android蓝牙BLE（二） —— 通信

作者: 大棋17 | 来源:发表于2019-05-01 17:09 被阅读0次

一、蓝牙基础协议

想了解蓝牙通信之前，需要先了解蓝牙两个最基本的协议：GAP 和 GATT。

GAP（Generic Access Profile）简介

GAP是通用访问配置文件的首字母缩写，主要控制蓝牙连接和广播。GAP使蓝牙设备对外界可见，并决定设备是否可以或者怎样与其他设备进行交互。

GAP定义了多种角色，但主要的两个是：中心设备和外围设备。

中心设备：可以扫描并连接多个外围设备,从外设中获取信息。
外围设备：小型，低功耗，资源有限的设备。可以连接到功能更强大的中心设备，并为其提供数据。

GAP广播数据

GAP 中外围设备通过两种方式向外广播数据：广播数据和扫描回复( 每种数据最长可以包含 31 byte。)。

广播数据是必需的，因为外设必需不停的向外广播，让中心设备知道它的存在。而扫描回复是可选的，中心设备可以向外设请求扫描回复，这里包含一些设备额外的信息。

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外围设备会设定一个广播间隔。每个广播间隔中，它会重新发送自己的广播数据。广播间隔越长，越省电，同时也不太容易扫描到。

广播的网络拓扑结构

外设通过广播自己让中心设备发现自己，并建立 GATT 连接，从而进行更多的数据交换。但有些情况是不需要连接的，只要外设广播自己的数据即可。目的是让外围设备，把自己的信息发送给多个中心设备。因为基于 GATT 连接的方式的，只能是一个外设连接一个中心设备。

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GATT（Generic Attribute Profile）简介

GATT配置文件是一个通用规范，用于在BLE链路上发送和接收被称为“属性”的数据块。目前所有的BLE应用都基于GATT。

BLE设备通过叫做 Service 和 Characteristic 的东西进行通信

GATT使用了 ATT（Attribute Protocol）协议，ATT 协议把 Service, Characteristic对应的数据保存在一个查询表中，次查找表使用 16 bit ID 作为每一项的索引。

GATT 连接是独占的。也就是一个 BLE 外设同时只能被一个中心设备连接。一旦外设被连接，它就会马上停止广播，这样它就对其他设备不可见了。当外设与中心设备断开，外设又开始广播，让其他中心设备感知该外设的存在。而中心设备可同时与多个外设进行连接。

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GATT 通信

中心设备和外设需要双向通信的话，唯一的方式就是建立 GATT 连接。

GATT 通信的双方是 C/S 关系。外设作为 GATT 服务端（Server），它维持了 ATT 的查找表以及 service 和 characteristic 的定义。中心设备是 GATT 客户端（Client），它向外设（Server）发起请求来获取数据。

GATT 结构

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Profile：并不是实际存在于 BLE 外设上的，它只是一个被 Bluetooth SIG 或者外设设计者预先定义的 Service 的集合。例如心率Profile（Heart Rate Profile）就是结合了 Heart Rate Service 和 Device Information Service。
Service：包含一个或者多个 Characteristic。每个 Service 有一个 UUID 唯一标识。
Characteristic：是最小的逻辑数据单元。一个Characteristic包括一个单一value变量和0-n个用来描述characteristic变量的Descriptor。与 Service 类似，每个 Characteristic 用 16 bit 或者 128 bit 的 UUID 唯一标识。

实际开发中，和 BLE 外设打交道，主要是通过 Characteristic。可以从 Characteristic 读取数据，也可以往 Characteristic 写数据，从而实现双向的通信。

    UUID 有 16 bit 、32bit 和 128 bit 的。16 bit 的 UUID 是官方通过认证的，需要花钱购买。

Bluetooth_Base_UUID定义为 00000000-0000-1000-8000-00805F9B34FB

若16 bit UUID为xxxx，转换为128 bit UUID为0000xxxx-0000-1000-8000-00805F9B34FB
若32 bit UUID为xxxxxxxx，转换为128 bit UUID为xxxxxxxx-0000-1000-8000-00805F9B34FB

