安卓 BLE 开发详解

作者: 七零八落问号 | 来源:发表于2018-04-17 18:10 被阅读169次

1：GATT 协议

GATT概述
GATT（Generic Attributes，通用属性协议），定义了一种面向 BLE设备的分层数据结构。
GATT建立在ATT（ Attribute Protocol，通用访问协议）之上，ATT使用GATT数据定义两个BLE设备间收发标准消息的方式。
由于 GATT 是面向 LE 技术的协议，所以在只支持 BR/EDR 技术的设备上无法使用。
GATT分层数据结构的层次

GATT定义了用于BLE设备传输数据的标准数据结构，结构主要包括了如上图所示的：
1.服务（Service）
2.特征（Characteristic）
3.描述符（Descriptor）。
配置文件（Profile）：
配置文件，GATT顶层，该由满足配置实例需要的一个或多个服务组成。
服务（Service）：
服务由特征和其他服务的引用组成，拥有固定的 UUID 作为标记值。
设备的功能主要体现在服务上，每种服务都对应着某一种功能。

可以到官网上查看服务列表 GATT Services。
通过服务列表中的 Assigned Numbers 可以获取服务的UUID。

Assigned Numbers转换成可用的服务UUID 的方法于文档 Service Discovery。
简单来说，就是：
```
  "服务的Assigned Numbers"-0000-1000-8000-00805F9B34FB
```
特征（Characteristic）：
特征是BLE通信的主体，是一个服务端和客户端共享的读写空间。
主机在从机上获取所需的信息，实际就是通过获取对应的特征的内容进行的。

特征由属性值和描述符组成：
1. 属性值
  属性值包括声明（Declaration），值（Value），一个属性值最少包括一个声明和一个值，即是属性值是特征必选的条目。
2. 描述符
  特征可以包括零到若干个描述符，可选条目。
特征信息列表可以查看官方文档 GATT Characteristics。
描述符（Descriptors）
用于表达特征的其他附加信息，如特征值的有效范围，可读性描述等信息。

其中包含了特殊的 CCCD（Client Characteristic Configuration Descriptor, Assigned Number : 0x2902）：
CCCD 可以设置服务端在对应特征值发生变化时，是否对客户端进行信息推送（直接发送信息）或提示（发送一个提示并等待回复）。
当特征包含通知能力时，CCCD为必选项。

描述符列表可以查看官方文档 GATT Descriptors。

2：Android BLE 相关 API

BluetoothAdapter
蓝牙适配器：

本地设备蓝牙适配器，提供基本蓝牙功能的工具，例如开启蓝牙发现，查询配对设备，实例化蓝牙设备链接，监听连接请求，扫描设备等。
基本上说，蓝牙适配器是进行蓝牙操作的起点。

获取BluetoothAdapter实例，在 API 18 及以上的设备，使用：
```
BluetoothManager.getAdapter
```
在API18以下设备使用以下API获取：
```
BluetoothAdapter.getDefaultAdapte
```
本类线程安全。涉及到的权限为：
```
<uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH"/> 
<uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH_ADMIN"/>
```
BluetoothDevice
远程蓝牙设备：

提供了远程蓝牙设备的基本信息，如名称，地址，类别，绑定状态等。
本质上只是对蓝牙硬件地址的简单包装。该类的实例不可修改。

一般来说，通过扫描设备的扫描结果回调中获取。
也可以直接通过以下方式获取：
```
/* 使用已知的物理地址作为参数进行连接 */
BluetoothAdapter.getRemoteDevice(address);
/* 获取已适配的蓝牙记录列表 */
BluetoothAdapter.getBondedDevices();
```
BluetoothGatt
GATT客户端，GATT协议的公共API，提供了GATT的基本功能，如实现蓝牙设备的通信。
通过扫描支持LE技术的蓝牙设备，获取到 BluetoothDevice，然后通过：
```
/* GATT连接操作的回调 */
BluetoothGattCallback mCallback;
BluetoothDevice.connectGatt(content, autoConnect, mCallback);
```
通过设置 BluetoothGattCallback 回调，可以从回调中得到 BluetoothGatt 实例。

BluetoothGattCallback
GATT状态回调，大部分GATT操作的结果都会通过该类实例回调，包括：

/* 连接状态回调，包括连接到服务器 / 从服务器断开连接 */
onConnectionStateChange();
/* 远程设备发现新服务 */
onServicesDiscovered();
/* 特征相关操作的回调 */
onCharacteristicRead();
onCharacteristicWrite();
onCharacteristicChanged();

