Android上BLE功能的逐步演进
蓝牙在Android发展过程如下：
- Android4.3开始，开始支持BLE功能，但只支持Central Mode(中心模式)
- Android5.0开始，开始支持Peripheral Mode(外围模式)
中心模式和外围模式是什么意思？
- Central Mode：Android端作为中心设备，连接其他外围设备。
- Peripheral Mode：Android端作为外围设备，被其他中心设备连接。在Android5.0支持外围模式之后，才实现了两台Android手机通过BLE进行相互通信。
BLE通信基础
- ATT：全称 Attribute Protocol，中文名"属性协议"。它是BLE通信的基础。ATT把数据封装，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是专门为低功耗蓝牙设计的，结构非常简单，数据长度很短。
- GATT：全称 Generic Attribute Profile，中文名"通用属性配置文件"。它是在ATT的基础上，对ATT进行的进一步逻辑封装，定义数据的交互方式和含义。GATT是我们做BLE开发的时候直接接触的概念。
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GATT层级：GATT按照层级定义了4个概念：配置文件(profile)、服务(Service)、特征(Characteristic)和描述(Descriptor)。他们的关系是这样的，profile定义了一个实际的应用场景，一个profile包含若干个service，一个service包含若干个characteristic，一个characteristic可以包含若干个descriptor。
GATT层级
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Profile
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。所有官方通过 GATT Profile 的列表可以从这里找到。 -
Service
Service 是把数据分成一个个的独立逻辑项，它包含一个或者多个 Characteristic。每个 Service 有一个 UUID 唯一标识。 UUID 有 16 bit 的，或者 128 bit 的。16 bit 的 UUID 是官方通过认证的，需要花钱购买，128 bit 是自定义的，这个就可以自己随便设置。官方通过了一些标准 Service，完整列表在这里。以 Heart Rate Service为例，可以看到它的官方通过 16 bit UUID 是0x180D，包含 3 个 Characteristic：Heart Rate Measurement, Body Sensor Location 和 Heart Rate Control Point，并且定义了只有第一个是必须的，它是可选实现的。 -
Characteristic
需要重点提一下Characteristic， 它定义了数值和操作，包含一个Characteristic声明、Characteristic属性、值、值的描述(Optional)。通常我们讲的 BLE 通信，其实就是对 Characteristic 的读写或者订阅通知。比如在实际操作过程中，我对某一个Characteristic进行读，就是获取这个Characteristic的value。 -
UUID
Service、Characteristic 和 Descriptor 都是使用 UUID 唯一标示的。UUID 是全局唯一标识，它是 128bit 的值，为了便于识别和阅读，一般以 “8位-4位-4位-4位-12位”的16进制标示，比如“12345678-abcd-1000-8000-123456000000”。
但是，128bit的UUID 太长，考虑到在低功耗蓝牙中，数据长度非常受限的情况，蓝牙又使用了所谓的 16 bit 或者 32 bit 的 UUID，形式如下：“0000XXXX-0000-1000-8000-00805F9B34FB”。除了 “XXXX” 那几位以外，其他都是固定，所以说，其实 16 bit UUID 是对应了一个 128 bit 的 UUID。这样一来，UUID 就大幅减少了，例如 16 bit UUID只有有限的 65536（16的四次方） 个。与此同时，因为数量有限，所以 16 bit UUID 并不能随便使用。蓝牙技术联盟已经预先定义了一些 UUID，我们可以直接使用，比如“00001011-0000-1000-8000-00805F9B34FB”就一个是常见于BLE设备中的UUID。当然也可以花钱定制自定义的UUID。
作为外围设备开发实现
1.声明权限
<uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH" />
<uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH_ADMIN" />
<uses-permission android:name="android.permission.ACCESS_COARSE_LOCATION" />
<uses-permission android:name="android.permission.ACCESS_FINE_LOCATION" />
- android.permission.BLUETOOTH:这个权限允许程序连接到已配对的蓝牙设备
- android.permission.BLUETOOTH_ADMIN：这个权限允许程序发现和配对蓝牙设备
- android.permission.ACCESS_COARSE_LOCATION和android.permission_ACCESS_FINE_LOCATION这两个权限是Android6.0后必须添加的，蓝牙扫描周围设备需要获取模糊的位置信息。这两个权限属于同一组危险权限，在AndroidManifest文件声明后还需要在运行时动态获取。
2.开发流程
1.获取蓝牙设备管理类
mBluetoothManager =(BluetoothManager) context.getSystemService(Context.BLUETOOTH_SERVICE)
2.获取蓝牙适配器
mAdapter = mBluetoothManager.getAdapter();
3.获取服务
mService = new BluetoothGattService(UUID.fromString(SERVICE_WIFI), BluetoothGattService.SERVICE_TYPE_PRIMARY);