二、中心设备与外设通讯

简单介绍BLE开发当中各种主要类和其作用：

BluetoothDeivce：蓝牙设备，代表一个具体的蓝牙外设。
BluetoothGatt：通用属性协议，定义了BLE通讯的基本规则和操作
BluetoothGattCallback：GATT通信回调类，用于回调的各种状态和结果。
BluetoothGattService：服务，由零或多个特征组构成。
BluetoothGattCharacteristic：特征，里面包含了一组或多组数据，是GATT通信中的最小数据单元。
BluetoothGattDescriptor：特征描述符，对特征的额外描述，包括但不仅限于特征的单位，属性等。

获取蓝牙设备对象

对扫描到的蓝牙可以用集合形式进行缓存，也可只保存其mac地址，存储到字符集合中，用于后续的连接。

根据mac地址获取到BluetoothDeivce用于连接

BluetoothManager bluetoothmanager = (BluetoothManager)context.getSystemService(Context.BLUETOOTH_SERVICE);
 mBluetoothAdapter = bluetoothmanager.getAdapter();
 //获取蓝牙设备对象进行连接
mBluetoothDevice = mBluetoothAdapter.getRemoteDevice(macAddressStr)

蓝牙gatt回调

实现BluetoothGattCallBack类，监听蓝牙连接过程中各种回调的监听。蓝牙Gatt回调方法中都不应该进行耗时操作，需要将其方法内进行的操作丢进另一个线程，尽快返回。

//定义子线程handle，用于在BluetoothGattCallback中回调方法中的操作抛到该线程工作。
private Handler mHandler;
//定义handler工作的子线程
private HandlerThread mHandlerThread;

初始化handler
mHandlerThread = new HandlerThread("daqi");
mHandlerThread.start();
//将handler绑定到子线程中
mHandler = new Handler(mHandlerThread.getLooper());


//定义蓝牙Gatt回调类
public class daqiBluetoothGattCallback extends BluetoothGattCallback{
        //连接状态回调
        @Override
        public void onConnectionStateChange(BluetoothGatt gatt, int status, int newState) {
            super.onConnectionStateChange(gatt, status, newState);
            // status 用于返回操作是否成功,会返回异常码。
            // newState 返回连接状态，如BluetoothProfile#STATE_DISCONNECTED、BluetoothProfile#STATE_CONNECTED
            
            //操作成功的情况下
            if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS){
                //判断是否连接码
                if (newState == BluetoothProfile.STATE_CONNECTED) {
                
                }else if(newState == BluetoothProfile.STATE_DISCONNECTED){
                    //判断是否断开连接码
                    
                }
            }else{
                //异常码
                
            }
        }
        
        //服务发现回调
        @Override
        public void onServicesDiscovered(BluetoothGatt gatt, int status) {
            super.onServicesDiscovered(gatt, status);
        }

        //特征写入回调
        @Override
        public void onCharacteristicWrite(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattCharacteristic characteristic, int status) {
            super.onCharacteristicWrite(gatt, characteristic, status);
        }
        
        //外设特征值改变回调
        @Override
        public void onCharacteristicChanged(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattCharacteristic characteristic) {
            super.onCharacteristicChanged(gatt, characteristic);
        }
        
        //描述写入回调
        @Override
        public void onDescriptorWrite(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattDescriptor descriptor, int status) {
            super.onDescriptorWrite(gatt, descriptor, status);
        }
    }

连接设备

调用BluetoothDevice#connectGatt()进行ble连接，第二个参数默认选择false,不自动连接。并定义BluetoothGatt变量，存储BluetoothDevice#connectGatt()返回的对象。

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//定义Gatt实现类
private BluetoothGatt mBluetoothGatt; 

//创建Gatt回调
private BluetoothGattCallback mGattCallback = new daqiBluetoothGattCallback();
//连接设备
if (Build.VERSION.SDK_INT >= Build.VERSION_CODES.M) {
    mBluetoothGatt = mBluetoothDevice.connectGatt(mContext,
            false, mGattCallback, BluetoothDevice.TRANSPORT_LE);
} else {
    mBluetoothGatt = mBluetoothDevice.connectGatt(mContext, false, mGattCallback);
}

连接异常处理

蓝牙连接时，不一定百分百连接成功。连接出错时，会返回异常码进行错误描述。对于大多数异常码，可以通过重连来达到连接成功的目的。

错误代码:

