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搭建环境
HCI编程
- 编程范式
- 查看HCI设备的详细信息
- 扫描周围的LE设备

我是一名嵌入式蓝牙工程师，平时大部分时间都在RTOS系统上进行蓝牙开发，最近因为工作需求要在Unix环境下搭建蓝牙开发环境，而我最熟悉的Unix系统莫过于Linux/Ubuntu，于是开始下载bluez的源代码，搭建蓝牙开发环境，这篇博客就是介绍如何在Ubuntu系统下进行HCI编程

搭建环境

我使用的系统是ubuntu-16.04默认是已经安装了bluez，并且bluez是默认为开机启动的，大家可以用下面的命令测试下：

$ systemctl status bluetooth.service
● bluetooth.service - Bluetooth serviceLoaded: loaded (/lib/systemd/system/bluetooth.service; disabled; vendor preset: enabled)Active: active (running) since Fri 2021-08-13 15:42:22 CST; 2s agoDocs: man:bluetoothd(8)Main PID: 1213 (bluetoothd)Status: "Running"Tasks: 1 (limit: 4915)CGroup: /system.slice/bluetooth.service└─1213 /usr/lib/bluetooth/bluetoothd -C --noplugin=sap

如果输出这种结果，则说明bluez已经处于运行状态了

如果系统没有安装bluez，安装命令也非常简单：

$ sudo apt-get install bluez -y

安装好之后，bluez默认会安装一些实用工具，比如hcitool，hciconfig ,gatttool等，有兴趣的都可以试下这些命令

接着我们来安装bluez的开发库，运行下面命令即可:

$ sudo apt-get install libbluetooth-dev -y

安装好之后会发现系统中多了一些bluetooth的头文件，这些头文件默认安装在/usr/include/bluetooth/目录下，另外还安装了一个libbluetooth的库文件，可以查看下：

$ ls /usr/include/bluetooth/
bluetooth.h  cmtp.h  hci_lib.h  l2cap.h   sco.h  sdp_lib.h
bnep.h       hci.h   hidp.h     rfcomm.h  sdp.h
$ pkg-config --libs bluez
-lbluetooth

HCI编程

蓝牙开发环境安装好之后，下面实现一个非常简单的小程序，就是调用HCI的API来获取蓝牙设备的ID：

#include <stdio.h>
#include <bluetooth/bluetooth.h>
#include <bluetooth/hci.h>
#include <bluetooth/hci_lib.h>
// filename: main.cint main(int argc, char* argv[])
{int dev_id;dev_id = hci_devid("hci0"); // 函数hci_devid的声明在头文件bluetooth/hci_lib.h中printf("dev_id: %d\n", dev_id);
}