4.获取一个特征
charWifiNameAndPassword = new BluetoothGattCharacteristic(UUID.fromString(CHARACTERISTIC_SET_WIFI_NAME_AND_PASSWORD), BluetoothGattCharacteristic.PROPERTY_WRITE | BluetoothGattCharacteristic.PROPERTY_READ, BluetoothGattCharacteristic.PERMISSION_WRITE | BluetoothGattCharacteristic.PERMISSION_READ);
5.获取一个描述
BluetoothGattDescriptor descriptor = new BluetoothGattDescriptor(UUID.fromString(CHARACTERISTIC_CONFIG), BluetoothGattDescriptor.PERMISSION_READ);
6.将描述加入到特征中
charWifiNameAndPassword.addDescriptor(descriptor);
7.将特征加入到服务中
mService.addCharacteristic(charWifiNameAndPassword);
8.获取Server
mBluetoothGattServer = mBluetoothManager.openGattServer(mContext, new BluetoothGattServerCallback() {....}
9.将服务加入到Server
mBluetoothGattServer.addService(mService);
10.开启ble广播
mAdvertiser.startAdvertising(settings, data, new AdvertiseCallback() {......}
3.代码实现
public class BleManager {
public static final String TAG = BleManager.class.getName();
private Context mContext;
private static BleManager manager;
//蓝牙设备管理类
private BluetoothManager mBluetoothManager;
//蓝牙设配器
private BluetoothAdapter mAdapter;
private BluetoothLeAdvertiser mAdvertiser;
//蓝牙Server
private BluetoothGattServer mBluetoothGattServer;
//蓝牙服务
private BluetoothGattService mService;
//蓝牙特征
private BluetoothGattCharacteristic charWifiNameAndPassword;
//服务UUID
public static final String SERVICE_WIFI = "00001111-0000-1000-8000-00805f9b34fb";
//特征UUID
public static final String CHARACTERISTIC_SET_WIFI_NAME_AND_PASSWORD = "00008888-0000-1000-8000-00805f9b34fb";
//描述UUID
public static final String CHARACTERISTIC_CONFIG = "00002902-0000-1000-8000-00805f9b34fb";
public static BleManager getInstance(Context context) {
if (manager == null) {
manager = new BleManager(context);
}
return manager;
}
public BleManager(Context context) {
mContext = context;
//1.获取管理类
mBluetoothManager = (BluetoothManager) context.getSystemService(Context.BLUETOOTH_SERVICE);
//判断设备是否支持蓝牙
if (mBluetoothManager == null) {
return;
}
//2.获取蓝牙适配器
mAdapter = mBluetoothManager.getAdapter();
if (!mAdapter.isEnabled()) {
mAdapter.enable();
}
}
/**
* 开启蓝牙并开启ble广播
*/
public synchronized void openBle() {
//如果是调用closeBle来关闭蓝牙的，会将bluetoothAdapter,bluetoothReceiver置为null，需要重新赋值
if (mAdapter == null) {
mAdapter = mBluetoothManager.getAdapter();
}
if (!mAdapter.isEnabled()) {
mAdapter.enable();
}
if (Build.VERSION.SDK_INT >= 21 && mAdapter.isMultipleAdvertisementSupported()) {
if (initService()) {
//10.启动ble广播
startAdvertise();
} else {
Log.d(TAG, "开启ble失败");
}
} else {
Log.d(TAG, "开启ble失败");
if (!mAdapter.isMultipleAdvertisementSupported()) {
Log.d(TAG, "您的设备不支持蓝牙从模式");
}
}
}
/**
* 开启ble广播
*/
private void startAdvertise() {
mAdvertiser = mAdapter.getBluetoothLeAdvertiser();
AdvertiseSettings settings = new AdvertiseSettings.Builder()
.setAdvertiseMode(AdvertiseSettings.ADVERTISE_MODE_LOW_LATENCY)
