Android蓝牙开发（二） BLE4.0低功耗蓝牙

程序员文章站 2022-03-16 17:17:58

...

一、BLE4.0低功耗蓝牙

Bluetooth Low Energy,蓝牙低功耗，是从蓝牙4.0开始支持的技术。相较传统蓝牙，传输速度更快、覆盖范围广、安全性高、延时短、耗电低等特点。

二、关键术语

1.GATT（通用属性配置）：通用属性配置文件，用于ble链路上发送和接收“属性”的数据块。目前所有的ble应用都是基于GATT的，一个设备可以实现多个配置文件。
2.ATT（属性协议）：GATT是构建于ATT上面的，每一个属性都是由唯一标识码（UUID）来唯一确定。
ble交互的桥梁是Service、Characteristic、Descriptor 三者都是由UUID作为唯一标识符
3.Characteristic(特征)：一个特征包含一个单一的值和0-n个描述符（Descriptor），描述符描述用于特征的值。一个特质可以被认为是一个数据类型，或一个类。
4.Descriptor(描述符)：对Characteristic的描述，如范围、单位等。
5.Service(服务):服务是特征的集合。可以包含多个Characteristic。一个ble终端可以包含多个Service，一个Characteristic可以包含一个Value和多个Descriptor。

三、权限申请

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

如果需要声明应用仅对低功耗蓝牙有效，还需要在app的manifest中声明

<uses-feature android:name="android.hardware.bluetooth_le"  
       android:required="true" />

四、相关类

蓝牙4.0API的相关类在Framework的 frameworks/base/core/java/android/bluetooth/ 中其中主要的类有：
1.BluetoothGatt：*设备使用的类，处理数据
2.BluetoothGattCallback： *设备回调
3.BluetoothGattServer：周边设备提供数据
4.BluetoothGattServerCallback：周边设备的回调
5.BluetoothGattService：Gatt服务
6.BluetoothGattCharacteristic：Gatt特性
7.BuletoothGattDecriptor：Gatt描述

五、角色和职责

1.*与周边： *设备，可以进行扫描和搜索周边设备发出的广播。而周边设备，可以发出设备广播。
2.GATT服务器与GATT客户端：这两个决定了建立连接后的通信方式。

六、配置BLE

在使用BLE之前，我们需要验证设备是否支持BLE4.0，如果支持，则需要验证蓝牙是否打开。而这些操作，都是使用BluetoothAdapter.
1.获取BluetoothAdapter
BluetoothAdapter代表设备自身的蓝牙适配器，整个系统，只会有一个该适配器。我们需要通过获取系统服务来获取BluetoothAdapter。
Android 4.3(API 18)以后，才支持BluetoothManager

// Initializes Bluetooth adapter.  
final BluetoothManager bluetoothManager =  
        (BluetoothManager) getSystemService(Context.BLUETOOTH_SERVICE);  
mBluetoothAdapter = bluetoothManager.getAdapter();

2.使用蓝牙
我们可以通过 BluetoothAdapter 的isEnable()方法来判断蓝牙是否打开。如果没打开，我们需要提醒用户打开蓝牙，又或者，直接调用enable()方法来开启蓝牙。

if (mBluetoothAdapter == null || !mBluetoothAdapter.isEnabled()) {  
    Intent enableBtIntent = new Intent(BluetoothAdapter.ACTION_REQUEST_ENABLE);  
    startActivityForResult(enableBtIntent, REQUEST_ENABLE_BT);  
}

七、*扫描周边BLE设备

1.扫描设备：

//搜索附近所有的外围设备    
mBluetoothAdapter.startLeScan(mLeScanCallback);    
//搜索某些uuid的外围设备。  可指定uuid  
mBluetoothAdapter.startLeScan(uuid[] ,mLeScanCallback);    
停止扫描    
mBluetoothAdapter.stopLeScan(mLeScanCallback);

2.扫描结果回调：

mLeScanCallback = new BluetoothAdapter.LeScanCallback() {    
public void onLeScan(BluetoothDevice device, int rssi, byte[] scanRecord) {    
}    
}

其中，返回的 device：搜索到的ble设备 rssi:信号强度 scanRecord:远程设备广告记录的内容（蓝牙名称）

八、发送链接请求，获取*设备

根据第七步搜索到的外围设备，我们需要去链接它。链接，指的是链接到GATT服务器设备，

此处我们需要传进去三个参数：
1.context
2.false:直接立即链接 true：等待远端设备可用时自动链接
3.蓝牙链接回调其中包括：链接状态改变、characteristic的read、write、change、和MTU change的监听