然后运行下面的命令对其进行编译：

$ gcc main.c -o main -lbluetooth
$ ./main
dev_id: 0

因为我的系统上只有一个蓝牙设备，因此输出为：dev_id: 0，也就是hci0。

编程范式

由上面的小例子可以知，HCI编程就是调用bluez提供的HCI接口来进行编程，只不过编译的时候要注意把蓝牙库链接进去，即-lbluetooth。

其实HCI还有很多命令，可以查看下/usr/include/bluetooth/hci_lib.h文件，可以试着调用这些函数，用得多了就会越来越熟悉。

int hci_open_dev(int dev_id);
int hci_close_dev(int dd);
int hci_send_cmd(int dd, uint16_t ogf, uint16_t ocf, uint8_t plen, void *param);
int hci_send_req(int dd, struct hci_request *req, int timeout);int hci_create_connection(int dd, const bdaddr_t *bdaddr, uint16_t ptype, uint16_t clkoffset, uint8_t rswitch, uint16_t *handle, int to);
int hci_disconnect(int dd, uint16_t handle, uint8_t reason, int to);int hci_inquiry(int dev_id, int len, int num_rsp, const uint8_t *lap, inquiry_info **ii, long flags);
int hci_devinfo(int dev_id, struct hci_dev_info *di);
int hci_devba(int dev_id, bdaddr_t *bdaddr);
int hci_devid(const char *str);int hci_read_local_name(int dd, int len, char *name, int to);
int hci_write_local_name(int dd, const char *name, int to);
int hci_read_remote_name(int dd, const bdaddr_t *bdaddr, int len, char *name, int to);
int hci_read_remote_name_with_clock_offset(int dd, const bdaddr_t *bdaddr, uint8_t pscan_rep_mode, uint16_t clkoffset, int len, char *name, int to);
int hci_read_remote_name_cancel(int dd, const bdaddr_t *bdaddr, int to);
int hci_read_remote_version(int dd, uint16_t handle, struct hci_version *ver, int to);
int hci_read_remote_features(int dd, uint16_t handle, uint8_t *features, int to);
int hci_read_remote_ext_features(int dd, uint16_t handle, uint8_t page, uint8_t *max_page, uint8_t *features, int to);
int hci_read_clock_offset(int dd, uint16_t handle, uint16_t *clkoffset, int to);
int hci_read_local_version(int dd, struct hci_version *ver, int to);......

bluez源码中tools目录下的许多文件可以作为HCI编程的参考，例如tools/hcitool.c和tools/hciconfig.c等，这些代码可以有些可以直接用在自己的项目中。

下载bluez的源码：

最新版本可以在官网下载： http://www.bluez.org/
更多的历史版本可以在这里下载：https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/bluetooth/

下面简要介绍几个hcitool中的几个指令的实现

查看HCI设备的详细信息

当我们在命令行终端运行hcitool的时候，经常会得到这样的输出：

$ hciconfig
hci0:   Type: Primary  Bus: UARTBD Address: E4:5F:01:3D:DA:11  ACL MTU: 1021:8  SCO MTU: 64:1UP RUNNING PSCAN RX bytes:2609 acl:0 sco:0 events:182 errors:0TX bytes:10313 acl:0 sco:0 commands:182 errors:0

那么这个过程是如何实现的呢？我们可以查看下hcitool.c的源码：

int main(int argc, char *argv[])
{...int ctl;/* Open HCI socket  */if ((ctl = socket(AF_BLUETOOTH, SOCK_RAW, BTPROTO_HCI)) < 0) {perror("Can't open HCI socket.");exit(1);}if (argc < 1) {print_dev_list(ctl, 0);exit(0);}...
}

首先打开HCI socket，我们知道现在的Linux发行版基本上都把蓝牙驱动整合进Linux内核了，而HCI就是应用程序跟蓝牙驱动进行交互的接口，Linux内核向应用程序提供一个AF_BLUETOOTH的socket来实现蓝牙Host和Controller的交互。因此，我们代码中首先构建一个蓝牙socket

static void print_dev_list(int ctl, int flags)
{struct hci_dev_list_req *dl;struct hci_dev_req *dr;int i;if (!(dl = malloc(HCI_MAX_DEV * sizeof(struct hci_dev_req) +sizeof(uint16_t)))) {perror("Can't allocate memory");exit(1);}dl->dev_num = HCI_MAX_DEV;dr = dl->dev_req;if (ioctl(ctl, HCIGETDEVLIST, (void *) dl) < 0) {perror("Can't get device list");free(dl);exit(1);}for (i = 0; i< dl->dev_num; i++) {di.dev_id = (dr+i)->dev_id;if (ioctl(ctl, HCIGETDEVINFO, (void *) &di) < 0)continue;print_dev_info(ctl, &di);}free(dl);
}

HCI_MAX_DEV是内核支持的最大设备数，默认为16，struct hci_dev_list_req *dl是要从内核返回的结果，因而首先为其分配空间，然后通过蓝牙socket进行ioctl系统调用，其中HCIGETDEVLIST是蓝牙驱动提供的命令，它表示获取蓝牙设备的数量，命令HCIGETDEVINFO表示获取某个蓝牙设备的具体信息，最后调用print_dev_info将结果打印出来