同时，扫描设备和停止扫描的操作，都需要用到该类的实例。

BluetoothGattService
GATT服务，根据服务的 UUID，尝试获取服务实例。

/* 如果对应的设备支持该服务，则返回一个服务的实例，否则返回空 */
BluetoothGatt.getService(uuid);

BluetoothGattCharacteristic
GATT特征，实际通信中的数据信息主体。通过以下方法获取：

/* 获取对应UUID的特征 */
BluetoothGattService.getCharacteristic(uuid);
/* 获取服务的特征列表 */
BluetoothGattService.getCharacteristics();

3：Android BLE 开发示例

声明权限

一个声明和两个基本权限：

<uses-feature android:name"android.permission.BLUETOOTH_ADMIN"/>

<uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH"/> 
<uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH_ADMIN"/>

执行搜索BLE设备的时候，需要使用定位权限。
而在5.0及以上的版本，需要手动声明GPS硬件模块功能的权限：

<uses-feature android:name="android.hardware.location.gps"/>

而在6.0及以上版本，扫描设备还需要 动态申请 以下权限：

<uses-permission android:name="android.permission.ACCESS_COARSE_LOCATION"/>

检查设备支持性
如果设备不支持BLE，可以跳过BLE相关操作了。

boolean checkSupport() {
    return getPackageManager()
              .hasSystemFeature(PackageManager.FEATURE_BLUETOOTH_LE);
}

初始化BluetoothAdapter

private BluetoothAdapter mAdapter;

BluetoothManager bluetoothManager = 
    (BluetoothManager) getSystemService(Context.BLUETOOTH_SERVICE);
mAdapter = bluetoothManager.getAdapter();

然后检查蓝牙的支持性，及是否已打开蓝牙。

if (mAdapter == null) {
    return;
}

... private final static int REQUEST_ENABLE_BT = 1;

if (!mAdapter.isEnabled()) {
    Intent intent = new Intent(BluetoothAdapter.ACTION_REQUEST_ENABLE);
    startActivityForResult(intent, REQUEST_ENABLE_BT);
}

启动设备扫描

创建LeScanCallback实例：
首先需要实现一个 LeScanCallback 实例，扫描结果会通过实例的 onLeScan 方法返回：

LeScanCallback mCallBack = new LeScanCallback (){ 
     @Override
     public void onLeScan(BluetoothDevice device, int rssi, byte[] scanRecord) {}
}

启动扫描与停止扫描：

··· static int SCAN_TIME = 5_000;
··· Handler mHandler = new Handler();

/* 开始扫描：
   由于扫描消耗电量，所以不能一直处于扫描状态，
   设置扫描一段时间后关闭扫描 */
mAdapter.startLeScan(mCallBack);
mHandler.postDelay(()->{

   /* 关闭扫描：
    * 注意需要传入启动扫描时的 callback对象，否则无效 */
   mAdapter.stopLeScan(mCallBack);
}, SCAN_TIME);

在 API 21 及以上时，扫描操作应使用 BluetoothLeScanner：

final ScanCallback callback = new ScanCallback() {};
final BluetoothLeScanner scanner = mAdapter.getBluetoothLeScanner();

scanner.startScan(new ScanCallback(){});
mHandler.postDelay(()->{
   scanner.stopScan(scanCallback);
}, SCAN_TIME);

获取扫描结果
以 LeScanCallback 的回调方法 onLeScan 分析：

 /**
  * @param device：    识别到的远程设备
  *
  * @param rssi：      信号强度指示，计数为dB。可以通过：
                       d = 10^((abs(RSSI) - A) / (10 * n)) 
                       计算出距离。A和n根据环境改变，需经实验测出，
                       给出两个网上的经验值：
                       <1>  A: 50 n: 2.5    <2>  A: 59 n: 2.0
  *
  * @param scanRecord：广播数据和扫描应答数据数据
                       BLE设备在对外广播中，广播中会携带一些有用的信息。
                       其中包含了 广播数据 和 扫描应答数据，
                       两者有效荷载最大都为 31字节（蓝牙4），
                       以十六进制格式存储，可通过 bytesToHex 转换成可用的字符串。
  */
 void onLeScan(BluetoothDevice device, int rssi, byte[] scanRecord) {}