// Implements callback methods for GATT events that the app cares about.  For example,  
// connection change and services discovered.，所有函数的回调函数  
private final BluetoothGattCallback mGattCallback = new BluetoothGattCallback() {  
    @Override  
    public void onConnectionStateChange(BluetoothGatt gatt, int status, int newState) {  
        String intentAction;  
        //收到设备notify值 （设备上报值）  链接状态改变回调方法，此处处理链接成功  
        if (newState == BluetoothProfile.STATE_CONNECTED) {  
            intentAction = ACTION_GATT_CONNECTED;  
            mConnectionState = STATE_CONNECTED;  
            broadcastUpdate(intentAction);  
            Log.i(TAG, "Connected to GATT server.");  
            // Attempts to discover services after successful connection.  
            Log.i(TAG, "Attempting to start service discovery:" +  
                    mBluetoothGatt.discoverServices());  
  
        } else if (newState == BluetoothProfile.STATE_DISCONNECTED) {  
            intentAction = ACTION_GATT_DISCONNECTED;  
            mConnectionState = STATE_DISCONNECTED;  
            Log.i(TAG, "Disconnected from GATT server.");  
            broadcastUpdate(intentAction);  
        }  
  
    }  
  
    @Override  
    public void onServicesDiscovered(BluetoothGatt gatt, int status) {  
        if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {   //链接成功后，从下面获取service列表  
            if (Build.VERSION.SDK_INT >= Build.VERSION_CODES.LOLLIPOP){  
                if(MTU>20){  
                    boolean ret =   mBluetoothGatt.requestMtu(MTU);  
                    Log.d("BLE","requestMTU "+MTU+" ret="+ret);  
                }  
            }  
            broadcastUpdate(ACTION_GATT_SERVICES_DISCOVERED);  
        } else {  
            Log.w(TAG, "onServicesDiscovered received: " + status);  
            System.out.println("onServicesDiscovered received: " + status);  
        }  
    }  
  
    @Override  
    public void onCharacteristicRead(BluetoothGatt gatt,  
                                     BluetoothGattCharacteristic characteristic,  
                                     int status) {  
        //读取从周边设备传递过来的数据值，在这里读数据  
        if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {  
            broadcastUpdate(ACTION_DATA_AVAILABLE, characteristic);  
        }  
    }  
  
    @Override  
    public void onCharacteristicChanged(BluetoothGatt gatt,  
                                        BluetoothGattCharacteristic characteristic) { //特征状态改变  
        broadcastUpdate(ACTION_DATA_AVAILABLE, characteristic);  
    }  
  
    @Override  
    public void onMtuChanged(BluetoothGatt gatt, int mtu, int status) {  
        super.onMtuChanged(gatt, mtu, status);  
        if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {  
            Log.e(TAG, "onMtuChanged: "+mtu);  
            //local var to record MTU size  
        }  
    }  
};

1.通过onServicesDiscovered()成功回调获取的BluetoothGatt 我们可以调用gatt的getServices()方法,来获取List<BluetoothGattService>集合。
2.从集合中找到我们需要的service后，可以调用该service中的getCharacteristics()方法，来获取List<Characteristic> 集合。
3.再从指定的Characteristic中，我们可以通过getDescriptor()方法来获取该特征所包含的descriptor
以上的BluetoothGattService、BluetoothGattCharacteristic、BluetoothGattDescriptor。我们都可以通过其getUuid()方法，来获取其对应的Uuid，从而判断是否是自己需要的。

九、*设备写入和接收数据

1.写入特征值
写入特征值，首先我们的特征值属性，满足BluetoothGattCharacteristic.PROPERTY_WRITE或BluetoothGattCharacteristic.PROPERTY_WRITE_NO_RESPONSE,如果其property都不包含这两个，写特征值writeCharacteristic()函数直接返回false，什么都不做处理。
其次此characteristic权限应满足BluetoothGattCharacteristic.PERMISSION_WRITE,否则onCharacteristicWrite()回调收到GATT_WRITE_NOT_PERMITTED回应。

characteristic.setWriteType(BluetoothGattCharacteristic.WRITE_TYPE_DEFAULT);  
characteristic.setValue(string);  
boolean isSuccess = mBluetoothLeService.writeCharacteristic(characteristic);

