附录03 BLE HID协议
1. BLE（Bluetooth Low Energy）协议
低功耗蓝牙(BLE)是物联网(IoT)生态系统的一项关键技术。BLE最初是作为一种无线协议开发的，用于取代键盘、鼠标和耳机等消费电子产品中的线缆，但时至今日，它的功能已经大大拓展，不再仅仅是线缆的替代方案。目前，它在医疗、零售、汽 车等多个行业及位置标签、仪器控制等工业应用中发挥着重要作用。
根据《2023年蓝牙市场更新报告》(2023 Bluetooth Market Update)，从 2023年到2027年，支持蓝牙无线技术的设备出货量的复合年增长率(CAGR)为9%。1在这种增长态势下，预计到2027年，BLE设备出货量将翻一番以上，并且在所有支持蓝牙技术的设备中，97%会采用BLE。1
BLE是一种无线技术，于2010年7月随蓝牙4.0规范推出。BLE前称为Bluetooth Smart（蓝牙智能），专为超低功耗设备而设计。
1.1 BLE 和 经典蓝牙
我们熟悉的传统蓝牙技术主要用于将智能手机与耳机配对、传输音乐和照片等大量数据，而BLE则有着不同的用途。传统蓝牙虽然能够处理大量数据传输，但会因此而消耗更多的电池电量。相比之下，BLE针对不需要大量数据传输的应用进行了 优化，因而成为各种功耗敏感应用的理想选择。传统蓝牙即使在不使用时，仍会保持活动状态并消耗电量，而BLE大部分时间处于休眠模式，仅在建立连接时才会唤醒，并且连接时间通常仅维持几毫秒。这种高效的电源管理，结合最高1 Mbps（BLE 5.0中达到2 Mbps）的数据速率，使得BLE设备能够以极低的功耗运行。
① 经典蓝牙和BLE的协议规范
如图1和图2所示：
- 经典蓝牙: 代表蓝牙的最早版本，具有较高的数据速率能力，适用于流媒体、高带宽文件传输和耳机。它有79个RF信道，其中32个广播信道，以便其他设备可以发现和连接。
- 低功耗蓝牙：针对数据传输不频繁的低功耗应用，例如传 感器和其他低带宽传输。它有40个RF信道，其中3个信道用于设备发现。
| 特性维度 | 蓝牙经典 (BR/EDR) | 蓝牙低功耗 (BLE) |
|---|---|---|
| 设计目标 | 连续、高数据速率的流式传输（如音频） | 极低功耗、间歇性小数据包传输 |
| 通信拓扑 | 点对点 (Point-to-Point) | 点对点，广播，以及Mesh网络 |
| 物理层参数 | 79个 1MHz带宽信道，采用自适应跳频 | 40个 2MHz带宽信道，也采用自适应跳频 |
| 数据传输速率 | 1、2、3 Mb/s（速率高） | 125、500 Kb/s，1、2 Mb/s（低速率下功耗极低） |
② 经典蓝牙和BLE的应用
| 应用领域 | 蓝牙经典 (BR/EDR) | 蓝牙低功耗 (BLE) |
|---|---|---|
| 音频流 | 支持。这是蓝牙经典最成功、最成熟的应用，如无线耳机、音箱。它传输的A2DP音频协议对连续性和带宽要求很高。 | 支持。LE Audio是BLE的扩展，支持更高质量的音频和广播音频（如助听、场馆同声传译），但需要较新的硬件和系统支持。 |
| 数据传输 | 支持。主要用于需要较高带宽的突发传输，如手机向打印机发送照片、文件传输等。 | 支持。这是BLE最主流的应用场景，特点是低功耗、小数据包、频繁交互。如心率带、温度传感器、智能手表同步、无线鼠标键盘等。 |
| 位置服务 | 不支持。蓝牙经典没有专门为定位设计的机制。 | 支持。利用BLE的广播信道，可以实现室内定位、物品追踪（如AirTag）、近距离感知（如手机解锁汽车）。 |
| 设备网络 | 不支持。蓝牙经典仅支持点对点连接。 | 支持。BLE支持Mesh网络，可以让大量设备（如上百个灯泡）自组网、相互中继，实现覆盖全屋的智能家居控制。 |
1.2 Central（中心设备）和 Peripheral（外设）
BLE 分 Central（中心设备）和 Peripheral（外设）。
Peripheral 作为 GATT Server（服务端），对外广播并提供 GATT Service；
Central 作为 GATT Client（客户端），搜索 Peripheral 并主动发起连接，通过 GAP 获取连接参数，配对后从 GATT Service 下的 Characteristic 读取 Peripheral 提供的数据，或者通过 Characteristic 向 Peripheral 写入数据。
一般来说，外设（耳机、键盘、鼠标等）为 Peripheral 端，Host（PC、手机）为 Central 端。
1.3 BLE 协议栈架构
BLE协议栈架构是实现BLE设备之间通信的结构化软件框架。它定义了必要的层级和协议，用于建立、维持和终止蓝牙连接，方便设备间交换数据。
BLE协议栈架构通常分为三个主要层级：应用层(APP)、主机层(HOST)和控制器层(CONTROLLER)。
