【Android应用开发】Android 蓝牙低功耗 (BLE) ( 第一篇 . 概述 . 蓝牙低功耗文档 翻译)

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参考 :

-- 官方文档 : https://developer.android.com/guide/topics/connectivity/bluetooth-le.html;

1. 概述

BLE 概述 :

-- 版本支持 : Android 4.3 (API Level 18) 内置框架引入了 蓝牙低功耗方案 (Bluetooth Low Energy, BLE) 支持;

-- 角色支持 : Android 手机只能作为 主设备 (central role), 开发者开发的 APP 可以使用其提供的 API 接口, 用于 发现设备, 遍历服务 (services),  读写服务中的特性 (characteristics).

-- 传统蓝牙对比 : 与传统的蓝牙对比, 蓝牙低功耗方案 (Bluetooth Low Energy) 是出于更低的电量消耗考虑而设计的. 这可以使 Android 应用可以与 BLE 设备进行交流, 这些设备需要很低的电量, 如 近距离传感器, 心率测量设备, 健康设备 等等.

2. 关键术语 和 概念

(1) Generic Attribute Profile (GATT) 通用属性规范

Generic Attribute Profile (GATT) 通用属性规范 :

-- GATT 作用 : GATT 规范是一个针对 在 BLE 连接上的, 发送 和 接收 少量数据的一个规范, 所有的现有的低功耗应用的规范都是基于这个 GATT 规范制定的.

-- 制定者 : 蓝牙技术联盟 (Bluetooth SIG) 为低功耗设备定义了许多规范, 一个 规范 (Profile) 就是 设备如何在特定的应用中工作的详述.

-- 设备规范对应关系 : 此外, 一个设备可以实现多个规范, 如 : 一个设备可以包含一个心率检测器, 和 电量检测器.

(2) Attribute Protocol (ATT) 属性协议

Attribute Protocol (ATT) 属性协议 :

-- ATT 与 GATT 关系 : GATT 规范是建立在 ATT 的上一层的, 这套改改通常被称为 GATT/ATT.

-- ATT 作用 : ATT 被用于优化 BLE 设备的运行, 为了这个目的, ATT (属性协议) 使用尽可能少的字节.

-- ATT 唯一标识 : ATT 中的每个属性都被 一个 UUID (Universally Unique Identifier) 独一无二的进行标识, UUID 是一个 128 比特的标准的字符串 ID, 用于信息的唯一标识.

-- ATT 属性 : ATT 中定义的属性就是 Charicteristics (特性) 和 Services (服务);

(3) Characteristic 特性

Characteristic 特性 :

-- Characteristic 概念 : 一个 Characteristic 特性包含了一个值 和 多个 Descriptor (描述符) 用于描述这个特性的值.

-- 本质 : 一个特性可以被认为是一个类型, 类似于一个类.

(4) Descriptor 描述符

Descriptor 描述符 :

-- 作用 : 描述符 被定义为一些属性, 这些属性用于描述 Characteristic (特性) 的值.

-- 示例 : 例如, 一个 描述符 可以说明一个 可读的描述, 一个 特性值的可接受范围, 或者 一个特性值的测量单元.

(5) Service 服务

Service 服务 :

-- 服务本质 : 服务是 Characteristic (特性) 的集合.

-- 示例 : 如, 你可以有一个 名称为 "Heart Rate Monitor (心率监控)" 的服务, 包含了特性 "Heart Rate Measurement (心率测量)".

-- 参考资料 : 你可以在 bluetooth.org 官网查询到一个基于 GATT 服务 和 规范的列表.

3. 角色 和 职责

(1) 四种角色

Android 设备 与 BLE 设备互动时, 设备的角色 和 职责 :

-- 中心设备 和 外围设备 : 这个角色体系适用于 BLE 连接. 中心设备角色 可以扫描, 查找广播. 外围设备角色 发送广播.

-- GATT 服务器 和 GATT 客户端 : 这个决定了两个设备之间, 一旦建议连接后, 如何进行互相通信.

