。
3. 订阅特征：
   • 应用程序订阅NUS服务的TX特征。
4. 接收和发送数据：
   • 接收数据：环境监控设备定期将温度和湿度数据通过TX特征发送到手机，应用程序接收并显示数据。
   • 发送数据：如果手机应用需要请求某些数据或发送命令（比如改变数据传输频率），可以通过RX特征发送到环境监控设备。

最好用NUS服务的场景

例子：远程设备控制与数据传输

场景描述：
你有一个复杂的远程监控和控制系统，例如无人机控制系统。无人机需要发送大量的实时传感器数据（如GPS坐标、速度、姿态信息等）到地面控制站，同时接收地面站发送的控制指令（如调整飞行路径、改变飞行高度等）。

为什么用NUS服务：

1. 双向通信需求：
   • 无人机需要同时发送数据和接收命令。NUS服务提供了统一的接口（RX和TX特征）来处理双向数据流，非常适合这种场景。
2. 数据类型多样：
   • 传感器数据种类多、更新频率高，且需要实时传输。通过NUS服务，所有数据可以打包成统一的格式进行传输，简化了数据处理逻辑。
3. 灵活性和扩展性：
   • 可以灵活地在数据包中添加新类型的数据或命令，而不需要重新定义和管理多个GATT特征。

具体操作：

1. 无人机设备（外围设备）：
   • 配置NUS服务，使用TX特征发送传感器数据，使用RX特征接收地面站命令。
2. 地面控制站（中央设备）：
   • 订阅无人机的TX特征，接收传感器数据。
   • 通过写入RX特征发送控制命令。

用GATT服务更合适的场景

例子：简单的环境传感器数据传输

场景描述：
你有一个环境监测系统，例如一个简单的温度和湿度监测器。它只需要将温度和湿度数据周期性地发送到手机应用，无需接收任何命令。

为什么用GATT服务：

1. 单向通信需求：
   • 传感器只需要发送数据到手机，无需接收命令。GATT服务的通知机制非常适合这种单向的数据传输。
2. 数据类型单一：
   • 只有两个数据点：温度和湿度，每个数据点对应一个特征，结构简单且清晰。
3. 低复杂度：
   • 管理单一或少量特征比管理NUS服务的数据打包和解析更简单，减少开发和维护的复杂度。

具体操作：

1. 环境传感器设备（外围设备）：
   • 配置两个GATT特征，一个用于温度数据，一个用于湿度数据。
2. 手机应用（中央设备）：
   • 订阅温度和湿度特征，接收传感器数据并显示。

总结

NUS服务的最佳场景：

• 复杂、需要双向通信的应用，例如无人机控制系统。
• 多种数据类型和高频更新的数据传输需求。
• 需要灵活扩展数据格式和命令的场景。

GATT服务的最佳场景：

• 简单、单向的数据传输应用，例如环境监测器。
• 数据类型单一且更新频率较低。
• 开发和维护简单的场景。

通过这些实例和对比，希望你能更清楚地理解何时选择NUS服务，何时选择GATT服务。如果你有任何疑问或需要进一步的技术说明，请随时联系我！