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安卓蓝牙开发（1）BLE蓝牙基础知识和一般开发流程_安卓蓝牙开发(1)ble蓝牙基础知识和一般开发流程

作者：小丑西瓜9 | 2024-05-07 12:34:42

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安卓蓝牙开发(1)ble蓝牙基础知识和一般开发流程

一、BLE（Bluetooth Low Energy）低功耗蓝牙基本知识

Android 4.3（API级别18）引入了以低功耗蓝牙（BLE）为中心角色的内置平台支持，并提供应用程序可用于发现设备，查询服务和传输信息的API

常见用例包括以下内容：

  • 在附近的设备之间传输少量的数据
  • 与Google Beacons等接近传感器进行互动，为用户提供基于当前位置的定制体验。

传统蓝牙可以用于数据量比较大的传输，如语音，音乐，较高数据量传输等，但是比较耗电，低功耗蓝牙这样应用于实时性要求比较高，功耗比较低，但是数据速率比较低的产品，如遥控类的，如鼠标，键盘，遥控鼠标(Air Mouse)，传感设备的数据发送，如心跳带，血压计，温度传感器等。

1. GATT 和 ATT

GATT协议

（1）通用属性配置文件 Generic Attribute Profile（GATT）：GATT配置文件是通过BLE链接发送和接收被称为“属性”的短小数据的通用规范。目前所有的低能耗应用程序都基于GATT。

  • 蓝牙SIG为低能耗设备定义了许多配置文件。 配置文件是设备如何在特定应用程序中工作的规范。 请注意，设备可以实现多个配置文件。 例如，一个设备可以包含一个心率监测器和一个电池电量检测器。

  • 可以把他看成xml来理解：

    • 每个GATT由完成不同功能的Service组成；
    • 每个Service由不同的Characteristic组成；

    • 每个Characteristic由一个value和一个或者多个Descriptor组成；

Service、Characteristic相当于标签（Service相当于他的类别，Characteristic相当于它的名字），而value才真正的包含数据，Descriptor是对这个value进行的说明和描述，当然我们可以从不同角度来描述和说明，因此可以有多个Descriptor.

1. Service  的UUID： 设备中每一个不同的 Service 都有一个 128 bit 的 UUID 作为这个 Service 的独立标志。蓝牙核心规范制定了两种不同的UUID，一种是基本的UUID，一种是代替基本UUID的16位UUID。所有的蓝牙技术联盟定义UUID共用了一个基本的UUID：0x0000xxxx-0000-1000-8000-00805F9B34FB

2. 每一个 Characteristic 也有一个唯一的 UUID 作为标识符

举一个简单的例子进行说明：

常见的小米手环是一个BLE设备，（假设）它包含三个Service,分别是提供设备信息的Service、提供步数的Service、检测心率的Service;
设备信息的service中包含的characteristic包括厂商信息、硬件信息、版本信息等；

心率Service则包括心率characteristic等，心率characteristic中的value则真正的包含心率的数据，而descriptor则是对该value的描述说明，比如value的单位啊，描述啊，权限啊等。

 

（2）属性协议 Attribute Protocol（ATT）：GATT建立在属性协议（ATT）之上。 这也被称为GATT / ATT。 ATT经过优化，可在BLE设备上运行。 为此，它使用尽可能少的字节。 每个属性由一个通用唯一标识符（UUID）唯一标识，该标识符是用于唯一标识信息的字符串ID的标准化128位格式。 ATT传输的属性被格式化为特征和服务。

  • 特性 Characteristic： 特性包含描述特性值的单个值和0-n个描述符。一个特征可以被认为是一个类，类似于一个阶级，是最小的数据逻辑单元。
  • 描述符 Descriptor： 描述符是描述特征值的定义属性。 例如，一个描述符可以指定一个可读的描述，一个特征值的可接受范围，或者一个特征值特有的度量单位。value、descriptor中存储数据的解析由Server的工程师决定，并无规范，双发按照约定开发。
  • 服务 Service： 服务是一个特征的集合。 例如，您可以拥有一个名为“心率监测器”的服务，其中包含“心率测量”等特性。 您可以在bluetooth.org上找到现有基于GATT的配置文件和服务的列表。Service/Characteristic均有一个唯一的UUID标识，UUID既有16位的也有128位的，我们需要了解的是16位的UUID是经过蓝牙组织认证的，是需要购买的，当然也有一些通用的16位UUID。例如Heart Rate服务的UUID就是0X180D,代码中表示为0X00001800-0000-1000-8000-00805f9b34fb,其他位为固定的。而128位的UUID则可以自定义。