(2) 中心设备 和 外围设备

BLE 连接需要两种设备都存在 : 为了理解其中的区别, 想象一下 你有一个 Android 设备 和 一个激活的 智能腕表 蓝牙设备. 手机支持作为 中心设备 角色, 智能腕表 蓝牙设备支持作为外围设备角色, 为了建立 BLE 连接, 只有外围设备 或者 只有 中心设备 都不能建立 BLE 连接.

(3) GATT 服务器 和 GATT 客户端

GATT 服务器 和 GATT 客户端 简介 :

-- GATT 服务器 和 GATT 客户端 角色不是固定的 : 一旦手机 和 智能腕表 设备建立了 BLE 连接, 它们开始互相交换 GATT 元数据. 根据它们之间传输的数据类型, 其中的一个会扮演 GATT 服务器的角色.

-- 角色改变示例 : 如果 智能腕表 设备想要向手机报告传感器数据, 那么智能腕表必须当做 GATT 服务器. 如果智能腕表 想要从手机上接受更新数据, 那么 Android 手机就是 GATT 服务器.

-- 手机 和 设备 都可以作为 GATT 服务器 和 客户端 : 在本文档中使用的示例代码, 在 Android 设备上运行的 Android APP 就是 GATT 客户端, BLE 外围设备 就是 GATT 服务器. Android APP 从 GATT 服务器上获取数据, 服务器的 BLE "heart rate monitor (心率监测)" 支持 "Heart Rate Profile (心率规范 - 一种 BLE 蓝牙标准规范)". Android APP 也可以作为 GATT 服务器;

4. BLE 权限

(1) 蓝牙权限简介

Android 蓝牙权限简介 :

-- 权限作用 : 为了在应用中使用蓝牙功能, 必须在 AndroidManifest.xml 中 声明蓝牙权限. 所有的蓝牙通信操作都需要 蓝牙权限 来允许执行, 例如 搜索蓝牙, 蓝牙连接, 数据交互等操作.

-- 搜索设置蓝牙权限 : 如果 APP 要发起设备搜索 或者 管理 蓝牙设置, 需要 提前声明 BLUETOOTH_ADMIN 权限.

-- 注意 : 使用 BLUETOOTH_ADMIN 权限的前提是 必须声明 BLUETOOTH 权限.

(2) 蓝牙权限简介

蓝牙权限示例 :

-- AndroidManifest.xml 声明蓝牙权限示例 :

(3) 动态控制 BLE 功能是否使用

//使用下面的函数决定 设备上的 BLE 功能 是否可用

//此时你可以选择性的关闭 BLE 相关的功能

if (!getPackageManager().hasSystemFeature(PackageManager.FEATURE_BLUETOOTH_LE)) {

Toast.makeText(this, R.string.ble_not_supported, Toast.LENGTH_SHORT).show();

finish();

}

5. 创建 BLE

(1) 创建 BLE 简介

创建 BLE 简介 :

-- 验证 BLE 功能 : 在应用可以通过 BLE 交互之前, 你需要验证设备是否支持 BLE 功能, 如果支持, 确定它是可以使用的.

-- 注意 : 这个检查只有在 下面的配置 设置为 false 时才是必须的;

-- 支持 BLE 打开蓝牙 : 如果 BLE 支持 BLE 功能, 但是设备的蓝牙是关闭的, 你可以在应用中请求打开设备的蓝牙模块.

-- 步骤总结 : 创建 BLE 蓝牙的过程分成两个步骤, 1. 获取 BluetoothAdapter, 2. 打开 设备的蓝牙模块.

(2) 获取 BluetoothAdapter (蓝牙适配器)

获取 BluetoothAdapter 蓝牙适配器 :

-- BluetoothAdapter 类作用 : 所有的蓝牙活动都需要 BluetoothAdapter, BluetoothAdapter 代表了设备本身的蓝牙适配器 (蓝牙无线设备). 整个系统中只有一个 蓝牙适配器, 应用可以使用 BluetoothAdapter 对象与 蓝牙适配器硬件进行交互.

