feat: 添加 BLE HID 键盘实现规格文档
- 新增 ble-hid-keyboard.md 文件,详细描述 BLE HID 键盘的背景、目标、系统架构、HID 报告格式及对外 API 规格 - 包含实现步骤和配置要求,指导开发者如何将 ESP32-S3 开发板实现为标准 BLE HID 键盘
This commit is contained in:
@@ -0,0 +1,473 @@
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# BLE HID 键盘实现规格
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> 项目:HeavenlyHeroStar
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> 目标芯片:ESP32-S3
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> ESP-IDF:6.0.1
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> BLE 栈:NimBLE(外设模式)
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> 状态:待实现
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## 1. 背景与目标
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### 1.1 现状
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当前 `main/services/ble_manager.c` 实现为自定义 GATT 外设:
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- 服务 UUID:`0xFFF0`
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- 特征 UUID:`0xFFF1`(Read / Write)
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- 无 Notify / HID 能力
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- 电脑端无法以系统键盘方式接收按键
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### 1.2 目标
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将开发板实现为标准 **BLE HID 键盘(HOGP)**,使 Windows / macOS / Linux 在蓝牙配对后,将设备识别为键盘,**无需安装 PC 端接收程序**。
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扩展目标(后续阶段):
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- 快捷键映射保存在设备 NVS
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- 通过网页或 Web BLE 配置快捷键
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- 物理按键(BOOT / KEY)及触摸屏 UI 触发 HID 报告
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### 1.3 方案选型结论
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| 方案 | 说明 | 结论 |
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| A | 自定义 GATT Notify + PC Python 脚本 | 适合快速验证,需 PC 常驻程序 |
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| **C** | **BLE HID 键盘** | **采用**:OS 原生输入,适合 macropad 产品形态 |
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| C + 配置通道 | HID 执行 + GATT/WiFi 写 NVS | 网页配置快捷键时采用 |
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配置与执行分离:
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配置阶段:网页 / Web BLE / 屏上 UI → 写入 NVS 快捷键表
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使用阶段:按键 / 触摸 → 读 NVS → 发送 BLE HID Report → OS 输入
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## 2. 系统架构
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### 2.1 模块划分
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main/services/
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├── ble_manager.c # GAP:广播、连接、LED、bonding
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├── ble_manager.h
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├── ble_hid.c # HID GATT 服务、Report Map、发送报告
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├── ble_hid.h
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└── hid_keymap.c # 扫描码表、shortcut → modifier + keycode(可选拆分)
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### 2.2 数据流
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```mermaid
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sequenceDiagram
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participant User as 用户
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participant Btn as BOOT/KEY/UI
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participant FW as 固件
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participant NVS as NVS
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participant HID as BLE HID
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participant OS as 操作系统
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User->>FW: 网页/GATT 配置快捷键
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FW->>NVS: 保存映射表
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User->>Btn: 按下物理键或 UI 按钮
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Btn->>FW: 触发事件
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FW->>NVS: 查 shortcut
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FW->>HID: keyboard report (press)
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FW->>HID: keyboard report (release)
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HID->>OS: Notify Input Report
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OS->>User: 当前焦点窗口收到快捷键
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### 2.3 GATT 服务设计
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#### 阶段一(M2):仅 HID
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| 服务 / 特征 | UUID | 属性 | 用途 |
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|-------------|------|------|------|
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| Human Interface Device | `0x1812` | Primary | 标准 HID 服务 |
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| HID Information | `0x2A4A` | Read | 版本信息 |
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| Report Map | `0x2A4B` | Read | USB HID 描述符 |
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| HID Control Point | `0x2A4C` | Write w/o resp | Suspend / Exit |
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| Report | `0x2A4D` | Read, Notify | **键盘 Input Report** |
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| Protocol Mode | `0x2A4E` | Read, Write | Boot / Report 协议 |
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Report 特征需附带 **Report Reference** 描述符(Report ID = 1, Input)。
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#### 阶段二(M5,可选):配置服务
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| 服务 / 特征 | UUID | 属性 | 用途 |
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|-------------|------|------|------|
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| HHS Config | `0xFFF0` | Primary | 厂商配置 |
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| Config Write | `0xFFF1` | Write | 接收 shortcut blob / JSON |
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| Config Read | `0xFFF2` | Read | 读回当前配置(可选) |
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HID 与配置服务可 **并存** 于同一 GATT 表。
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### 2.4 广播数据
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除设备名 `HeavenlyHeroStar`(`CONFIG_ESP_BLE_DEVICE_NAME`)外,广播包需包含 HID 服务 UUID,否则 Windows 可能无法识别为键盘:
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```c
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static ble_uuid16_t adv_uuids16[] = { BLE_UUID16_INIT(0x1812) };
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fields.uuids16 = adv_uuids16;
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fields.num_uuids16 = 1;
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fields.uuids16_is_complete = 1;