在 Android 开发中，建立蓝牙连接后，我们说的通过蓝牙发送数据给外围设备就是往这些 Characteristic 中的 Value 字段写入数据；外围设备发送数据给手机就是监听这些 Charateristic 中的 Value 字段有没有变化，如果发生了变化，手机的 BLE API 就会收到一个监听的回调。 

2. 角色（Roles）和责任（Responsibilities）

Android设备与BLE设备交互时适用的角色和职责：

  • 中央（Central） 与 周边（Peripheral）。这适用于BLE连接本身。处于中心角色的设备扫描，寻找广告，并且在外围角色中的设备进行广告。
  • GATT服务器 与 GATT客户端。这决定了两台设备在建立连接后如何相互通话。

 

为了理解这个区别，假设你有一个Android手机和一个BLE设备的活动追踪器。 手机支持中心角色; 活动跟踪器支持外设角色（建立一个BLE连接，你需要每两个事物中只有一个支持外围设备的人不能彼此交谈，也不能只支持两个事物）。

一旦手机和活动追踪器建立了连接，他们就开始将GATT元数据转移到另一个。根据他们传输的数据的种类，其中一个或另一个可能充当服务器。例如，如果活动跟踪器想要将传感器数据报告给电话，则活动跟踪器可以充当服务器。如果活动跟踪器想要从手机接收更新，那么手机作为服务器可能是有意义的。

在本文档中使用的示例中，Android应用程序（在Android设备上运行）是GATT客户端。该应用程序从GATT服务器获取数据，GATT服务器是支持心率档案的BLE心率监测器。但你也可以设计你的Android应用程序来扮演GATT服务器的角色。

二、安卓BLE开发流程

首先要判断当前的Android设备是否支持蓝牙，如果支持则再判断当前蓝牙是否处于开启状态，如果未开启则发送广播通知系统开启蓝牙，蓝牙开启后开始搜索周围的蓝牙设备，注意搜索一定要设置超时处理，搜索到指定蓝牙设备后停止搜索任务。

此时可以以列表的形式供用户选择需要连接的设备，或者内部自动连接特定的设备，连接成功后，搜索此蓝牙设备提供的服务（特性、描述符的集合），搜索完成后设置一些对应的参数，即可与蓝牙设备进行通信了

1. 相关的API

我们在开发过程中需要用到的一些API：

  • 1.BluetoothAdapter

本地蓝牙适配器，用于一些蓝牙的基本操作，比如判断蓝牙是否开启、搜索蓝牙设备等。

  • 2.BluetoothDevice

蓝牙设备对象，包含一些蓝牙设备的属性，比如设备名称、mac地址等。

  • 3.BluetoothProfile

一个通用的蓝牙规范，设备之间按照这个规范来收发数据。

  • 4.BluetoothGatt

蓝牙通用属性协议，定义了BLE通讯的基本规则，是BluetoothProfile的实现类，Gatt是Generic Attribute Profile的缩写，用于连接设备、搜索服务等操作。

  • 5.BluetoothGattCallback

蓝牙设备连接成功后，用于回调一些操作的结果，必须连接成功后才会回调。

  • 6.BluetoothGattService

蓝牙设备提供的服务，是蓝牙设备特征的集合。

  • 7.BluetoothGattCharacteristic

蓝牙设备特征，是构建GATT服务的基本数据单元。

  • 8.BluetoothGattDescriptor

蓝牙设备特征描述符，是对特征的额外描述。

我们可以将上述几个类的关系比喻为：BluetoothDevice为学校，BluetoothGatt为学校到达某一个班级的通道，BluetoothCattService为学校的某一个班级，BluetoothCattCharacteristic为班级中的某一个学生。那么蓝牙连接通信的过程就是这样，BluetoothAdapter先找到学校（就是连接目的设备），再通过通道找到目标班级，最后从班级中找到目标学生，这个学生就是我们设备之间通信的中介，很重要，学校有唯一的MAC地址，班级有唯一的serviceUUID，学生有唯一的charactersticUUID（相当于学号），所以就是在一所学校找一个学生的问题。

2. 操作流程

（1）打开所需要的权限

在 Android 6.0 及以上，还需要打开位置权限。如果应用没有位置权限，蓝牙扫描功能不可用，即扫描不到BLE设备，但其它蓝牙操作例如连接蓝牙设备和写入数据不受影响。

  1. <!-- 通用蓝牙权限 -->
  2. <uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH"/>
  3. <uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH_ADMIN"/>
  4.  
  5. <!-- 位置权限 -->
  6. <uses-permission android:name="android.permission.ACCESS_COARSE_LOCATION"/>

