Android-BLE蓝牙原理

背景

• 蓝牙历史

  说到蓝牙，就不得不说下蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG),它负责蓝牙规范制定和推广的国际组织。如果需要开发蓝牙硬件产品，应该会和他们打交道。有些小伙伴可能只听过蓝牙1.0，蓝牙2.0，蓝牙3.0，蓝牙4.0之类的以数字结尾的蓝牙版本号。这些是以前的标准，而最新的标准中，已经不使用数字版本号来作为蓝牙版本的区分了，取而代之的就是经典蓝牙以及低功耗蓝牙。稍微提下蓝牙版本的演进过程：99年蓝牙1.0发布，后面就是蓝牙2.1。蓝牙2.1的版本使用最广，很多产品都是这个版本，也就是我们所谓的经典蓝牙，以前非智能手机也是支持这个版本的。到了蓝牙3.0，又名为高速蓝牙，在2.1的基础上大大提升了传输速度(24Mbps)。后面4.0/4.1引入了低功耗蓝牙。蓝牙5.0也已经发布。主要是在信号范围，连接速度，以及广播速度进行了优化，蓝牙5.0还对物联网方向做了单独的改进。

  Ps:可能很多人会误解蓝牙4.0就是低功耗蓝牙，但是完整的蓝牙4.0规范实际上是包含经典蓝牙和低功耗蓝牙两部分的。只是说在蓝牙4.0规范，蓝牙技术联盟才引入了BLE。

• 低功耗蓝牙--BLE

  全称是Bluetooth Low Energy，简称BLE。也就是说最大的一个特点就是低功耗了。有一些BLE设备一个纽扣电池可以使用一两年。当然所有的优点和缺点都是相对的，而BLE的对立面当然就是历史悠久的经典蓝牙了。经典传统蓝牙有3个功率级别，Class1,Class2,Class3分别支持100m,10m,1m的传输距离，一般要求至少使用两节3A电池。而且工作几天或者几周就没电了。前面说了低功耗蓝牙一个纽扣电池就可以工作一两年，3A电池的电量一般是纽扣电池的10至12倍。这是BLE的一个很大的优点，尤其是对于现在的穿戴设备以及各种物联网传感器，BLE电池的续航是一个很大的突破点。正所谓有得必有失，低功耗带来的低传输速率，当然BLE被设计的本来就是传输少量数据的，对于很多传感器设备，例如心跳带，血压计等设备，是非常适合的。

• BLE ON Android

  从Android 4.3 Jelly Bean(API 18)才开始支持低功耗蓝牙，但是仅仅是支持中心(Central)模式。所谓的中心模式，即可以连接其他蓝牙外设。直到2014.6.26 Android Lollipop的面世，才带来了周边API的支持(BluetoothLeAdvertiser)。即Android 5.0以后的手机可以作为一个外设来进行发布。Android SDK 中 BLE 相关的 API 都在 android.bluetooth.* 下面，同时在 Android 5.0 也引入了一些也需要用到 android.bluetooth.le* 下面的 API。另外，要在 APP 中使用蓝牙功能，需要在 Manifest 中申请蓝牙相关的权限。在 Android 6.0 及以上平台中，还需要申请定位权限。

协议栈

蓝牙4.1BLE协议栈的结构图如下：

<div align=center>

</div>

下面是详细介绍各个层级的含义：

1. PHY(Physical Layer):物理层，蓝牙是工作在2.4GHz附近，这是工业、科学、医疗ISM的频段，免许可证。WIFI也是工作在同一个频段。蓝牙把频段切分为40个通道，3个广播通道，37个数据通道，按照一个规律跳频通信。

2. LL(Linker Layer):链路层，用于控制设备的射频状态，设备将处于五种状态之一：等待、广告、扫描、初始化、连接。广播设备不需要建立连接就可以发送数据，而扫描设备接收广播设备发送的数据；发起连接的设备通过发送连接请求来回应广播设备，如果广播设备接受连接请求，那么广播设备与发起连接的设备将会进入连接状态。发起连接的设备称为主机，接受连接请求的设备称为从机。

3. HCI(Host Controller Interface):主机和控制器就是通过这个接口来进行同学的，通信的介质就是HCI命令。这层在协议栈中是可选的，一些小型终端可能没有，但是Android设备上肯定有，这层是蓝牙上层和芯片的交互必经之路，对于蓝牙硬件开发者，这里的log能够很好的帮助解决问题。

