آموزش BLE، پکت‌ها و پروتکل با مثال ESP32

BLE چیست و چرا برای ESP32 مهم است؟

BLE یا Bluetooth Low Energy نسخه کم‌مصرف بلوتوث است که برای تبادل داده‌های کوتاه، سنسورها، تجهیزات پوشیدنی، تنظیمات محلی دستگاه و کنترل نزدیک طراحی شده است. در ESP32، BLE معمولا زمانی انتخاب خوبی است که بخواهیم بدون Wi-Fi و بدون مصرف زیاد انرژی، موبایل را به برد متصل کنیم.

برخلاف بلوتوث کلاسیک که برای صدا و جریان داده پیوسته مناسب‌تر است، BLE ارتباط را به رویدادهای کوتاه و قابل کنترل تقسیم می‌کند. همین ویژگی باعث می‌شود برای ارسال وضعیت سنسور، فرمان روشن و خاموش، تغییر تنظیمات، یا خواندن مقدارهای دوره‌ای عالی باشد.

نقش‌های اصلی در BLE

• Peripheral: دستگاهی مثل ESP32 که سرویس ارائه می‌دهد و معمولا advertising می‌کند.
• Central: دستگاهی مثل موبایل که اسکن می‌کند، peripheral را پیدا می‌کند و اتصال را شروع می‌کند.
• GATT Server: طرفی که داده را در قالب سرویس و characteristic ارائه می‌دهد.
• GATT Client: طرفی که مقدار characteristicها را می‌خواند، می‌نویسد یا notification دریافت می‌کند.

Advertising و پکت‌های تبلیغاتی

قبل از اتصال، peripheral بسته‌های advertising ارسال می‌کند تا central بتواند آن را پیدا کند. این بسته‌ها کوچک هستند و معمولا شامل نام دستگاه، UUID سرویس، manufacturer data یا چند flag ساده می‌شوند.

GATT، سرویس و Characteristic

بعد از اتصال، بیشتر کار ما با GATT انجام می‌شود. یک سرویس مجموعه‌ای از characteristicهاست. هر characteristic یک مقدار دارد و می‌تواند قابلیت read، write، notify یا indicate داشته باشد.

برای مثال اگر ESP32 یک سنسور دما باشد، می‌توان یک سرویس اختصاصی ساخت و داخل آن characteristic مقدار دما را قرار داد. موبایل آن characteristic را می‌خواند یا برای notification مشترک می‌شود.

مثال ESP32: ساخت BLE Server ساده

نمونه زیر با Arduino Core برای ESP32 نوشته شده است. برد مثل یک peripheral دیده می‌شود، یک سرویس می‌سازد و مقدار characteristic را هر دو ثانیه با notification ارسال می‌کند.

#include <BLEDevice.h>
#include <BLEServer.h>
#include <BLEUtils.h>
#include <BLE2902.h>

#define SERVICE_UUID "8f4a0001-3b7f-4b9a-9a52-1c7e10100001"
#define SENSOR_UUID  "8f4a0002-3b7f-4b9a-9a52-1c7e10100002"

BLECharacteristic *sensorChar;
bool deviceConnected = false;

class ServerCallbacks : public BLEServerCallbacks {
  void onConnect(BLEServer *server) override {
    deviceConnected = true;
  }

  void onDisconnect(BLEServer *server) override {
    deviceConnected = false;
    server->getAdvertising()->start();
  }
};

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  BLEDevice::init("LCENJ-ESP32-BLE");

  BLEServer *server = BLEDevice::createServer();
  server->setCallbacks(new ServerCallbacks());

  BLEService *service = server->createService(SERVICE_UUID);
  sensorChar = service->createCharacteristic(
    SENSOR_UUID,
    BLECharacteristic::PROPERTY_READ | BLECharacteristic::PROPERTY_NOTIFY
  );
  sensorChar->addDescriptor(new BLE2902());
  sensorChar->setValue("{\"counter\":0}");

  service->start();
  BLEAdvertising *advertising = server->getAdvertising();
  advertising->addServiceUUID(SERVICE_UUID);
  advertising->setScanResponse(true);
  advertising->start();
}

void loop() {
  static uint32_t counter = 0;
  String payload = "{\"counter\":" + String(counter++) + "}";
  sensorChar->setValue(payload.c_str());
  if (deviceConnected) {
    sensorChar->notify();
  }
  delay(2000);
}