133 ：连接超时或未找到设备。
8 ：设备超出范围
22 ：表示本地设备终止了连接

//定义重连次数
private int reConnectionNum = 0;
//最多重连次数
private int maxConnectionNum = 3;

public class daqiBluetoothGattCallback extends BluetoothGattCallback{

    //连接状态回调
    @Override
    public void onConnectionStateChange(BluetoothGatt gatt, int status, int newState) {
        super.onConnectionStateChange(gatt, status, newState);
        // status 用于返回操作是否成功,会返回异常码。
        //操作成功的情况下
        if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS){
            
        }else{
            //重连次数不大于最大重连次数
            if(reConnectionNum < maxConnectionNum){
                //重连次数自增
                reConnectionNum++
                //连接设备
                if (Build.VERSION.SDK_INT >= Build.VERSION_CODES.M) {
                    mBluetoothGatt = mBluetoothDevice.connectGatt(mContext,
                            false, mGattCallback, BluetoothDevice.TRANSPORT_LE);
                } else {
                    mBluetoothGatt = mBluetoothDevice.connectGatt(mContext, false, mGattCallback);
                }
            }else{
                //断开连接，返回连接失败回调
                
            }
        }
    }
    
    //其他回调方法
｝

发现服务

连接成功后，触发BluetoothGattCallback#onConnectionStateChange()方法。

public class daqiBluetoothGattCallback extends BluetoothGattCallback{

    //连接状态回调
    @Override
    public void onConnectionStateChange(BluetoothGatt gatt, int status, int newState) {
        super.onConnectionStateChange(gatt, status, newState);
        // status 用于返回操作是否成功,会返回异常码。
        //操作成功的情况下
        if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS){
            //判断是否连接码
                if (newState == BluetoothProfile.STATE_CONNECTED) {
                    //可延迟发现服务，也可不延迟
                    mHandler.post(() ->
                        //发现服务
                        mBluetoothGatt.discoverServices();
                    );
                }else if(newState == BluetoothProfile.STATE_DISCONNECTED){
                    //判断是否断开连接码
                    
                }
        }
    }
    
    //其他回调方法
｝

当发现服务成功后，会触发BluetoothGattCallback#onServicesDiscovered()回调：

//定义需要进行通信的ServiceUUID
private UUID mServiceUUID = UUID.fromString("0000xxxx-0000-1000-8000-00805f9b34fb");

//定义蓝牙Gatt回调类
public class daqiBluetoothGattCallback extends BluetoothGattCallback{

    //服务发现回调
    @Override
    public void onServicesDiscovered(BluetoothGatt gatt, int status) {
        super.onServicesDiscovered(gatt, status);
        if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
            mHandler.post(() ->
                //获取指定uuid的service
                BluetoothGattService gattService = mBluetoothGatt.getService(mServiceUUID);
                //获取到特定的服务不为空
                if(gattService != null){
                    
                }else{
                    //获取特定服务失败
                    
                }
            );
        }
    }
｝

发现服务失败

发现服务时，会存在发现不了特定服务的情况。或者说，整个BluetoothGatt对象中的服务列表为空。
BluetoothGatt类中存在一个隐藏的方法refresh（），用于刷新Gatt的服务列表。当发现不了服务时，可以通过反射去调用该方法，再发现一遍服务。

读取和修改特征值

//定义需要进行通信的ServiceUUID
private UUID mServiceUUID = UUID.fromString("0000xxxx-0000-1000-8000-00805f9b34fb");
//定义需要进行通信的CharacteristicUUID
private UUID mCharacteristicUUID = UUID.fromString("0000yyyy-0000-1000-8000-00805f9b34fb");


//定义蓝牙Gatt回调类
public class daqiBluetoothGattCallback extends BluetoothGattCallback{

    //服务发现回调
    @Override
    public void onServicesDiscovered(BluetoothGatt gatt, int status) {
        super.onServicesDiscovered(gatt, status);
        if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
            mHandler.post(() ->
                //获取指定uuid的service
                BluetoothGattService gattService = mBluetoothGatt.getService(mServiceUUID);
                //获取到特定的服务不为空
                if(gattService != null){
                    //获取指定uuid的Characteristic
                    BluetoothGattCharacteristic gattCharacteristic = gattService.getCharacteristic(mCharacteristicUUID);
                    //获取特定特征成功
                    if（gattCharacteristic != null）{
                        //写入你需要传递给外设的特征值（即传递给外设的信息）
                        gattCharacteristic.setValue(bytes);
                        //通过GATt实体类将，特征值写入到外设中。
                        mBluetoothGatt.writeCharacteristic(gattCharacteristic);
                        