4. HOST部分要复杂一些，有链路控制和适配层(L2CAP),安全管理(SM)等。其中L2CAP和SM我们知道概念就可以了，这里就不多关注了。我们重点来看属性协议层，也就是ATT。它是整个BLE通信的基础。ATT负责数据封装，向外暴露为"属性",提供"属性"的为服务端，获取"属性"的为客户端。ATT是专门为BLE低功耗蓝牙而设计的传输协议，结构简单，传输数据短(后面会有提及)。

5. GATT(Generic Attribute Profile):全称叫做通用属性配置文件，是基于ATT做进一步的逻辑封装，定义数据的交互方式和含义，APP的开发其实就已经接触到这一层了。GATT按照层级定义了三个非常重要的概念:服务(Service)、特征(Characteristic)、描述(Descripter)。他们之间的关系如下：

   <div align=center>

   
   图片名称
   

   </div>

   一个Service可以包含若干个Characteristic,一个Characteristic可以包含属性(properties)和值(value),还可以包含多个descripter。Characteristic实际上具有读、写、通知等权限，我们在对一个BLE设备发起连接成功以后，对他进行读写，其实就是对Characteristic的读写或者订阅通知。图中所谓的Profile，实际上是一组服务的集合，这些服务被人组合起来就形成了一个特定的使用场景。比如说，小米手环，里面就有一个计算用户当前步数的服务。这就是这个Ble可以做的事情，也就是它的profile。

6. 第5个我们又提到一个BLE设备实际上就是一组Service的集合，那BLE蓝牙以什么来标识多个Service呢。答案就是UUID。BLE中的Service，Characteristic，Descripter都是使用UUID来作为唯一标识。所以我们在读写BLE蓝牙数据时，都要带上相应的UUID。

7. GAP(Generic Access Profile):通用访问控制配置文件。定义了BLE整个通信过程中的流程，负责处理设备访问模式和程序，包括设备发现，建立连接，终止连接，初始化安全特性，设备配置。GAP层总是作为下面四种角色之一：（1）广播者：不可连接的广播设备。(2）观察者：扫描设备，但不发起建立连接。（3）外部设备：可连接的广播设备，可以在单个链路层连接中作为从机。（4）集中器：扫描广播设备并发起连接，可以在单个链路层连接中作为主机。

应用开发

BLE应用可以分为两大类:基于非连接的和基于连接的。

基于非连接的：意思就是外设和周边设备不发生连接，外设主要依赖周边设备发出的BLE广播,也叫做Beacon。这里有两个角色，发送广播的一方叫做Broadcaster。监听广播的一方叫做Oberver。这个在蓝牙协议栈的GAP层都有相应的角色定义。

基于连接的：就是外设和周边设备要建议显式的GATT连接，需要双方有通信。这个也有两个角色，外设设备(周边)叫做Peripheral。中心设备(一般是手机)叫做Centeral。

下面就对于这两类应用做更详细的解释，其实搞懂了这些，基本上BLE蓝牙开发的整个流程及原理就搞得很清楚了。

Beacon

基于非连接的BLE应用，下面是它的网络拓扑结构：
<div align=center>

</div>

由于广播是单向的，Broadcaster向外发送广播，Observer接受广播。总体来说是多对多的关系。BLE广播中也能够带上数据，包括某些私有协议等。所以基于这种协议也是能够开发出独特的应用。完全基于广播的应用，有大名鼎鼎的iBeacon,这是苹果公司基于BLE广播实现的功能，可以实现广告推送以及室内定位。包括某些商场内部柜台寻找的功能，也是基于这种协议开发出来的。

在上图我画的设备都是单一的角色，而实际上有些设备是可以同时实现两种角色的，它即可以发送广播，也可以接受广播。想象一下，在现在比较火的智能家居系统中，有很多的传感器，如果一个设备接受到广播，做了处理以后在发送出去，就形成了一个双向的网格，是不是就有点像因特网了，这也就是有名的蓝牙Mesh。有兴趣的同学可以去看看。

关于Beacon应用里有一个很重要的点就是广播包的数据结构。数据包的格式如下图(官方图)：
<div align=center>

</div>

从图中就可以看出，每个广播数据包包含31个字节，分为有效数据以及无效数据两部分。

• 无效数据部分：因为广播包的长度必须是 31 个 byte，如果有效数据部分不到 31 自己，剩下的就用 0 补全。这部分的数据是无效的，解释的时候，忽略即可。

• 有效数据部分：包含若干个广播数据单元，称为 AD Structure。如图中所示，AD Structure 的组成是：第一个字节是长度值 Len，表示接下来的 Len 个字节是数据部分。数据部分的第一个字节表示数据的类型 AD Type，剩下的 Len - 1 个字节是真正的数据 AD data。其中 AD type 非常关键，决定了 AD Data 的数据代表的是什么和怎么解析。