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## 3. HID 键盘报告格式
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### 3.1 Input Report(8 字节)
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与 USB HID 标准键盘 boot/report 格式一致:
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| 偏移 | 字段 | 说明 |
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| 0 | modifier | 修饰键位图 |
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| 1 | reserved | 保留,填 0 |
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| 2–7 | keycodes[6] | 最多 6 个同时按下的键,通常仅用 keycodes[0] |
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```c
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#define HID_MOD_LCTRL 0x01
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#define HID_MOD_LSHIFT 0x02
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#define HID_MOD_LALT 0x04
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#define HID_MOD_LGUI 0x08 /* Win / Command */
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typedef struct __attribute__((packed)) {
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uint8_t modifier;
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uint8_t reserved;
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uint8_t keycodes[6];
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} hid_keyboard_report_t;
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```
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### 3.2 发送组合键流程
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组合键必须发送 **按下** 与 **释放** 两帧,否则 OS 认为键仍按住:
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```text
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1. report = { modifier, 0, keycode, 0, 0, 0, 0, 0 }
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2. delay 20–50 ms
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3. report = { 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 } /* 全零 = 释放 */
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```
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示例:`Ctrl+C`
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```text
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按下:modifier=0x01, keycode=0x06
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释放:全零
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```
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### 3.3 常用扫描码(Keyboard/Keypad Page 0x07)
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| 键 | keycode |
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|----|---------|
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| C | `0x06` |
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| S | `0x16` |
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| D | `0x07` |
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| F5 | `0x3E` |
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| Enter | `0x28` |
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完整表见 [USB HID Usage Tables](https://www.usb.org/sites/default/files/documents/hut1_3_0.pdf)。
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### 3.4 Report Map
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**不要手写**。从 ESP-IDF 官方 HID 示例复制 `report_map[]` 字节数组:
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```powershell
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cd C:\esp\v6.0.1\esp-idf\examples\bluetooth\nimble
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dir /s /b *hid*
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```
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## 4. 对外 API 规格
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### 4.1 `ble_hid.h`
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```c
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#pragma once
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#include <stdint.h>
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#include <stdbool.h>
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int ble_hid_init(void);
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bool ble_hid_ready(void);
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int ble_hid_key_press(uint8_t modifier, uint8_t keycode);
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int ble_hid_key_release(void);
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int ble_hid_send_combo(uint8_t modifier, uint8_t keycode);
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```
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| 函数 | 说明 |
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| `ble_hid_init` | 注册 HID GATT 服务,在 `ble_manager_init` 中调用 |
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| `ble_hid_ready` | 已连接 **且** Host 已订阅 Report Notify |
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| `ble_hid_send_combo` | 发送按下 → 延迟 → 释放,供按键/UI 调用 |
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### 4.2 `ble_manager.h`(保留)
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```c
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void ble_manager_init(void);
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void ble_manager_set_status_cb(ble_status_cb_t cb);
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bool ble_manager_is_connected(void);
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连接状态与 LED(`BOARD_PIN_LED`,GPIO16)逻辑保持不变。
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### 4.3 就绪条件
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在 `gap_event_handler` 中处理 `BLE_GAP_EVENT_SUBSCRIBE`:
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```c
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case BLE_GAP_EVENT_SUBSCRIBE:
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if (event->subscribe.attr_handle == s_hid_report_handle) {
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s_notify_enabled = event->subscribe.cur_notify;
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}
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break;
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```
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```c
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bool ble_hid_ready(void)
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{
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return s_connected && s_notify_enabled;
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}
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```
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## 5. sdkconfig 配置
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在 `sdkconfig.defaults` 或 `idf.py menuconfig` 中确认:
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```text
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CONFIG_BT_ENABLED=y
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CONFIG_BT_NIMBLE_ENABLED=y