-- 获取 BluetoothAdapter 代码示例 :

// 初始化蓝牙适配器

final BluetoothManager bluetoothManager =

(BluetoothManager) getSystemService(Context.BLUETOOTH_SERVICE);

mBluetoothAdapter = bluetoothManager.getAdapter();

-- 注意 : 这个方法使用了 getSystemService() 方法, 返回了一个 BluetoothManager 实例对象, 从 BluetoothManager 实例对象中可以获取 BluetoothAdapter 对象;

(3) 打开蓝牙功能

打开蓝牙 :

-- 检查是否可用 : 为了保证 蓝牙功能是打开的, 调用 BluetoothAdapter 的 isEnable() 方法, 检查蓝牙在当前是否可用. 如果返回 false, 说明当前蓝牙不可用.

-- 示例代码 :

private BluetoothAdapter mBluetoothAdapter;

...

// 确认当前设备的蓝牙是否可用,

// 如果不可用, 弹出一个对话框, 请求打开设备的蓝牙模块

if (mBluetoothAdapter == null || !mBluetoothAdapter.isEnabled()) {

Intent enableBtIntent = new Intent(BluetoothAdapter.ACTION_REQUEST_ENABLE);

startActivityForResult(enableBtIntent, REQUEST_ENABLE_BT);

}

6. 查找 BLE 设备

(1) 查找所有的 BLE 设备

查找 BLE 设备 :

-- 查找方法参数 : 为了搜索到 BLE 设备, 调用 BluetoothAdapter 的 startLeScan() 方法, 该方法需要一个 BluetoothAdapter.LeScanCallback 类型的参数. 你必须实现这个 LeScanCallback 接口, 因为 BLE 蓝牙设备扫描结果在这个接口中返回.

-- 查找策略 : 蓝牙搜索是非常耗电的, 你需要遵守以下的 中断策略 和 不循环策略.

-- 中断策略 : 只要一发现蓝牙设备, 马上中断扫描.

-- 不循环策略 : 不要循环扫描, 设置一个扫描的最大时间限制. 一个设备在之前可用, 继续扫描可能会使设备不可用, 此外继续扫描会持续浪费电池电量.

-- 源码示例 :

/**

* 搜索 和 展示 可用的蓝牙设备 的 Activity 界面

*/

public class DeviceScanActivity extends ListActivity {

private BluetoothAdapter mBluetoothAdapter;

private boolean mScanning;

private Handler mHandler;

// 10 秒后停止搜索

private static final long SCAN_PERIOD = 10000;

...

private void scanLeDevice(final boolean enable) {

if (enable) {

// 在一个预先定义的时间段后停止扫描.

mHandler.postDelayed(new Runnable() {

@Override

public void run() {

mScanning = false;

//开始扫描

mBluetoothAdapter.stopLeScan(mLeScanCallback);

}

}, SCAN_PERIOD);

mScanning = true;

mBluetoothAdapter.startLeScan(mLeScanCallback);

} else {

mScanning = false;

mBluetoothAdapter.stopLeScan(mLeScanCallback);

}

...

}

...

}

(2) 查找特定 BLE 设备

查找特定 BLE 设备 :

-- 方法调用 : 查找特定类型的外围设备, 可以调用下面的方法, 这个方法需要提供一个 UUID 对象数组, 这个 UUID 数组是 APP 支持的 GATT 服务的特殊标识.

-- 示例 :

startLeScan(UUID[], BluetoothAdapter.LeScanCallback)

(3) BluetoothAdapter.LeScanCallback 回调接口

-- 接口作用 : BluetoothAdapter.LeScanCallback 实现类, 在这个实现类的接口中返回 BLE 设备扫描结果;

-- 源码示例 :

private LeDeviceListAdapter mLeDeviceListAdapter;

...