我们详细来解释一下这个有效数据部分。上面的解释可能比较抽象，这里我用一个例子来解释一下：

E/TAG:scandata:02011A05FFAC0134560000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

我们只截取有效数据部分: 02011A05FFAC013456。我们按照图中的协议进行一下分隔，02 01 1A 05 FF AC013456。我们看第一个字节为02,表示后面两个字节为一段数据。第二个字节为01，表示就是数据的type。1A就是这个type的内容数据了。05 表示后面5个字节是一个数据段，FF表示一种数据type。AC013456就是数据。扫描的数据块都是通过这种协议来组织的，所以这里最重要的就是这个数据type。官方解释看这里。我稍稍做了部分整理，如下：

<div align=center>

</div>

扫描的工作流程：

<div align=center>

</div>

对于扫描的建议：1、首先，尽可能使用新的 API，功能更强大；2、尽可能少地扫描，因为毕竟扫描是一个比较重的操作，耗电，也会减慢 BLE 连接速度；3、扫描的时候，尽量设置 ScanFilter，只扫描那些你感兴趣的设备，而不是全盘扫描；4、正确使用 API，特别是合理停止扫描，防止资源泄漏，开始扫描的callback一定要和停止的callback是一个对象，防止底层句柄造成泄露。

基于连接的蓝牙应用(Connection App)

网路拓扑结构：
<div align=center>

</div>

拓扑结构比较简单，一个中心设备可以连接多个外设，但是一个外设只能连接一个中心(主要是因为连接成功以后，外设就会停止对外广播，别人则发现不了它了)。其实一个中心连接的外设设备数量也是有限的，据说是7个。原因不明，应该底层芯片做了限制。

这篇文章中我就不贴出具体的代码了(下篇介绍蓝牙连接sdk的时候会有)。先通过一个demo来了解一下GATT的结构，以求更深的理解基于连接的蓝牙应用的原理。先看下面的demo图，图里面是一个客户端连接服务端后返回的数据。

<div align=center>

</div>

图片左边的外设我一个私有服务都没写，但是蓝牙联盟预定了一些服务，分别是1801和1800。这两个都是官方指定的service。1800和1801分别表示Generic Access和Generic Attribute，描述了设备连接相关属性。有的设备(小米手环)还有1802这个官方服务，表示Immediate Alert，如果有这个服务，则说明外设设备支持即时提醒功能，如果向其中包含的Characteristic写入一个值，那么设备应当可以发出对应的响声。而右边的图，很明显多了两个私有服务，这个私有服务也只有服务提供者知道。关于这块的代码会在下一篇文章的蓝牙连接sdk中一并发出。这里只是知道原理即可。

连接的工作流程：
<div align=center>

可以看出来，BLE从连接到读写还是比较复杂的，各种回调。客户端先发起connect请求，不像读写更多的是软件来完成，connect实际上是双方芯片来完成然后回调给各自上层。所以不管服务端和客户端，都会有一个onConnectStateChanged回调。参数也是一致的，对于客户端来说，返回的BluetoothDevice就是外设设备，对于外设设备返回的就是中心设备。这里有一点需要注意，由于BLE蓝牙并不想经典蓝牙有永久mac地址一说，对于经典蓝牙，获取到mac地址后，这个蓝牙的mac地址就是不变的，所以可以做离线连接。对于BLE，mac地址在每次重新广播都会发生改变，从而导致当客户端触发onConnectionStateChanged后获取的BluetoothDevice的mac地址都是不一样的。这个是蓝牙官方规定，无法修改。那对于BLE蓝牙，如果做离线连接就要复杂的多。

图中倒数第二和第三是BLE特有的机制，这里简单说明一下，如果某个服务设置了Notify或者Indicate机制(UUID是固定的)。则改服务上的该属性可以接受服务端对客户端的notify，前提是连接完成以后客户端需要设置改属性为true。这样服务端可以推送一些固定的信息给客户端，这就比较适合那种电量推送的场景。

结语

上面我们分别介绍了BLE蓝牙的一些基本概念，并且分析了蓝牙的协议栈。而且也讲解了Android设备作为BLE应用的四个角色：监听者、广播者、中心设备以及外设。也提到了一些我在从事医疗项目开发遇到的坑。

实际情况在我们平时的开发中，也许是硬件团队丢给我们一台设备，然后协议文档，或许我们只需要了解两个角色就可以了，监听者和中心设备，然后对着API写相关的业务代码，但是我觉得了解协议栈或者蓝牙服务端是如何工作的，才能更好的解决问题。

下篇文章中我会介绍封装的Android蓝牙连接sdk。即支持经典蓝牙，也支持BLE蓝牙。