应用层是协议栈的最顶层。BLE设备上运行的应用程序在这一层利用和处理实际数据。
主机层位于协议栈中的应用层和控制器层之间，实现了BLE通信所需的所有较高级别协议和配置文件。此外，它还提供高级应用程序编程接口(API)，使得应用程序能够与协议栈的较低层交互。控制器层是BLE协议栈的硬件部分，负责蓝牙信号的发送和接收。
控制器层处理信号的跳频、调制和解调等任务。上述层级协同工作，实现BLE设备之间高效可靠的通信。
2 BLE GATT Profile
GATT（Generic Attribute Profile） 是 BLE（Bluetooth Low Energy）通信中最重要的协议，它定义了设备之间如何发现服务、读写数据、接收通知等通信行为。
GATT 建立在 ATT（Attribute Protocol）协议之上，规定了数据的组织结构、交互流程和角色分工。
一个BLE设备中可能存在多个 GATT Profile，蓝牙规范中定义了标准配置文件，以确保不同制造商生产的BLE设备能够互操作。但是，基于特定应用要求，也可以实现自定义配置文件。因此，了解GATT配置文件的结构至关重要。
对于哪个ID的GATT Service对应什么具体服务，每个Service内部又应该有哪些Characteristic提供数据，理论上我们可以随便自定义，但是BLE协议在议定之初，便规定了很多预定义的GATT Service，以及这些Service内部应该具有的Characteristic。
这些具体的规定就是 GATT Profile。一般来说我们如果想通过BLE对外提供服务（例如我们想做个健康手环，可能就需要对外提供心跳，血压等健康数据），就需要实现这些标准GATT Service，这样Host就能通过读取通用的GATT Service获取数据，而不用我们针对每一个设备写一个驱动。
这个链接是蓝牙技术联盟（Bluetooth SIG）官方发布的全部蓝牙技术规范和文档（Specifications and documents）的汇总列表。
主要内容类型
- Core Specification（核心规范）：这是蓝牙技术的“基础”，比如列表中的
Core Specification 6.3、5.4等。它定义了蓝牙底层是如何工作的，是所有蓝牙设备都必须遵守的通用规则。 - Profile（配置文件）：定义了某种具体功能如何实现。比如
Hands-Free Profile (HFP)规定了车载免提通话如何工作，Advanced Audio Distribution Profile (A2DP)规定了无线立体声音乐如何传输。 - Service（服务）：通常用于低功耗蓝牙（BLE），定义了设备可以提供哪些具体的数据或能力。例如
Heart Rate Service定义了心率监测器如何组织和发送心率数据。 - Protocol（协议）：定义了特定类型数据的传输格式和规则。
3 HOGP（HID Over GATT Profile）
上面的 Bluetooth specification 中，我们能查到两个基于蓝牙的HID协议，分别为 HOGP(HID Over GATT Profile) 和 HIDP( Human Interface Device Profile )
两者的区别就是底层的蓝牙协议标准：HIDP是基于经典蓝牙协议的，而HOGP是基于BLE的。如果我们开发新的设备，应该选择HOGP，因为经典蓝牙已经渐渐被BLE取代了。
基于上面的说明文件，我们可以总结一下 HOGP 设备应该提供的服务和特征值列表：
| GATT Service | Requirement | Characteristic | Requirement | Properties | 含义与关键说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| HID Service | M | Protocol Mode | C.4 | Read, Write | 设置设备工作在 Boot Protocol Mode (0x00) 或 Report Protocol Mode (0x01)。键盘类设备必须支持 Boot Mode。 |
| Report Map | M | Read | 核心。包含 HID 报告描述符，定义了所有 Input/Output/Feature Report 的格式和含义。 | ||
| Report (Input) | C.1 | Read, Notify | 实际 HID 输入数据通道（如按键、鼠标移动）。主机通过订阅 Notify 接收数据。 | ||
| Report (Output) | C.1 | Read, Write | 实际 HID 输出数据通道（如接收 Caps Lock 等 LED 状态）。 | ||
| Report (Feature) | C.1 | Read, Write | 用于读取或写入设备静态特征或配置项（如固件版本、键盘重复率），不常用于键盘。 | ||