                        //如果只是需要读取外设的特征值：
                        //通过Gatt对象读取特定特征（Characteristic）的特征值
                        mBluetoothGatt.readCharacteristic(gattCharacteristic);
                    }
                }else{
                    //获取特定服务失败
                    
                }
            );
        }
    }
｝

当成功读取特征值时，会触发BluetoothGattCallback#onCharacteristicRead()回调。

@Override
public void onCharacteristicRead(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattCharacteristic characteristic, int status) {
    super.onCharacteristicRead(gatt, characteristic, status);
    if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
        //获取读取到的特征值
        characteristic.getValue()
    ｝
}

当成功写入特征值到外设时，会触发BluetoothGattCallback#onCharacteristicWrite()回调。

@Override
public void onCharacteristicWrite(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattCharacteristic characteristic, int status) {
    super.onCharacteristicWrite(gatt, characteristic, status);
    if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
        //获取写入到外设的特征值
        characteristic.getValue()
    ｝
}

监听外设特征值改变

无论是对外设写入新值，还是读取外设特定Characteristic的值，其实都只是单方通信。如果需要双向通信，可以在BluetoothGattCallback#onServicesDiscovered中对某个特征值设置监听（前提是该Characteristic具有NOTIFY属性）：

//设置订阅notificationGattCharacteristic值改变的通知
mBluetoothGatt.setCharacteristicNotification(notificationGattCharacteristic, true);
//获取其对应的通知Descriptor
BluetoothGattDescriptor descriptor = notificationGattCharacteristic.getDescriptor(UUID.fromString("00002902-0000-1000-8000-00805f9b34fb"));
if (descriptor != null){ 
    //设置通知值
    descriptor.setValue(BluetoothGattDescriptor.ENABLE_INDICATION_VALUE);
    boolean descriptorResult = mBluetoothGatt.writeDescriptor(descriptor);
}

当写入完特征值后，外设修改自己的特征值进行回复时，手机端会触发BluetoothGattCallback#onCharacteristicChanged()方法，获取到外设回复的值，从而实现双向通信。

@Override
public void onCharacteristicChanged(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattCharacteristic characteristic) {
     if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
        //获取外设修改的特征值
        String value = characteristic.getValue()
        //对特征值进行解析
        
    ｝
｝

断开连接

断开连接的操作分为两步：

mBluetoothGatt.disconnect();
mBluetoothGatt.close();

调用disconnect()后，会触发手机会触发BluetoothGattCallback#onConnectionStateChange()的回调，回调断开连接信息，newState = BluetoothProfile.STATE_DISCONNECTED。但调用完disconnect()紧接着马上调用close()，会终止BluetoothGattCallback#onConnectionStateChange()的回调。可以看情况将两个进行拆分调用，来实现断开连接，但必须两个方法都调用。

例如：
需要在外设修改特征值触发BluetoothGattCallback#onCharacteristicChanged()时，断开连接。可以先在BluetoothGattCallback#onCharacteristicChanged()中调用disconnect(),并等调用BluetoothGattCallback#onConnectionStateChange()回调，返回断开连接信息后，再调用close()对Gatt资源进行关闭。

当和外设进行ble通信时，如出现任何意外情况，马上调用断开连接操作。

android BLE系列：

android蓝牙BLE（一） —— 扫描

android蓝牙BLE（二） —— 通信

android蓝牙BLE（三） —— 广播

android蓝牙BLE（四） —— 实战

android蓝牙BLE（二） —— 通信

一、蓝牙基础协议

GAP（Generic Access Profile）简介

GAP广播数据

广播的网络拓扑结构

GATT（Generic Attribute Profile）简介

GATT 通信

GATT 结构

二、中心设备与外设通讯

获取蓝牙设备对象

蓝牙gatt回调

连接设备

连接异常处理

发现服务

发现服务失败

读取和修改特征值

监听外设特征值改变

断开连接

android BLE系列：

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