.setTxPowerLevel(AdvertiseSettings.ADVERTISE_TX_POWER_HIGH)
.setConnectable(true)
.setTimeout(0)
.build();
ParcelUuid parcelUuid = new ParcelUuid(UUID.fromString(SERVICE_WIFI));
AdvertiseData data = new AdvertiseData.Builder()
.setIncludeDeviceName(true)
.addServiceUuid(parcelUuid)
.build();
mAdvertiser.startAdvertising(settings, data, new AdvertiseCallback() {
@Override
public void onStartSuccess(AdvertiseSettings settingsInEffect) {
super.onStartSuccess(settingsInEffect);
Log.d(TAG, "开启ble广播成功");
}
@Override
public void onStartFailure(int errorCode) {
super.onStartFailure(errorCode);
Log.d(TAG, "开启ble广播失败");
}
});
}
private boolean initService() {
//3.获取服务
mService = new BluetoothGattService(UUID.fromString(SERVICE_WIFI), BluetoothGattService.SERVICE_TYPE_PRIMARY);
//4.获取一个特征
charWifiNameAndPassword = new BluetoothGattCharacteristic(UUID.fromString(CHARACTERISTIC_SET_WIFI_NAME_AND_PASSWORD), BluetoothGattCharacteristic.PROPERTY_WRITE | BluetoothGattCharacteristic.PROPERTY_READ, BluetoothGattCharacteristic.PERMISSION_WRITE | BluetoothGattCharacteristic.PERMISSION_READ);
//5.获取一个描述
BluetoothGattDescriptor descriptor = new BluetoothGattDescriptor(UUID.fromString(CHARACTERISTIC_CONFIG), BluetoothGattDescriptor.PERMISSION_READ);
descriptor.setValue("WIFI ACCOUNT".getBytes(Charset.forName("UTF-8")));
//6.将描述加入到特征中
charWifiNameAndPassword.addDescriptor(descriptor);
//7.将特征加入到服务中
mService.addCharacteristic(charWifiNameAndPassword);
//8.获取周边
mBluetoothGattServer = mBluetoothManager.openGattServer(mContext, new BluetoothGattServerCallback() {
@Override
public void onConnectionStateChange(BluetoothDevice device, int status, int newState) {
super.onConnectionStateChange(device, status, newState);
//连接状态发生变化回调
Log.d(TAG, "连接状态发生改变:" + newState);
}
@Override
public void onServiceAdded(int status, BluetoothGattService service) {
super.onServiceAdded(status, service);
//当周边添加到服务成功时的回调
Log.d(TAG, "服务添加成功");
}
@Override
public void onCharacteristicReadRequest(BluetoothDevice device, int requestId, int offset, BluetoothGattCharacteristic characteristic) {
super.onCharacteristicReadRequest(device, requestId, offset, characteristic);
//当远程设备请求读取本地特征时回调
//必须调用BluetoothGattServer.sendResponse
Log.d(TAG, "远程设备读取本地特征");
mBluetoothGattServer.sendResponse(device, requestId, BluetoothGatt.GATT_SUCCESS, offset, null);
}
@Override
public void onCharacteristicWriteRequest(BluetoothDevice device, int requestId, BluetoothGattCharacteristic characteristic, boolean preparedWrite, boolean responseNeeded, int offset, byte[] value) {
super.onCharacteristicWriteRequest(device, requestId, characteristic, preparedWrite, responseNeeded, offset, value);
//当远程设备请求写入本地特征时回调
//通常我们讲的BLE通信，其实就说对characteristic的读写或者订阅
//必须调用BluetoothGattServer.sendResponse
try {
Log.d(TAG, "远程设备写入本地特征:" + new String(value, "UTF-8"));
} catch (UnsupportedEncodingException e) {