（2）获取 BluetoothAdapter

BluetoothAdapter是任何和所有的蓝牙活动所必需的。 BluetoothAdapter代表设备自己的蓝牙适配器（蓝牙无线电）。整个系统有一个蓝牙适配器，您的应用程序可以使用这个对象与它进行交互。下面的代码展示了如何获取适配器。请注意，此方法使用getSystemService（）返回 BluetoothManager 的实例，然后用于获取适配器。 Android 4.3（API Level 18）介绍了BluetoothManager：

  1. private BluetoothAdapter mBluetoothAdapter;
  2. ...
  3. // Initializes Bluetooth adapter.
  4. final BluetoothManager bluetoothManager =
  5.         (BluetoothManager) getSystemService(Context.BLUETOOTH_SERVICE);
  6. mBluetoothAdapter = bluetoothManager.getAdapter();

（3）启动蓝牙

调用isEnabled（）来检查当前是否启用了蓝牙。如果此方法返回false，则蓝牙被禁用。

以下片段检查是否启用了蓝牙。如果不是，该片段会显示一个错误，提示用户转到设置以启用蓝牙：

  1. // Ensures Bluetooth is available on the device and it is enabled. If not,
  2. // displays a dialog requesting user permission to enable Bluetooth.
  3. if (mBluetoothAdapter == null || !mBluetoothAdapter.isEnabled()) {
  4.     Intent enableBtIntent = new Intent(BluetoothAdapter.ACTION_REQUEST_ENABLE);
  5.     startActivityForResult(enableBtIntent, REQUEST_ENABLE_BT);
  6. }

注意：
传递给 startActivityForResult（android.content.Intent，int）的REQUEST_ENABLE_BT常量是系统在onActivityResult（int，int，android.content）中返回给您的本地定义的整数（它必须大于0））实现作为requestCode参数。

（4）查找蓝牙设备

要查找BLE设备，请使用startLeScan（）方法。 此方法将BluetoothAdapter.LeScanCallback作为参数。 您必须实现此BluetoothAdapter.LeScanCallback，因为这是如何返回扫描结果。 由于扫描耗电量大，您应遵守以下准则:

  • 一旦找到所需的设备，请停止扫描
  • 切勿扫描循环，并在扫描上设置时间限制。以前可用的设备可能已移出范围，并继续扫描电池电量。

以下片段显示了如何启动和停止扫描：

  1. /**
  2.  * Activity for scanning and displaying available BLE devices.
  3.  */
  4. public class DeviceScanActivity extends ListActivity {
  5.  
  6.     private BluetoothAdapter mBluetoothAdapter;
  7.     private boolean mScanning;
  8.     private Handler mHandler;
  9.  
  10.     // Stops scanning after 10 seconds.
  11.     private static final long SCAN_PERIOD = 10000;
  12.     ...
  13.     private void scanLeDevice(final boolean enable) {
  14.         if (enable) {
  15.             // Stops scanning after a pre-defined scan period.
  16.             mHandler.postDelayed(new Runnable() {
  17.                 @Override
  18.                 public void run() {
  19.                     mScanning = false;
  20.                     mBluetoothAdapter.stopLeScan(mLeScanCallback);
  21.                 }
  22.             }, SCAN_PERIOD);
  23.  
  24.             mScanning = true;
  25.             mBluetoothAdapter.startLeScan(mLeScanCallback);
  26.         } else {
  27.             mScanning = false;
  28.             mBluetoothAdapter.stopLeScan(mLeScanCallback);
  29.         }
  30.         ...
  31.     }
  32. ...
  33. }

如果只想扫描特定类型的外设，则改为调用startLeScan（UUID []，BluetoothAdapter.LeScanCallback），提供指定您的应用程序支持的GATT服务的UUID对象数组。

以下是BluetoothAdapter.LeScanCallback的一个实现，它是用于传递BLE扫描结果的接口：

  1. private LeDeviceListAdapter mLeDeviceListAdapter;
  2. ...
  3. // Device scan callback.
  4. private BluetoothAdapter.LeScanCallback mLeScanCallback =
  5.         new BluetoothAdapter.LeScanCallback() {
  6.     @Override
  7.     public void onLeScan(final BluetoothDevice device, int rssi,
  8.             byte[] scanRecord) {
  9.         runOnUiThread(new Runnable() {
  10.            @Override
  11.            public void run() {
  12.                mLeDeviceListAdapter.addDevice(device);
  13.                mLeDeviceListAdapter.notifyDataSetChanged();
  14.            }
  15.        });
  16.    }
  17. };