// 设备扫描回调接口

private BluetoothAdapter.LeScanCallback mLeScanCallback =

new BluetoothAdapter.LeScanCallback() {

@Override

public void onLeScan(final BluetoothDevice device, int rssi,

byte[] scanRecord) {

runOnUiThread(new Runnable() {

@Override

public void run() {

mLeDeviceListAdapter.addDevice(device);

mLeDeviceListAdapter.notifyDataSetChanged();

}

});

}

};

(4) 设备扫描类型

设备扫描类型 : 蓝牙设备扫描 在同一个时间扫描时, 只能扫描 BLE 设备 或者 SPP 设备中的一种, 不能同时扫描两种设备.

7. 连接到 GATT 服务

(1) 连接指定 BluetoothDevice 蓝牙设备

连接指定设备 :

-- 连接到 GATT 服务 : 与 BLE 设备交互的第一步是 连接到 BLE 设备中的 GATT 服务.

-- 实现方法 : 调用 BluetoothDevice 的 connectGatt() 方法可以连接到 BLE 设备的 GATT 服务.

-- 参数解析 : connectGatt() 方法需要三个参数, 参数一 Context 上下文对象, 参数二 boolean autoConnect 是否自动连接扫描到的蓝牙设备, 参数三 BluetoothGattCallback 接口实现类.

-- 用法示例 :

mBluetoothGatt = device.connectGatt(this, false, mGattCallback);

-- 获取 BluetoothGatt 对象 : 调用 connectGatt() 方法可以连接到 BLE 设备上的 GATT 服务, 返回一个 BluetoothGatt 实例对象, 你可以使用这个对象去 管理 GATT 客户端操作.

-- GATT 客户端操作 : Android APP 可以调用 GATT Client (客户端). BluetoothGattCallback 可以用于传递结果到 GATT 客户端, 如 连接状态 和 更进一步的 GATT Client 操作.

(2) GATT 数据交互示例

BLE 蓝牙数据交互 :

-- 界面 : 在下面的示例中, BLE 应用提供了一个 Activity 界面, 该 Activity 界面用于 连接, 展示数据, 展示 GATT 服务 和 设备支持的特性.

-- BLE 蓝牙服务类 : 基于用户的输入, 这个 Activity 界面可以与一个 BluetoothLeService 的服务进行交流, 该交流的本质就是 BLE 设备的 GATT 服务 与 Android 的 BLE API 进行交流.

-- BLE 蓝牙服务类 示例代码 :

// BLE 设备可以通过该服务 与 Android 的 BLE API 进行互动

public class BluetoothLeService extends Service {

private final static String TAG = BluetoothLeService.class.getSimpleName();

private BluetoothManager mBluetoothManager;

private BluetoothAdapter mBluetoothAdapter;

private String mBluetoothDeviceAddress;

private BluetoothGatt mBluetoothGatt;

private int mConnectionState = STATE_DISCONNECTED;

private static final int STATE_DISCONNECTED = 0;

private static final int STATE_CONNECTING = 1;

private static final int STATE_CONNECTED = 2;

public final static String ACTION_GATT_CONNECTED =

"com.example.bluetooth.le.ACTION_GATT_CONNECTED";

public final static String ACTION_GATT_DISCONNECTED =

"com.example.bluetooth.le.ACTION_GATT_DISCONNECTED";

public final static String ACTION_GATT_SERVICES_DISCOVERED =

"com.example.bluetooth.le.ACTION_GATT_SERVICES_DISCOVERED";

public final static String ACTION_DATA_AVAILABLE =

"com.example.bluetooth.le.ACTION_DATA_AVAILABLE";

public final static String EXTRA_DATA =

"com.example.bluetooth.le.EXTRA_DATA";

public final static UUID UUID_HEART_RATE_MEASUREMENT =

UUID.fromString(SampleGattAttributes.HEART_RATE_MEASUREMENT);

// BLE API 中定义的不同的回调方法.

