在物聯網和智能設備的發展中，藍牙低功耗（Bluetooth Low Energy, BLE）技術已經成為無線數據傳輸的重要手段。本文將介紹通過BLE實現類似UART的串行通信，并對比NUS服務和GATT服務的使用場景，幫助開發者更好地選擇適合的技術方案。

什么是UART？

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步收發器）是一種用于串行通信的硬件協議，常用于將數據從一個設備傳輸到另一個設備，比如從電腦傳輸到微控制器或傳感器。

什么是BLE？

BLE（Bluetooth Low Energy，藍牙低功耗）是一種無線通信技術，用于在設備之間傳輸數據，特點是低功耗和短距離通信。

BLE實現類似UART的串行通信

通過BLE實現類似UART的串行通信，意思是通過無線藍牙連接，在兩個設備之間傳輸數據，就像通過電線連接的UART那樣。這種方式可以替代傳統的有線連接，使用無線方式進行數據傳輸。

藍牙特征服務（GATT Services and Characteristics）

藍牙低功耗（BLE）使用通用屬性配置文件（Generic Attribute Profile，GATT）來組織和定義數據。GATT包含服務和特征，每個服務和特征都有其特定的功能。

1. 服務（Service）：
   • 服務是一個邏輯集合，包含一組相關的特征。
   • 每個服務都有一個唯一的UUID（通用唯一標識符），用來標識它。
2. 特征（Characteristic）：
   • 特征是服務的基本組成部分，表示一個數據點或屬性。
   • 每個特征也有一個UUID，并且包含一個或多個值和描述符。
   • 特征可以是可讀的、可寫的或支持通知和指示（當特征值改變時通知或指示中央設備）。

藍牙NUS服務（Nordic UART Service）

藍牙NUS服務是由Nordic Semiconductor公司定義的一個自定義服務，專門用于通過BLE實現類似UART的串行通信。

1. NUS服務：
   • NUS服務是一個自定義的GATT服務，有自己的UUID，通常由Nordic定義和使用。
2. NUS特征：
   • NUS服務包含兩個主要的特征：
     • RX特征：用于接收從中央設備發送到外圍設備的數據。
     • TX特征：用于從外圍設備向中央設備發送數據（通過通知機制）。

例子：智能家居環境監控系統

使用GATT服務特征的方式

設備設置

1. 環境監控設備：
   • 配置兩個特征：
     • 溫度特征：定期更新當前溫度值。
     • 濕度特征：定期更新當前濕度值。
2. 手機應用：
   • 訂閱這兩個特征，分別接收溫度和濕度數據。

數據傳輸過程

1. 連接建立：
   • 手機應用連接到環境監控設備。
2. 服務發現：
   • 應用程序發現設備上的溫度和濕度特征。
3. 訂閱特征：
   • 應用程序訂閱溫度特征和濕度特征。
4. 接收數據：
   • 每當環境監控設備更新溫度或濕度值時，應用程序會收到通知并顯示數據。

使用NUS服務的方式

設備設置

1. 環境監控設備：
   • 配置NUS（Nordic UART Service）服務，帶有兩個特征：
     • RX特征：用于接收手機發送的命令或數據。
     • TX特征：用于發送溫度和濕度數據到手機。
2. 手機應用：
   • 訂閱NUS服務的TX特征，接收環境監控設備的數據。
   • 通過RX特征發送命令或數據到環境監控設備。

數據傳輸過程

1. 連接建立：
   • 手機應用連接到環境監控設備。
2. 服務發現：
   • 應用程序發現設備上的NUS服務和其特征。
3. 訂閱特征：
   • 應用程序訂閱NUS服務的TX特征。
4. 接收和發送數據：
   • 接收數據：環境監控設備定期將溫度和濕度數據通過TX特征發送到手機，應用程序接收并顯示數據。
   • 發送數據：如果手機應用需要請求某些數據或發送命令（比如改變數據傳輸頻率），可以通過RX特征發送到環境監控設備。

最好用NUS服務的場景

例子：遠程設備控制與數據傳輸

場景描述：
你有一個復雜的遠程監控和控制系統，例如無人機控制系統。無人機需要發送大量的實時傳感器數據（如GPS坐標、速度、姿態信息等）到地面控制站，同時接收地面站發送的控制指令（如調整飛行路徑、改變飛行高度等）。

為什么用NUS服務：

1. 雙向通信需求：
   • 無人機需要同時發送數據和接收命令。NUS服務提供了統一的接口（RX和TX特征）來處理雙向數據流，非常適合這種場景。
2. 數據類型多樣：
   • 傳感器數據種類多、更新頻率高，且需要實時傳輸。通過NUS服務，所有數據可以打包成統一的格式進行傳輸，簡化了數據處理邏輯。
3. 靈活性和擴展性：
   • 可以靈活地在數據包中添加新類型的數據或命令，而不需要重新定義和管理多個GATT特征。

具體操作：

1. 無人機設備（外圍設備）：
   • 配置NUS服務，使用TX特征發送傳感器數據，使用RX特征接收地面站命令。
2. 地面控制站（中央設備）：
   • 訂閱無人機的TX特征，接收傳感器數據。
   • 通過寫入RX特征發送控制命令。

用GATT服務更合適的場景

例子：簡單的環境傳感器數據傳輸

場景描述：
你有一個環境監測系統，例如一個簡單的溫度和濕度監測器。它只需要將溫度和濕度數據周期性地發送到手機應用，無需接收任何命令。

為什么用GATT服務：

1. 單向通信需求：
   • 傳感器只需要發送數據到手機，無需接收命令。GATT服務的通知機制非常適合這種單向的數據傳輸。
2. 數據類型單一：
   • 只有兩個數據點：溫度和濕度，每個數據點對應一個特征，結構簡單且清晰。
3. 低復雜度：
   • 管理單一或少量特征比管理NUS服務的數據打包和解析更簡單，減少開發和維護的復雜度。

具體操作：

1. 環境傳感器設備（外圍設備）：
   • 配置兩個GATT特征，一個用于溫度數據，一個用于濕度數據。
2. 手機應用（中央設備）：
   • 訂閱溫度和濕度特征，接收傳感器數據并顯示。

總結

NUS服務的最佳場景：

• 復雜、需要雙向通信的應用，例如無人機控制系統。
• 多種數據類型和高頻更新的數據傳輸需求。
• 需要靈活擴展數據格式和命令的場景。

GATT服務的最佳場景：

• 簡單、單向的數據傳輸應用，例如環境監測器。
• 數據類型單一且更新頻率較低。
• 開發和維護簡單的場景。

通過這些實例和對比，希望你能更清楚地理解何時選擇NUS服務，何時選擇GATT服務。如果你有任何疑問或需要進一步的技術說明，請隨時聯系我！