如上代码，在写入特征之前，我们可以设置写入的类型，写入类型有三种
WRITE_TYPE_DEFAULT 默认类型，需要外围设备的确认，也就是需要外围设备的回应，这样才能继续发送写。
WRITE_TYPE_NO_RESPONSE 设置该类型不需要外围设备的回应，可以继续写数据。加快传输速率。
WRITE_TYPE_SIGNED 写特征携带认证签名
当外围设备收到*写特征值的请求，会回调 onCharacteristicWriteRequest。
如果此次请求需要回应，则外围设备回应 mGattServer.sendResponse
*设备收到响应，回调onCharacteristicWrite(BluetoothGatt gatt,BluetoothGattCharacteristic characteristic, int status)
2.读取特征值
读取特征值，需要调用BluetoothLeService的readCharacteristic(characteristic)方法。读特征，也需要特征具有相应的权限和属性。
（1）该特征属性必须包含PROPERTY_READ，否则返回false.
（2）该特征属性必须满足BluetoothGattCharacteristic.PERMISSION_READ权限，否则onCharacteristicRead()回调收到GATT_READ_NOT_PERMITTED回应。
外围设备接收到*设备读特征值请求时，则会调用onCharacteristicReadRequest()函数回调。
外围设备回应此请求，则调用sendResponse(BluetoothDevice device, int requestId, int status, int offset, byte[] value)。
而*设备收到外围设备回应时，则会调用onCharacteristicRead(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattCharacteristic characteristic, int status) 回调。

3.订阅
我们可以通过BluetoothLeService的setCharacteristicNotification(characteristic, true);（后面的第二个参数，true表示订阅 false表示取消订阅）方法来指定一个Characteristic特征。当该特征发生变化时，会回调onCharacteristicChanged(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattCharacteristic characteristic) 方法，通过参数characteristic，可获得getValue获得其中的内容。
注意：如果该特征的属性没有设置value为：descriptor.setValue(BluetoothGattDescriptor.ENABLE_NOTIFICATION_VALUE); 则收不到订阅信息。

十、外围设备的设置

1.获取打开外围设备

mGattServer = mBluetoothManager.openGattServer(mContext, callback);    
//其中callback是一个MyGattServerCallback（继承了BluetoothGattServerCallback）对象。

2.初始化特征
其中我们可以看到上面第八步所介绍的，外围设备的特征值的写入和读取的权限设置。

BluetoothGattCharacteristic characteristic = new BluetoothGattCharacteristic(  
        UUID.fromString("0000bbb1-0000-1000-8000-00805f9b34fb"),  
        BluetoothGattCharacteristic.PROPERTY_NOTIFY +BluetoothGattCharacteristic.PROPERTY_WRITE +BluetoothGattCharacteristic.PROPERTY_READ ,  
        BluetoothGattCharacteristic.PERMISSION_WRITE+BluetoothGattCharacteristic.PERMISSION_READ );

3.设置特征属性
第二行代码，是第九步介绍的，订阅步骤中所需要的特征属性值的设定。

BluetoothGattDescriptor descriptor =  new BluetoothGattDescriptor(UUID.fromString("00002902-0000-1000-8000-00805f9b34fb"), BluetoothGattDescriptor.PERMISSION_WRITE);  
descriptor.setValue(BluetoothGattDescriptor.ENABLE_NOTIFICATION_VALUE);  
characteristic.addDescriptor(descriptor);

4.设置服务
第二个参数为service type,
SERVICE_TYPE_PRIMARY 基础服务、主要服务。
SERVICE_TYPE_SECONDARY 辅助服务（由初级服务包含在内）。
BluetoothGattService 类中方法
addService(bluetoothGattService)，将辅助服务添加到主要服务中。
getIncludeedServices() 获取包含的服务列表。
getType() 获取服务的type。
getUuid() 获取服务的UUID。

final BluetoothGattService service = new BluetoothGattService(UUID.fromString("0000bbb0-0000-1000-8000-00805f9b34fb"),  
         BluetoothGattService.SERVICE_TYPE_PRIMARY);  
 service.addCharacteristic(characteristic);

5.添加服务

boolean isSuccess = gattServer.addService(service);  
        LogUtils.e(TAG," 添加service2："+isSuccess );