private final BluetoothGattCallback mGattCallback =

new BluetoothGattCallback() {

@Override

// BLE 设备的状态改变 连接 断开

public void onConnectionStateChange(BluetoothGatt gatt, int status,

int newState) {

String intentAction;

if (newState == BluetoothProfile.STATE_CONNECTED) {

intentAction = ACTION_GATT_CONNECTED;

mConnectionState = STATE_CONNECTED;

broadcastUpdate(intentAction);

Log.i(TAG, "连接到了 GATT 服务.");

Log.i(TAG, "尝试搜索服务:" +

mBluetoothGatt.discoverServices());

} else if (newState == BluetoothProfile.STATE_DISCONNECTED) {

intentAction = ACTION_GATT_DISCONNECTED;

mConnectionState = STATE_DISCONNECTED;

Log.i(TAG, "于 GATT 服务断开连接.");

broadcastUpdate(intentAction);

}

}

@Override

// BLE 设备中 新的 GATT 服务被发现

public void onServicesDiscovered(BluetoothGatt gatt, int status) {

if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {

broadcastUpdate(ACTION_GATT_SERVICES_DISCOVERED);

} else {

Log.w(TAG, "发现 GATT 服务 : " + status);

}

}

@Override

// 特性读取操作返回的数据

public void onCharacteristicRead(BluetoothGatt gatt,

BluetoothGattCharacteristic characteristic,

int status) {

if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {

broadcastUpdate(ACTION_DATA_AVAILABLE, characteristic);

}

}

...

};

...

}

-- 广播发送 : 当一个特定的回调被触发, 它调用适当的 broadcastUpdate() 帮助方法, 将其当做一个 Action 操作传递出去.

-- 注意蓝牙心率 : 这部分的数据解析 与 蓝牙心率测量 是一起被执行的.

-- 广播发送 示例代码 :

private void broadcastUpdate(final String action) {

final Intent intent = new Intent(action);

sendBroadcast(intent);

}

private void broadcastUpdate(final String action,

final BluetoothGattCharacteristic characteristic) {

final Intent intent = new Intent(action);

// This is special handling for the Heart Rate Measurement profile. Data

// parsing is carried out as per profile specifications.

// 心率监测规范的特殊处理

// 数据解析在每个规范中完成

if (UUID_HEART_RATE_MEASUREMENT.equals(characteristic.getUuid())) {

int flag = characteristic.getProperties();

int format = -1;

if ((flag & 0x01) != 0) {

format = BluetoothGattCharacteristic.FORMAT_UINT16;

Log.d(TAG, "心率格式 UINT16.");

} else {

format = BluetoothGattCharacteristic.FORMAT_UINT8;

Log.d(TAG, "心率格式 UINT8.");

}

final int heartRate = characteristic.getIntValue(format, 1);

Log.d(TAG, String.format("接收到心跳检测 : %d", heartRate));

intent.putExtra(EXTRA_DATA, String.valueOf(heartRate));

} else {

// 对于其它的规范, 写出 HEX 十六进制格式的数据

final byte[] data = characteristic.getValue();

if (data != null && data.length > 0) {

final StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder(data.length);

for(byte byteChar : data)

stringBuilder.append(String.format("%02X ", byteChar));

intent.putExtra(EXTRA_DATA, new String(data) + "\n" +

stringBuilder.toString());

}

}

sendBroadcast(intent);

}

// 处理 Service 发起的的不同事件

// ACTION_GATT_CONNECTED: 连接到 GATT 服务.

// ACTION_GATT_DISCONNECTED: 与 GATT 服务断开.

// ACTION_GATT_SERVICES_DISCOVERED: 发现 GATT 服务.

// ACTION_DATA_AVAILABLE: 从 BLE 设备中接收数据, 数据可以是 read 或者 Notification 操作的结果.

private final BroadcastReceiver mGattUpdateReceiver = new BroadcastReceiver() {

@Override

public void onReceive(Context context, Intent intent) {

final String action = intent.getAction();

if (BluetoothLeService.ACTION_GATT_CONNECTED.equals(action)) {

mConnected = true;

updateConnectionState(R.string.connected);

invalidateOptionsMenu();

} else if (BluetoothLeService.ACTION_GATT_DISCONNECTED.equals(action)) {

mConnected = false;

updateConnectionState(R.string.disconnected);

invalidateOptionsMenu();

clearUI();

} else if (BluetoothLeService.