e.printStackTrace();
}
mBluetoothGattServer.sendResponse(device, requestId, BluetoothGatt.GATT_SUCCESS, offset, value);
}
@Override
public void onDescriptorReadRequest(BluetoothDevice device, int requestId, int offset, BluetoothGattDescriptor descriptor) {
super.onDescriptorReadRequest(device, requestId, offset, descriptor);
//当远程设备请求读取本地描述时回调
//必须调用BluetoothGattServer.sendResponse
Log.d(TAG, "远程设备读取本地描述");
mBluetoothGattServer.sendResponse(device, requestId, BluetoothGatt.GATT_SUCCESS, offset, null);
}
@Override
public void onDescriptorWriteRequest(BluetoothDevice device, int requestId, BluetoothGattDescriptor descriptor, boolean preparedWrite, boolean responseNeeded, int offset, byte[] value) {
super.onDescriptorWriteRequest(device, requestId, descriptor, preparedWrite, responseNeeded, offset, value);
//当远程设备请求写入本地描述时回调
//必须调用BluetoothGattServer.sendResponse
Log.d(TAG, "远程设备写入本地描述:" + value);
mBluetoothGattServer.sendResponse(device, requestId, BluetoothGatt.GATT_SUCCESS, offset, null);
}
@Override
public void onExecuteWrite(BluetoothDevice device, int requestId, boolean execute) {
super.onExecuteWrite(device, requestId, execute);
//执行本地设备所有挂起的写操作
//必须调用BluetoothGattServer.sendResponse
Log.d(TAG, "执行所有挂起的写操作");
mBluetoothGattServer.sendResponse(device, requestId, BluetoothGatt.GATT_SUCCESS, 0, null);
}
@Override
public void onNotificationSent(BluetoothDevice device, int status) {
super.onNotificationSent(device, status);
//当通知发送到远程设备时的回调
Log.d(TAG, "通知发送成功");
}
/**
* MTU(Maxximum Transmission Unit)最大传输单元:指在一个协议数据单元中(PDU,Protocol Data Unit)有效的最大传输Byte
* AndroidMTU一般为23，发送长包需要更改MTU(5.1(API21)开始支持MTU修改)或者分包发送
* core spec里面定义了ATT的默认MTU为23bytes，除去ATT的opcode一个字节以及ATT的handle2个字节后，剩余20个bytes留给GATT
* MTU是不可以协商的，只是通知对方，双方在知道对方的极限后会选择一个较小的值作为以后的MTU
*/
@Override
public void onMtuChanged(BluetoothDevice device, int mtu) {
super.onMtuChanged(device, mtu);
//MTU更改时的回调
Log.d(TAG, "MTU发生更改：" + mtu);
}
/**
* PHY(Physical)：物理接口收发器，实现OSI模型的物理层
* 当调用BluetoothGattServer.setPreferredPhy时，或者远程设备更改了PHY时回调
* 低功耗蓝牙5.0协议中，定义了两种调制方案。这两种方案都采用了GFSK调制。区别在于symbol rate不同，一种1 Msym/s，另一种2Msym/s。
* 其中1 Msym/s是符合低功耗蓝牙5.0协议的设备所必须支持的。
* 在1 Msym/s调制下，低功耗蓝牙5.0协议定义了两种PHY:(1)LE 1MPHY ,即信息数据不变吗，信息数据的传输速率就为1Mb/s
* (2)LE Coded PHY，即信息数据编码方式，信息数据的传输速率为125kb/s或者500kb/s
* 在2 Msym/s调制下，低功耗蓝牙5.0协议仅定义了一种PHY：LE 2MPHY,即信息数据不编码，信息数据的传输速率就为2Mb/s
*/
@Override
public void onPhyUpdate(BluetoothDevice device, int txPhy, int rxPhy, int status) {
super.onPhyUpdate(device, txPhy, rxPhy, status);
//当调用了BluetoothGattServer.setPreferredPhy时，或者远程设备更改了PHY时回调
Log.d(TAG, "onPhyUpdate");
}
@Override
public void onPhyRead(BluetoothDevice device, int txPhy, int rxPhy, int status) {
super.onPhyRead(device, txPhy, rxPhy, status);
//当调用了BluetoothGattServer.readPhy时回调
Log.d(TAG, "onPhyRead");
}
});
//9.将服务加入到周边
return mBluetoothGattServer.addService(mService);
}
}
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