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CONFIG_BT_NIMBLE_ROLE_PERIPHERAL=y
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# Windows 重连稳定性
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CONFIG_BT_NIMBLE_SM_LEGACY=y
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CONFIG_BT_NIMBLE_SM_SC=y
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CONFIG_BT_NIMBLE_NVS_PERSIST=y
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```
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`ble_manager_init` 中 Security Manager:
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```c
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ble_hs_cfg.sm_io_cap = BLE_HS_IO_NO_INPUT_OUTPUT; /* Just Works */
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ble_hs_cfg.sm_bonding = 1;
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|
ble_hs_cfg.sm_sc = 1;
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```
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保留 `ble_store_config_init()` 以持久化 bonding 信息。
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可选(配置通道 / 较大 payload):
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```text
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CONFIG_BT_NIMBLE_ATT_PREFERRED_MTU=256
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```
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若后续启用 WiFi + BLE 共存:
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```text
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CONFIG_ESP_COEX_ENABLED=y
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```
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修改后执行:
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```powershell
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idf.py fullclean
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idf.py reconfigure
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idf.py build
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## 6. 实现步骤
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### 阶段 0:准备与基线
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| 步骤 | 内容 |
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| 0.1 | 在 `$IDF_PATH/examples/bluetooth/nimble/` 找到 HID demo,单独编译烧录 |
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| 0.2 | Windows 配对 demo,在记事本验证能输入字符 |
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| 0.3 | 确认本工程 ESP-IDF 6.0.1、`IDF_TARGET=esp32s3`、NimBLE 已启用 |
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**策略选择:**
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- **阶段一**:删除现有 `0xFFF0/0xFFF1` 自定义服务,仅保留 HID(最快跑通)
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- **阶段二**:HID + 恢复 `0xFFF0` 配置服务(网页 / Web BLE)
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### 阶段 1:新增 `ble_hid.c`
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1. 从 IDF demo 迁移 Report Map、HID GATT 服务定义
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2. 实现 `ble_hid_init()`:注册 GATT 服务,保存 `s_hid_report_handle`
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3. 实现 `ble_hid_send_report()`:`ble_gatts_notify_custom()`
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4. 实现 `ble_hid_send_combo()`:press → `vTaskDelay(20ms)` → release
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5. 在 `CMakeLists.txt` 添加 `"services/ble_hid.c"`
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### 阶段 2:改造 `ble_manager.c`
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1. 移除现有 `0xFFF0/0xFFF1` 自定义 GATT(阶段一)
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2. `gatt_svc_init()` 替换为 `ble_hid_init()`
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3. 广播增加 `0x1812` 服务 UUID
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4. `gap_event_handler` 增加 `BLE_GAP_EVENT_SUBSCRIBE` 处理
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5. 保留连接 / 断开 / 重广播 / LED 逻辑
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初始化顺序:
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```c
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nimble_port_init();
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ble_svc_gap_init();
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|
ble_svc_gap_device_name_set(BLE_DEVICE_NAME);
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||||||
|
ble_hid_init();
|
||||||
|
ble_hs_cfg.sync_cb = on_stack_sync;
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||||||
|
ble_hs_cfg.reset_cb = on_stack_reset;
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||||||
|
ble_hs_cfg.sm_io_cap = BLE_HS_IO_NO_INPUT_OUTPUT;
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||||||
|
ble_hs_cfg.sm_bonding = 1;
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|
ble_hs_cfg.sm_sc = 1;
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||||||
|
ble_store_config_init();
|
||||||
|
nimble_port_freertos_init(nimble_host_task);
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|
```
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|
### 阶段 3:按键触发(最小验证)
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在 `app_main.c` 中:
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```c
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#include "boot_button.h"
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|
#include "ble_hid.h"
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static void on_boot_press(void)
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{
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|
if (ble_hid_ready()) {
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ble_hid_send_combo(HID_MOD_LCTRL, HID_KEY_C);
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||||||
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} else {
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|
ESP_LOGW("app", "HID not ready");
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||||||
|
}
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||||||
|
}
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||||||
|
|
||||||
|
/* ble_manager_init() 之后 */
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||||||
|
boot_button_init(on_boot_press);
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||||||
|
```
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||||||
|
**验证顺序:**
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|
1. 烧录,串口确认 `advertising as "HeavenlyHeroStar"`
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|
2. Windows:设置 → 蓝牙 → 添加设备 → 配对键盘
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3. 打开记事本并聚焦
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|
4. 按 BOOT:验证快捷键(建议先用 F5 等可见效果)
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### 阶段 4:NVS 快捷键表
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#### 4.1 数据结构