注意相同的 BluetoothDevice 会重复出现在回调中，所以如果要记录蓝牙列表，需要自行过滤重复出现的设备，或更新对应重复出现的设备的信息。
bytesToHex 参考

连接外围设备
通过 BluetoothDevice 的 connectGatt 方法获取一个 BluetoothGatt 实例。
connectGatt 有多个重载方法，这里介绍其中最复杂的重载方法：

 /**
  * 以客户端的身份连接到该设备托管的GATT服务器
  *
  * @param autoConnect：自动连接，设备不可用时会不断尝试重连。
  *
  * @param callback：   BluetoothGattCallback实例，用于接收异步回调
  *
  * @param transport：  GATT连接到双模设备的首选传输模式：
  *                     1：TRANSPORT_AUTO   自动选择 （默认值）
  *                     2：TRANSPORT_BREDR  BR/EDR 传统蓝牙
  *                     3：TRANSPORT_LE     LE 低耗蓝牙
  *
  * @param phy：        PHY物理层的模式选择：
  *                     1：PHY_LE_1M_MASK：
  *                        默认值，LE设备强制要求支持的模式，
  *                        符号速率为1M/s，未编码。
  *                     2：PHY_LE_2M_MASK：
  *                        符号速率为2M/s，未编码，
  *                        用于 蓝牙5 的 "2x speed" 2倍速率。
  *                     3：PHY_LE_CODED_MASK：
  *                        在数据包中增加纠错编码以实现更远的传输范围，
  *                        以实现 蓝牙5 的 "4x range" 4倍范围。
  *                        使用FEC编码，根据方案又分为：
  *                        LE Coded S=2：2个编码位代替原来一个数据位，
  *                                      速率降为 500K/s，传输范围增大2倍；
  *                        LE Coded S=8：8个编码位代替原来一个数据位，
  *                                      速率降为 125K/s，传输范围增大4倍；
  *                     设置 autoConnect 自动连接时，该项无效
  *
  * @param handler：    传入一个Handler，以指定回调发生的线程，
  *                     传入null时，回调将会在一个未指定的后台线程上进行。
  */
 BluetoothGatt connectGatt(Context context,
                           boolean autoConnect,
                           BluetoothGattCallback callback, 
                           int transport, int phy,
                           Handler handler) { ··· }

一般情况下使用默认值既可，
注意必须传入非空的callback，否则会抛出 IllegalArgumentException：

BluetoothDevice.connectGatt(content, autoConnect, callback);

当连接成功时，会回调 callback 的 onConnectionStateChange 方法

/**
 * GATT客户端的连接状态回调
 *
 * @param gatt：    GATT客户端。
 * @param status：  连接或断开操作的执行结果, 成功返回 GATT_SUCCESS
 * @param newState：当前的连接状态：STATE_CONNECTED / STATE_DISCONNECTED
 */
void onConnectionStateChange(BluetoothGatt gatt, int status, int newState);

status 表示连接操作的结果，只有status为 GATT_SUCCESS 时，newState才是有效值。

注意一台安卓设备最多同时连接6个左右的蓝牙设备，超出时可能出现：
status == 133 连接错误，
所以需要注意调用 BluetoothGatt.close() 方法进行资源释放。
可参考：Android中BLE连接出现“BluetoothGatt status 133”的解决方法

当 status == GATT_SUCCESS，且 newState == STATE_CONNECTED 时，表示已成功连接设备，可以进行下一步操作。

发现服务
在建立连接之后，就可以通过 BluetoothGatt实例进行发现服务操作，查找设备支持的服务。

/**
 * 异步操作，发现服务完成时，会回调onServicesDiscovered()方法。
 * 假如发现服务已在启动状态中，则返回true
 */
boolean discoverService();

等待 BluetoothGattCallback 的 onServicesDiscovered() 被回调：

/**
 * @param gatt:   执行发现服务后的GATT客户端。
 * @param status: 发现服务的执行结果, 成功返回 GATT_SUCCESS
 */
void onServicesDiscovered(BluetoothGatt gatt, int status) ;

当 status 返回GATT_SUCCESS，表示与外部设备成功建立 可通信连接，
意味着可以执行如：写入数据，读取蓝牙设备的数据等蓝牙通信操作了。
先把获取到的 BluetoothGatt实例记录为 mGatt：