| Report Reference Descriptor | C.1 | - | 这是一个描述符，依附于每个 Report 特征，指明其类型（Input/Output/Feature）和ID。 | ||
| HID Information | M | Read | 包含 HID 规范版本号、国家码（如 0x00 为标准）、以及 RemoteWake、NormallyConnectable 等设备标志。 | ||
| HID Control Point | M | Write Without Response | 主机通过写入特定值（如 0x00）通知设备进入 Suspend 模式以省电，或退出 Suspend。 | ||
| Boot Keyboard Input Report | C.2 | Read, Notify | Boot Mode 专用。使用 USB 标准 8 字节键盘报告格式，保证在 BIOS/系统启动时可用。 | ||
| Boot Keyboard Output Report | C.2 | Read, Write | Boot Mode 专用。用于在 Boot Mode 下接收 LED 状态（Num/Caps Lock）。 | ||
| Boot Mouse Input Report | C.3 | Read, Notify | Boot Mode 鼠标报告。仅当设备是键盘+鼠标复合设备时才需要。 | ||
| Battery Service | M | Battery Level | M | Read, Notify | 当前电池电量百分比 (0-100)。设备电量变化时应主动 Notify 主机。 |
| Device Information Service | M | PnP ID | M | Read | 关键用于驱动匹配。包含 Vendor ID Source (0x01=USB, 0x02=Bluetooth SIG), Vendor ID, Product ID, Product Version。 |
| Manufacturer Name String | M | Read | 制造商名称字符串 (如 "Logitech")。 | ||
| Model Number String | M | Read | 产品型号字符串 (如 "K780")。 | ||
| Serial Number String | O | Read | 设备唯一序列号。 | ||
| Firmware Revision String | O | Read | 固件版本。 | ||
| Hardware Revision String | O | Read | 硬件版本。 | ||
| Scan Parameters Service | O | Scan Interval Window | O | Write Without Response | 主机向设备推荐其扫描的间隔和窗口，以优化功耗和响应速度。 |
| Scan Refresh | O | Notify | 当主机的扫描策略改变时，通过此特征 Notify 设备重新读取 Scan Interval Window。 | ||
| HID ISO Service (for LE Audio) | O | HID ISO Properties | O | Read | 指示设备是否支持通过 LE Audio 的 ISO 通道传输 HID 数据（用于超高保真或游戏级低延迟）。 |
| LE HID Operation Mode | O | Read, Write | 控制设备在传统 GATT 传输和新型 ISO 传输之间的工作模式。 |
M：Mandatory，必须实现。
C.1：Conditional，必须至少实现一种 Report (Input, Output, or Feature)。
C.2：Conditional，键盘设备必须实现 Boot Keyboard Reports。
C.3：Conditional，鼠标设备必须实现 Boot Mouse Report；复合设备（如带触摸板的键盘）两者都需。
C.4：Conditional，支持 Boot Protocol Mode 时必须实现。由于键盘必须支持 Boot Mode，因此此特征为必选。
O：Optional，可选实现。
必要的三项 Service 就是 HID Service，Battery Service 以及 Device Information Service。
HID Service HOGP 的核心，没有它就不是 HID 设备。
Battery Service 无线外设的基本刚需，获知电量。
Device Information Service 提供 PnP ID，主机才能知道该用哪个驱动 / 键盘布局 / 鼠标类型，并正确显示设备名称。