（5）读取设备BLE信息

一旦你的Android应用程序连接到GATT服务器并发现服务，它就可以在支持的地方读取和写入属性。例如，这个代码片段遍历服务器的服务和特性，并在UI中显示它们：

  1. public class DeviceControlActivity extends Activity {
  2.     ...
  3.     // （演示）Demonstrates how to （遍历）iterate through the supported GATT
  4.     // Services/Characteristics.
  5.     // In this sample, we （填充）populate the data structure that is bound to the
  6.     // ExpandableListView on the UI.
  7.     private void displayGattServices(List<BluetoothGattService> gattServices) {
  8.         if (gattServices == null) return;
  9.         String uuid = null;
  10.         String unknownServiceString = getResources().
  11.                 getString(R.string.unknown_service);
  12.         String unknownCharaString = getResources().
  13.                 getString(R.string.unknown_characteristic);
  14.         ArrayList<HashMap<String, String>> gattServiceData =
  15.                 new ArrayList<HashMap<String, String>>();
  16.         ArrayList<ArrayList<HashMap<String, String>>> gattCharacteristicData
  17.                 = new ArrayList<ArrayList<HashMap<String, String>>>();
  18.         mGattCharacteristics =
  19.                 new ArrayList<ArrayList<BluetoothGattCharacteristic>>();
  20.  
  21.         // Loops through available GATT Services.
  22.         for (BluetoothGattService gattService : gattServices) {
  23.             HashMap<String, String> currentServiceData =
  24.                     new HashMap<String, String>();
  25.             uuid = gattService.getUuid().toString();
  26.             currentServiceData.put(
  27.                     LIST_NAME, SampleGattAttributes.
  28.                             lookup(uuid, unknownServiceString));
  29.             currentServiceData.put(LIST_UUID, uuid);
  30.             gattServiceData.add(currentServiceData);
  31.  
  32.             ArrayList<HashMap<String, String>> gattCharacteristicGroupData =
  33.                     new ArrayList<HashMap<String, String>>();
  34.             List<BluetoothGattCharacteristic> gattCharacteristics =
  35.                     gattService.getCharacteristics();
  36.             ArrayList<BluetoothGattCharacteristic> charas =
  37.                     new ArrayList<BluetoothGattCharacteristic>();
  38.            // Loops through available Characteristics.
  39.             for (BluetoothGattCharacteristic gattCharacteristic :
  40.                     gattCharacteristics) {
  41.                 charas.add(gattCharacteristic);
  42.                 HashMap<String, String> currentCharaData =
  43.                         new HashMap<String, String>();
  44.                 uuid = gattCharacteristic.getUuid().toString();
  45.                 currentCharaData.put(
  46.                         LIST_NAME, SampleGattAttributes.lookup(uuid,
  47.                                 unknownCharaString));
  48.                 currentCharaData.put(LIST_UUID, uuid);
  49.                 gattCharacteristicGroupData.add(currentCharaData);
  50.             }
  51.             mGattCharacteristics.add(charas);
  52.             gattCharacteristicData.add(gattCharacteristicGroupData);
  53.          }
  54.     ...
  55.     }
  56. ...
  57. }

（6）接受GATT通知

BLE应用程序在设备上发生特定特征变化时要求收到通知是很常见的。这段代码展示了如何使用setCharacteristicNotification（）方法为特性设置通知

  1. private BluetoothGatt mBluetoothGatt;
  2. BluetoothGattCharacteristic characteristic;
  3. boolean enabled;
  4. ...
  5. mBluetoothGatt.setCharacteristicNotification(characteristic, enabled);
  6. ...
  7. BluetoothGattDescriptor descriptor = characteristic.getDescriptor(
  8.         UUID.fromString(SampleGattAttributes.CLIENT_CHARACTERISTIC_CONFIG));
  9. descriptor.setValue(BluetoothGattDescriptor.ENABLE_NOTIFICATION_VALUE);
  10. mBluetoothGatt.writeDescriptor(descriptor);

一旦为特征启用了通知，如果特性在远程设备上发生变化，则会触发onCharacteristicChanged（）回调：

  1. @Override
  2. // Characteristic notification
  3. public void onCharacteristicChanged(BluetoothGatt gatt,
  4.         BluetoothGattCharacteristic characteristic) {
  5.     broadcastUpdate(ACTION_DATA_AVAILABLE, characteristic);
  6. }

（7）关闭蓝牙

一旦您的应用程序使用BLE设备，应该调用close（），以便系统可以正确释放资源：

  1. public void close() {
  2.     if (mBluetoothGatt == null) {
  3.         return;
  4.     }
  5.     mBluetoothGatt.close();
  6.     mBluetoothGatt = null;
  7. }

 

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