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```c
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typedef struct {
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uint8_t source; /* 0=BOOT, 1=KEY(GPIO4), 2+=UI slot */
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||||||
|
uint8_t modifier;
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||||||
|
uint8_t keycode;
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||||||
|
uint8_t reserved;
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||||||
|
} shortcut_entry_t;
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||||||
|
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||||||
|
#define SHORTCUT_MAX 16
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|
```
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||||||
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||||||
|
#### 4.2 存储
|
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|
```text
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||||||
|
NVS namespace: "shortcuts"
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|
Key: "map"
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Format: shortcut_entry_t[SHORTCUT_MAX] blob
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```
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|
||||||
|
启动时加载;无有效数据时使用默认映射(例如 BOOT → F5)。
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#### 4.3 触发
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```c
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|
shortcut_entry_t *e = shortcut_find(SOURCE_BOOT);
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||||||
|
if (e && ble_hid_ready()) {
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||||||
|
ble_hid_send_combo(e->modifier, e->keycode);
|
||||||
|
}
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||||||
|
```
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||||||
|
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||||||
|
### 阶段 5:网页 / 配置通道(后续)
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|
||||||
|
| 方式 | 通道 | 说明 |
|
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|------|------|------|
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||||||
|
| WiFi SoftAP + HTTP | `esp_http_server` | PC/手机浏览器 POST 配置,需 `BOARD_WIFI_ENABLED=1` |
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| Web Bluetooth | 自定义 GATT `0xFFF0` Write | 无需 WiFi,需 Chrome/Edge |
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||||||
|
| 屏上 LVGL UI | 本地 | 已有触摸屏,可不依赖网页 |
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||||||
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||||||
|
网页仅写入 NVS;运行时仍通过 HID 发送,PC 无需安装程序。
|
||||||
|
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---
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|
## 7. 与现有代码对应关系
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||||||
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||||||
|
| 现有 | HID 实施后 |
|
||||||
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|------|------------|
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||||||
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| `0xFFF0/0xFFF1` Read/Write | 阶段一删除;阶段二改为配置专用 |
|
||||||
|
| `chr_access()` | 移至配置服务或删除 |
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||||||
|
| `ble_manager_is_connected()` | 保留 |
|
||||||
|
| `notify_status()` + LED | 保留 |
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| Notify 方案 `ble_manager_send()` | 替换为 `ble_hid_send_combo()` |
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| `boot_button.c` | 已具备框架,`app_main` 中注册回调 |
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| `BOARD_WIFI_ENABLED=0` | 网页配置阶段再启用 |
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## 8. Windows 联调清单
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| 现象 | 可能原因 | 处理 |
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| 搜不到设备 | 广播未含 `0x1812` | 检查 adv fields |
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| 能连上但无按键 | 未订阅 Notify | 查 `BLE_GAP_EVENT_SUBSCRIBE`、`ble_hid_ready()` |
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| 键一直按住 | 未发 release 报告 | 发送全零 8 字节 report |
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| 配对后难重连 | bonding 未持久化 | 确认 `ble_store_config_init()`、NVS |
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| 部分键无效 | 扫描码错误 | 对照 HID Usage Table |
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| 连接后很快断开 reason=531 | 远端主动断开 | 531 = Remote User Terminated;完成配对后再测 |
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| 安全软件拦截 | 蓝牙键盘权限 | 检查杀毒 / 企业策略 |
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## 9. 里程碑
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| 编号 | 交付物 | 验收标准 |
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| **M1** | IDF HID demo 独立跑通 | Windows 配对,记事本可输入 |
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| **M2** | `ble_hid.c` 迁入工程 | 替换自定义 GATT,编译通过 |
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| **M3** | BOOT → `ble_hid_send_combo` | 记事本 / 浏览器验证 F5 或 Ctrl+C |
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| **M4** | NVS 快捷键表 | 多按键 / UI 槽位可配置 |
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| **M5** | 配置通道(GATT 或 WiFi 网页) | 浏览器修改映射,重启后仍生效 |
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建议严格按 M1 → M5 顺序推进,避免同时调试 HID、NVS、网页。
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## 10. 风险与约束
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1. **HID 不能承载配置协议**:网页改映射必须走 NVS + 独立配置通道。
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2. **配对与配置是两件事**:用户需先在 OS 中配对键盘,配置页单独访问。
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3. **安全**:配对后设备可向任意焦点窗口输入;丢失设备需用户在系统中删除配对。
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4. **资源**:ESP32-S3 + LVGL + BLE HID 可行;若 NimBLE host 任务栈不足需调大。
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5. **WiFi + BLE 共存**:启用网页配置时需额外验证射频共存与内存。
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## 11. 参考
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- ESP-IDF 路径:`C:\esp\v6.0.1\esp-idf\examples\bluetooth\nimble\*hid*`
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- 工程 BLE 入口:`main/services/ble_manager.c`
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- 板级 GPIO:`main/bsp/board_config.h`(BOOT=GPIO0, KEY=GPIO4, LED=GPIO16)
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- USB HID Usage Tables:Keyboard/Keypad Page (0x07)
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## 修订记录
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| 版本 | 日期 | 说明 |
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| 1.0 | 2026-07-01 | 初版:BLE HID 实现步骤与架构规格 |
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Reference in New Issue
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