ESP32 蓝牙网关实践：BLE 设备数据采集与 MQTT 云平台发布（附代码示例）

摘要: 本文详细介绍了如何使用 ESP32 构建强大的蓝牙网关，实现蓝牙设备与 Wi-Fi/互联网之间的无缝连接和数据桥接。文章涵盖了连接和桥接功能、数据处理和分析能力，并提供了详细的代码示例和 Mermaid 生成的图表，助您轻松构建自己的蓝牙网关解决方案。

一、 引言

随着物联网 (IoT) 的快速发展，蓝牙技术凭借其低功耗、低成本和易用性，在连接各种传感器、设备和智能家居产品方面发挥着至关重要的作用。然而，蓝牙设备通常通信范围有限，且无法直接连接互联网。ESP32 是一款功能强大的微控制器，集成了 Wi-Fi 和蓝牙功能，使其成为构建蓝牙网关的理想选择，可以将蓝牙设备连接到互联网，实现远程监控和控制。

二、 ESP32 蓝牙网关功能

ESP32 蓝牙网关可以实现以下关键功能：

1. 连接和桥接:

  • 蓝牙到 Wi-Fi/互联网桥接: ESP32 可以连接到蓝牙传感器、设备或信标，并将收集的数据通过 Wi-Fi 传输到云平台或本地服务器，实现远程监控和控制。
  • 蓝牙到蓝牙桥接: 扩展蓝牙设备的通信范围，例如连接位于不同房间或楼层的蓝牙设备。
  • 支持多种蓝牙协议: ESP32 支持多种蓝牙协议，包括 Bluetooth Classic (SPP, HID) 和 Bluetooth Low Energy (BLE)，以连接各种类型的蓝牙设备。

2. 数据处理和分析:

  • 数据过滤和聚合: ESP32 可以对从蓝牙设备收集的数据进行预处理，例如过滤噪声数据或聚合多个传感器的数据，以减少网络负载并提高效率。
  • 本地数据存储: 使用 SD 卡或外部存储器，ESP32 可以存储从蓝牙设备收集的数据，以便在网络连接不可用时进行缓存或离线分析。
  • 边缘计算: ESP32 可以执行简单的计算任务，例如数据转换、阈值警报和趋势分析，从而减少数据传输量并提高响应速度。

三、 系统架构

下图展示了 ESP32 蓝牙网关的典型系统架构：

架构说明：

  • 多个蓝牙设备（例如传感器、智能灯泡、智能门锁）通过蓝牙连接到 ESP32 蓝牙网关。
  • ESP32 蓝牙网关通过 Wi-Fi 或以太网连接到互联网或本地服务器。
  • ESP32 网关可以将数据转发到云平台或本地服务器，也可以在本地处理数据并执行边缘计算任务。

四、 代码示例

以下是一个简单的 ESP32 蓝牙网关代码示例，演示了如何使用 BLE 连接到蓝牙传感器并通过 Wi-Fi 将数据发送到 MQTT broker：

#include <Arduino.h>
#include <BLEDevice.h>
#include <BLEUtils.h>
#include <BLEScan.h>
#include <BLEAdvertisedDevice.h>
#include <WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>

// 设置 Wi-Fi 和 MQTT broker 信息
const char* ssid = "your_wifi_ssid";
const char* password = "your_wifi_password";
const char* mqtt_server = "your_mqtt_broker_ip";
const int mqtt_port = 1883;

// 设置蓝牙服务和特征 UUID
static BLEUUID serviceUUID("your_service_uuid");
static BLEUUID characteristicUUID("your_characteristic_uuid");

// 创建 BLE 和 MQTT 客户端
BLEAdvertisedDevice* myDevice;
WiFiClient espClient;
PubSubClient client(espClient);

// 连接到 Wi-Fi
void setupWifi() {
  delay(10);
  Serial.println();
  Serial.print("Connecting to ");
  Serial.println(ssid);

  WiFi.begin(ssid, password);

  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(500);
    Serial.print(".");
  }

  Serial.println("");
  Serial.println("WiFi connected!");
  Serial.println("IP address: ");
  Serial.println(WiFi.localIP());
}