··· BluetoothGatt mGatt;

void onServicesDiscovered(BluetoothGatt gatt, int status) {
    mGatt = gatt;
}

获取服务
发现服务成功之后，可以通过以下的方法尝试获取 BluetoothGattService 实例：

/* 获取远程设备提供的服务列表，
 * 如果未执行发现服务，会返回一个空列表 */
mGatt.getServices();

/* 通过服务的UUID，获取指定的服务，
 * 如果远程设备不支持给定UUID的服务，返回null，
 * 如果远程设备存在多个给定UUID的服务实例，则返回第一个实例 */
mGatt.getService(UUID);

获取到 BluetoothGattService 之后，就可以通过获取服务的特征进行读写。

特征的读写数据
前面介绍了，通信主体实际上是特征，要进行读写操作，其实就是在操作特征里的属性词条，所以要先通过服务获取特征：

/* 假设 service 是从上一步获取到的一个 BluetoothGattService 实例*/
··· BluetoothGattService service;

/* 获取该服务的特征列表 */
service.getCharacteristics();

/* 通过特征的UUID，获取指定的特征，
 * 如果没有找到给定UUID的特征，返回null，
 * 如果服务中存在多个给定UUID的特征，则返回第一个实例 */
service.getCharacteristic(UUID);

获取到了特征之后，就可以通过上面获取到的 mGatt 读写信息：

/* 上一步获取的 BluetoothGattCharacteristic 实例 */
··· BluetoothGattCharacteristic characteristic;

/* 从关联的远程设备读取请求的特征，
 * 异步操作，请求发起成功则返回true，读取完成会回调：
 * BluetoothGattCallback.onCharacteristicRead() */
mGatt.readCharacteristic(characteristic);

/* 将给定的特征及其值写入关联的远程设备，
 * 异步操作，请求发起成功则返回true，写入完成会回调：
 * BluetoothGattCallback.onCharacteristicWrite() */
mGatt.writeCharacteristic(characteristic);

读写操作都是异步操作，方法返回的是请求是否成功，请求结果都会回调 BluetoothGattCallback 的方法：

/**
 * 读操作的回调
 * @param characteristic：  读取后的特征
 * @param status：          读取结果，成功为 GATT_SUCCESS
 */
void onCharacteristicRead(BluetoothGatt gatt, 
                          BluetoothGattCharacteristic characteristic,
                          int status) { ··· }

/**
 * 写操作的回调
 * @param characteristic：  写入后的特征
 *                          注意：这里返回的特征，为设备当前的特征, 
 *                          应该在该回调中，应对比该特征的内容是否符合期望值，
 *                          如果与期望值不同，应该选择重发或终止写入。                    
 * 
 * @param status：          写入结果，成功为 GATT_SUCCESS
 */
void onCharacteristicWrite(BluetoothGatt gatt, 
                          BluetoothGattCharacteristic characteristic,
                          int status) { ··· }

写数据的时候要注意，需要对比返回的特征和写入的特征，判断是否写入成功或者产生了异常，选择继续写入或者重写，或者放弃操作。

描述符的读写数据
读写方式与特征的读写方式基本一致，不再过多描述：

/* 获取描述符 */
··· BluetoothGattCharacteristic characteristic;
characteristic.getDescriptors();
characteristic.getDescriptor(UUID);

/* 通过 mGatt 读写数据
 * 同样，写操作需要做写入结果校验 */
··· BluetoothGattDescriptor descriptor;
mGatt.readDescriptor(descriptor);
mGatt.writeDescriptor(descriptor);

/* 结果回调 */
void onDescriptorRead(BluetoothGatt gatt,
                       BluetoothGattDescriptor descriptor,
                       int status) { ··· }
void onDescriptorWrite(BluetoothGatt gatt,
                       BluetoothGattDescriptor descriptor,
                       int status) { ··· }

读写数据需要注意的问题

写入数据量：
每次写操作的时候，无论是特征或者描述符，一般来说最大只能设置 20个字节 的数据。
这是因为ATT协议中，最大传输单元MTU的默认大小为23字节，其中3字节用于ATT协议的控制数据，所以GATT可用的数据大小默认为剩余的20字节。