Read، Write و Notify چه تفاوتی دارند؟

• Read: موبایل مقدار فعلی characteristic را درخواست می‌کند.
• Write: موبایل مقداری را داخل characteristic می‌نویسد؛ مثلا فرمان تغییر حالت LED.
• Notify: ESP32 بدون درخواست مستقیم، مقدار جدید را برای موبایل می‌فرستد.
• Indicate: شبیه notify است، ولی دریافت آن تایید می‌شود و برای داده حساس‌تر مناسب است.

مثال ESP32: دریافت دستور از موبایل

در این نمونه یک characteristic قابل نوشتن داریم. اگر موبایل مقدار LED:ON یا LED:OFF بفرستد، ESP32 خروجی را تغییر می‌دهد.

#define CONTROL_UUID "8f4a0003-3b7f-4b9a-9a52-1c7e10100003"
#define LED_PIN 2

class ControlCallbacks : public BLECharacteristicCallbacks {
  void onWrite(BLECharacteristic *c) override {
    String value = c->getValue().c_str();
    value.trim();
    if (value == "LED:ON") {
      digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
    } else if (value == "LED:OFF") {
      digitalWrite(LED_PIN, LOW);
    }
    Serial.println("BLE command: " + value);
  }
};

// داخل setup بعد از ساخت service:
pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
BLECharacteristic *controlChar = service->createCharacteristic(
  CONTROL_UUID,
  BLECharacteristic::PROPERTY_WRITE
);
controlChar->setCallbacks(new ControlCallbacks());

طراحی payload و پکت کاربردی

برای بیشتر پروژه‌های الکترونیکی، payload باید کوتاه، قابل تشخیص و قابل توسعه باشد. اگر داده ساده است، یک متن کوتاه مثل LED:ON کافی است. اگر چند فیلد دارید، JSON کوچک یا فرمت کلید-مقدار مناسب‌تر است.

{"type":"sensor","temp":27.4,"battery":83}

برای داده‌های پرتکرار، ارسال JSON طولانی می‌تواند باعث کاهش پایداری شود. در این حالت می‌توانید از پکت باینری کوتاه استفاده کنید؛ مثلا یک بایت نوع پیام، دو بایت مقدار سنسور و یک بایت checksum.

MTU، Connection Interval و سرعت واقعی

BLE برای payloadهای کوچک عالی است، اما برای فایل‌های بزرگ یا stream سریع مناسب نیست مگر با طراحی دقیق. سه پارامتر مهم روی سرعت و پایداری اثر دارند:

• MTU: حداکثر اندازه داده در هر تبادل ATT. مقدار پیش‌فرض کوچک است و می‌تواند negotiate شود.
• Connection Interval: فاصله زمانی رویدادهای اتصال. interval کمتر یعنی پاسخ سریع‌تر و مصرف بیشتر.
• Notification Rate: اگر بیش از توان لینک notification بفرستید، صف پر می‌شود و داده از دست می‌رود.

برای سنسورها، ارسال هر 500 میلی‌ثانیه تا چند ثانیه معمولا پایدارتر از ارسال پیوسته است. برای داده‌های چندبایتی، payload را کوتاه و قابل parse نگه دارید.

نکات دیباگ BLE در پروژه‌های واقعی

• UUIDها را ثابت و مستند نگه دارید؛ تغییر UUID باعث می‌شود اپ موبایل سرویس قبلی را پیدا نکند.
• بعد از disconnect دوباره advertising را start کنید.
• برای notification حتما descriptor نوع BLE2902 اضافه کنید.
• نام دستگاه را کوتاه بگذارید تا در advertising جا شود.
• حجم پیام را کنترل کنید؛ BLE جای payloadهای سنگین نیست.