// 连接到 MQTT broker
void reconnect() {
  while (!client.connected()) {
    Serial.print("Attempting MQTT connection...");
    if (client.connect("ESP32Client")) {
      Serial.println("connected");
    } else {
      Serial.print("failed, rc=");
      Serial.print(client.state());
      Serial.println(" try again in 5 seconds");
      delay(5000);
    }
  }
}

// 扫描蓝牙设备
class MyAdvertisedDeviceCallbacks: public BLEAdvertisedDeviceCallbacks {
  void onResult(BLEAdvertisedDevice advertisedDevice) {
    if (advertisedDevice.haveServiceUUID() && advertisedDevice.isAdvertisingService(serviceUUID)) {
      BLEDevice::getScan()->stop();
      myDevice = new BLEAdvertisedDevice(advertisedDevice);
    } 
  }
};

// 连接到蓝牙设备
bool connectToSensor() {
  BLEClient*  pClient  = BLEDevice::createClient();
  Serial.println(" - Created client");

  // 连接到 GATT 服务器
  Serial.println(" - Connecting to server...");
  if (!pClient->connect(myDevice)) {
    Serial.println(" - Failed to connect to server");
    return false;
  }
  Serial.println(" - Connected to server");

  // 获取服务
  BLERemoteService* pRemoteService = pClient->getService(serviceUUID);
  if (pRemoteService == nullptr) {
    Serial.print(" - Failed to find our service UUID: ");
    Serial.println(serviceUUID.toString().c_str());
    return false;
  }
  Serial.println(" - Found our service");

  // 获取特征
  BLERemoteCharacteristic* pRemoteCharacteristic = pRemoteService->getCharacteristic(characteristicUUID);
  if (pRemoteCharacteristic == nullptr) {
    Serial.print(" - Failed to find our characteristic UUID: ");
    Serial.println(characteristicUUID.toString().c_str());
    return false;
  }
  Serial.println(" - Found our characteristic");

  // 读取特征值
  std::string value = pRemoteCharacteristic->readValue();
  Serial.print(" - The characteristic value was: ");
  Serial.println(value.c_str());

  // 发送数据到 MQTT broker
  if (client.connected()) {
    client.publish("sensor/data", value.c_str());
  }

  return true;
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  setupWifi();
  client.setServer(mqtt_server, mqtt_port);
  client.setCallback(callback);

  // 初始化蓝牙
  BLEDevice::init("ESP32_Gateway");
  BLEScan* pBLEScan = BLEDevice::getScan();
  pBLEScan->setAdvertisedDeviceCallbacks(new MyAdvertisedDeviceCallbacks());
  pBLEScan->setInterval(2000);
  pBLEScan->start(60, false);
}

void loop() {
  if (!client.connected())
{
    reconnect();
  }
  client.loop();

  if (myDevice) {
    if (connectToSensor()) {
      Serial.println("Data sent to MQTT broker!");
    } else {
      Serial.println("Failed to connect to sensor!");
    }
    myDevice = nullptr;
    delay(5000); // 等待 5 秒后再次扫描
    BLEDevice::getScan()->start(60, false);
  }
}

代码说明:

  1. 设置 Wi-Fi 和 MQTT broker 信息: 替换 ssid、password、mqtt_server 和 mqtt_port 为您的实际网络和 MQTT broker 信息。
  2. 设置蓝牙服务和特征 UUID: 替换 serviceUUID 和 characteristicUUID 为您要连接的蓝牙设备的服务和特征 UUID。
  3. 扫描蓝牙设备: 使用 BLEScan 类扫描附近的蓝牙设备，并查找与指定服务 UUID 匹配的设备。
  4. 连接到蓝牙设备: 使用 BLEClient 类连接到找到的蓝牙设备，并获取指定特征的值。
  5. 发送数据到 MQTT broker: 使用 PubSubClient 库将获取的蓝牙传感器数据发布到指定的 MQTT 主题。

五、 总结

本文介绍了如何使用 ESP32 构建蓝牙网关，实现蓝牙设备与 Wi-Fi/互联网之间的连接和数据桥接。通过结合 ESP32 强大的硬件功能和灵活的软件库，您可以轻松构建自定义的蓝牙网关解决方案，满足各种物联网应用的需求。

注意:

  • 本文提供的代码示例仅供参考，您需要根据实际需求进行修改和完善。
  • 在实际应用中，您可能需要考虑安全性、功耗优化和数据可靠性等方面的问题。

 

 

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