ATT的MTU最大值为512，在API 21及以上的安卓平台，可以通过以下方法尝试改变MTU的大小：
```
··· int mMtu;

/* 请求变更MTU的大小 */
BluetoothGatt.requestMtu(mMtu);

/* 请求结果通过 BluetoothGattCallback 回调 
 * 当statue返回为 GATT_SUCCESS 时，表示变更成功
 * 变更成功后，可以使用（mMtu - 3）的大小传输数据*/
public void onMtuChanged(BluetoothGatt gatt, int mtu, int status) {}
```
无法改变的时候，超过20字节的数据，进行分包发送（BLE服务端需要支持）。

读写间隔：
读写操作都是队列操作，需要等待操作结果返回后，才能进行下次操作，若当次操作未完成，下次操作调用时，将直接返回操作启用失败。

写入操作时，需等待服务器的确认信息，即写入回调，再进行下次写入操作。
当写入类型设置为不需要接收服务器确认信息（PROPERTY_WRITE_NO_RESPONSE）以加快传输速度时，两次操作之间应保留 80ms ~ 100ms 或以上的延时。

数据变更通知
前面说到ATT支持通知，一些特征在值发生变化时，可以主动向申请了监听数据变化的客户端推送通知或指示（不带数据）。
开启特征的监听，需要进行两步操作：

设置特征信息推送：

/**
 * 启用或禁用给定特征的通知或指示
 * @param characteristic:  需要进行操作的特征
 * @param enable :         开启或关闭
 */
BluetoothGatt.setCharacteristicNotification(BluetoothGattCharacteristic characteristic,
                                            boolean enable);

写入CCCD：
虽然开启了特征的信息推送，但假如特征本身禁用了通知和指示，则不会有更新推送。
前面提到了一个特殊的标识符CCCD，用于控制特征的消息推送。需要对特征的CCCD描述符进行操作，将其值置为 1 / 2，才能开启对应的通知 / 指示功能。

/* 设置特征信息推送 */
··· BluetoothGattCharacteristic characteristic;
    mGatt.setCharacteristicNotification(characteristic,true);

/* CCCD 的UUID */
private UUID ID_CCCD = UUID.fromString("00002902-0000-1000-8000-00805f9b34fb");  

/* 获取CCCD */
BluetoothGattDescriptor cccd = characteristic.getDescriptor(ID_CCCD);

/* 设置推送通知，参考值为：
 * BluetoothGattDescriptor.ENABLE_NOTIFICATION_VALUE:   通知
 * BluetoothGattDescriptor.ENABLE_INDICATION_VALUE:     指示
 * BluetoothGattDescriptor.DISABLE_NOTIFICATION_VALUE:  关闭
 */  
cccd.setValue(参考值);
/* 写入CCCD */
mGatt.writeDescriptor(descriptor);

以上操作完成后，即开启对应特征的更新推送了。

接收推送：
更新推送会回调BluetoothGattCallback的onCharacteristicChanged()方法：

/**
 * 特征变更推送触发的回调
 * @param gatt:            特征 关联的 BluetoothGatt 实例
 * @param characteristic:  更新后的 特征
 */
void onCharacteristicChanged(BluetoothGatt gatt,
                             BluetoothGattCharacteristic characteristic)

关闭客户端
~~用完的东西总是要收拾好。~~

断开连接：
```
/* 断开当前连接，如果正在连接中，则取消连接操作 */
BluetoothGatt.disconnect();
```
断开连接操作后，结果回调 onConnectionStateChange() 方法，应该通过回调返回的结果 status 和 newState 判断是否成功断开。

关闭Gatt客户端：
成功断开连接之后（甚至是断开失败），应该调用 BluetoothGatt 的close() 方法关闭客户端释放资源。
安卓同时连接远程设备的资源极其有限，在所以任何情况不再需要连接远程设备时，都要使用BluetoothGatt 的 close() 方法释放资源。

参考文章：
蓝牙技术基础知识学习
 蓝牙核心技术概述
 GATT协议及蓝牙核心系统结构
 Android BLE的总结
 Android BLE 蓝牙开发入门

更具体的蓝牙技术说明请查看官方网站
Bluetooth Technology Website

欢迎留言，欢迎关注，会持续更新安卓开发中遇到的问题和技术上的一些自我总结。
如有错误，欢迎指出。

安卓 BLE 开发详解

相关概念

1：GATT 协议

2：Android BLE 相关 API

3：Android BLE 开发示例

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