扫描周围的LE设备

现在低功耗蓝牙的应用非常广泛，hcitool命令也可以扫描周围的低功耗蓝牙设备，命令行终端输入指令之后，输出是这样的：

$ sudo hcitool lescan
LE Scan ...
44:62:84:7A:DF:D7 (unknown)
44:62:84:7A:DF:D7 (unknown)
52:7A:77:FC:D4:79 (unknown)

括号中的是设备名字，如果没有名字则标记为unknown。

那么我们可以看下这部分的实现是怎样的

static struct option lescan_options[] = {{ "help",    0, 0, 'h' },           // 帮助信息{ "static",   0, 0, 's' },         // 是否使用静态地址{ "privacy",    0, 0, 'p' },           // 是否使用随机地址{ "passive",  0, 0, 'P' },           // 是否进行被动扫描{ "whitelist",    0, 0, 'w' },       // 是否使用白名单{ "discovery", 1, 0, 'd' },       // Limited/General Discovery{ "duplicates",  0, 0, 'D' },     // 是否允许重复的scan report{ 0, 0, 0, 0 }
};static void cmd_lescan(int dev_id, int argc, char **argv)
{int err, opt, dd;uint8_t own_type = LE_PUBLIC_ADDRESS;uint8_t scan_type = 0x01;uint8_t filter_type = 0;uint8_t filter_policy = 0x00;uint16_t interval = htobs(0x0010);uint16_t window = htobs(0x0010);uint8_t filter_dup = 0x01;for_each_opt(opt, lescan_options, NULL) {switch (opt) {case 's':own_type = LE_RANDOM_ADDRESS;break;case 'p':own_type = LE_RANDOM_ADDRESS;break;case 'P':scan_type = 0x00; /* Passive */break;case 'w':filter_policy = 0x01; /* Whitelist */break;case 'd':filter_type = optarg[0];if (filter_type != 'g' && filter_type != 'l') {fprintf(stderr, "Unknown discovery procedure\n");exit(1);}interval = htobs(0x0012);window = htobs(0x0012);break;case 'D':filter_dup = 0x00;break;default:printf("%s", lescan_help);return;}}helper_arg(0, 1, &argc, &argv, lescan_help);if (dev_id < 0)dev_id = hci_get_route(NULL);dd = hci_open_dev(dev_id);if (dd < 0) {perror("Could not open device");exit(1);}err = hci_le_set_scan_parameters(dd, scan_type, interval, window,own_type, filter_policy, 10000);if (err < 0) {perror("Set scan parameters failed");exit(1);}err = hci_le_set_scan_enable(dd, 0x01, filter_dup, 10000);if (err < 0) {perror("Enable scan failed");exit(1);}printf("LE Scan ...\n");err = print_advertising_devices(dd, filter_type);if (err < 0) {perror("Could not receive advertising events");exit(1);}err = hci_le_set_scan_enable(dd, 0x00, filter_dup, 10000);if (err < 0) {perror("Disable scan failed");exit(1);}hci_close_dev(dd);
}

首先lescan_options静态配置了lescan的参数，函数cmd_lescan解析该参数，然后调用HCI的API函数hci_open_dev获取可以和蓝牙设备通信的socket，紧接着调用hci_le_set_scan_parameters设置扫描参数，调用hci_le_set_scan_enable开始进行扫描，函数print_advertising_devices会不断的从socket中读数据，这个数据是扫描的结果，即LE SCAN REPORT，最后将扫描结果打印出来，如下所示：

static int print_advertising_devices(int dd, uint8_t filter_type)
{...while (1) {evt_le_meta_event *meta;le_advertising_info *info;char addr[18];while ((len = read(dd, buf, sizeof(buf))) < 0) {if (errno == EINTR && signal_received == SIGINT) {len = 0;goto done;}if (errno == EAGAIN || errno == EINTR)continue;goto done;}...printf("%s %s\n", addr, name);...}
}

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