6.开启广播
如何需要让其他*设备搜索到我们的周边设备呢？这里我们需要开启广播
mGattServer.startAdvertising();//开始广播
mGattServer.stopAdvertising();//停止广播
首先我们需要判断设备是否支持广播的开启

private void startService() {  
    //判断你的设备到底支持不支持BLE Peripheral,不支持则返回空  
    mBluetoothLeAdvertiser = bluetoothAdapter.getBluetoothLeAdvertiser();  
    Log.e(TAG,"mBluetoothLeAdvertiser"+mBluetoothLeAdvertiser);  
    if(mBluetoothLeAdvertiser == null){  
        return;  
    }  
    startAdvertising();  //初始化BLE蓝牙广播  
}

public void startAdvertising() {  
      byte[] broadcastData = {0x34, 0x56};  
    String bleName = "小郎";  
    byte[] broadcastData = bleName.getBytes();  
    //广播设置参数，广播数据，还有一个是Callback  
    mBluetoothLeAdvertiser.startAdvertising(createAdvSettings(true, 0), createAdvertiseData(broadcastData), mAdvertiseCallback);  
}

上面的开启广播中有三个参数
（1）广播的基本设置

public AdvertiseSettings createAdvSettings(boolean connectable, int timeoutMillis) {  
    AdvertiseSettings.Builder mSettingsbuilder = new AdvertiseSettings.Builder();  
    mSettingsbuilder.setAdvertiseMode(AdvertiseSettings.ADVERTISE_MODE_LOW_LATENCY);  
    mSettingsbuilder.setConnectable(connectable);  
    mSettingsbuilder.setTimeout(timeoutMillis);  
    AdvertiseSettings mAdvertiseSettings = mSettingsbuilder.build();  
    return mAdvertiseSettings;  
}

（2）设置广播携带的参数

public AdvertiseData createAdvertiseData(byte[] data) {  
    AdvertiseData.Builder mDataBuilder = new AdvertiseData.Builder();  
    mDataBuilder.addManufacturerData(0x01AC, data);  
  
  
    mDataBuilder.addServiceUuid(ParcelUuid.fromString(uid));  
    mDataBuilder.setIncludeDeviceName(true);  //设置是否携带设备名称  
    AdvertiseData mAdvertiseData = mDataBuilder.build();  
    return mAdvertiseData;  
}

（3）广播开启回调
此处，我是在广播开启成功后，再初始化周边设备的

private AdvertiseCallback mAdvertiseCallback = new AdvertiseCallback() {  
    @Override  
    public void onStartSuccess(AdvertiseSettings settingsInEffect) {  
        super.onStartSuccess(settingsInEffect);  
        LogUtils.e(TAG, "开启广播成功");  
        ToastUtils.showToast(BLEConnectService.this, "开启广播成功", 2000);  
  
        initGattServer();  //初始化GATT服务  
    }  
  
    @Override  
    public void onStartFailure(int errorCode) {  
        super.onStartFailure(errorCode);  
        ToastUtils.showToast(BLEConnectService.this, "开启广播失败 errorCode：" + errorCode, 2000);  
    }  
};

其中第十步骤的第一小步打开外围设备的回调方法在第九步有介绍此处就不再继续解释了

十一、开发中的注意事项（有其他的欢迎补充）

1.*和外围设备传输的数据有20个字节长度的限制。在5.0之后我们可以通过*设备设置MTU值，来增大传输长度

if (Build.VERSION.SDK_INT >= Build.VERSION_CODES.LOLLIPOP){  
    if(MTU>20){  
        boolean ret =   mBluetoothGatt.requestMtu(MTU);  
        Log.d("BLE","requestMTU "+MTU+" ret="+ret);  
    }  
}

次代码可写入到onServicesDiscovered成功的回调中。当我们设置MTU长度成功时，*和外围设备都会回调onMtuChanged()。
如果我们的手机不是5.0的目前我的解决方法是，通过数据拆分成多份，分多次传输的。

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下一篇：视觉SLAM十四讲-第九讲笔记

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一、BLE4.0低功耗蓝牙

二、关键术语

三、权限申请

四、相关类

五、角色和职责

六、配置BLE

七、*扫描周边BLE设备

九、*设备写入和接收数据

十、外围设备的设置

十一、开发中的注意事项（有其他的欢迎补充）

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