ACTION_GATT_SERVICES_DISCOVERED.equals(action)) {

// 在用户界面 显示所有支持的服务 和 特性.

displayGattServices(mBluetoothLeService.getSupportedGattServices());

} else if (BluetoothLeService.ACTION_DATA_AVAILABLE.equals(action)) {

displayData(intent.getStringExtra(BluetoothLeService.EXTRA_DATA));

}

}

};

8. 读取 BLE 属性

读写属性简介 :

-- 读写属性前提 : Android 应用连接到了 设备中的 GATT 服务, 并且发现了 各种服务 (特性集合), 可以读写其中的属性.

-- 读写属性代码示例 : 遍历服务 (特性集合) 和 特性, 将其展示在 UI 界面中.

public class DeviceControlActivity extends Activity {

...

// 示范如何通过其所支持的 GATT 遍历 服务 (Services) 和 特性 (Characteristics)

// 在这个示例中, 我们将查询出的数据填充到 UI 界面中的 ExpandableListView 中

private void displayGattServices(List gattServices) {

if (gattServices == null) return;

String uuid = null;

String unknownServiceString = getResources().

getString(R.string.unknown_service);

String unknownCharaString = getResources().

getString(R.string.unknown_characteristic);

ArrayList> gattServiceData =

new ArrayList>();

ArrayList>> gattCharacteristicData

= new ArrayList>>();

mGattCharacteristics =

new ArrayList>();

// 遍历 GATT 服务

for (BluetoothGattService gattService : gattServices) {

HashMap currentServiceData =

new HashMap();

uuid = gattService.getUuid().toString();

currentServiceData.put(

LIST_NAME, SampleGattAttributes.

lookup(uuid, unknownServiceString));

currentServiceData.put(LIST_UUID, uuid);

gattServiceData.add(currentServiceData);

ArrayList> gattCharacteristicGroupData =

new ArrayList>();

// 获取服务中的特性集合

List gattCharacteristics =

gattService.getCharacteristics();

ArrayList charas =

new ArrayList();

// 循环遍历特性集合

for (BluetoothGattCharacteristic gattCharacteristic :

gattCharacteristics) {

charas.add(gattCharacteristic);

HashMap currentCharaData =

new HashMap();

uuid = gattCharacteristic.getUuid().toString();

currentCharaData.put(

LIST_NAME, SampleGattAttributes.lookup(uuid,

unknownCharaString));

currentCharaData.put(LIST_UUID, uuid);

gattCharacteristicGroupData.add(currentCharaData);

}

mGattCharacteristics.add(charas);

gattCharacteristicData.add(gattCharacteristicGroupData);

}

...

}

...

}

9. 接收 GATT 通知

-- 代码示例 : 使用 setCharacteristicNotification() 方法为特性设置通知.

private BluetoothGatt mBluetoothGatt;

BluetoothGattCharacteristic characteristic;

boolean enabled;

...

// 设置是否监听某个特性改变

mBluetoothGatt.setCharacteristicNotification(characteristic, enabled);

...

BluetoothGattDescriptor descriptor = characteristic.getDescriptor(

UUID.fromString(SampleGattAttributes.CLIENT_CHARACTERISTIC_CONFIG));

descriptor.setValue(BluetoothGattDescriptor.ENABLE_NOTIFICATION_VALUE);

mBluetoothGatt.writeDescriptor(descriptor);

@Override

// 特性通知

public void onCharacteristicChanged(BluetoothGatt gatt,

BluetoothGattCharacteristic characteristic) {

broadcastUpdate(ACTION_DATA_AVAILABLE, characteristic);

}

10. 关闭 APP 中的 BLE 连接

关闭 BLE 设备连接 :

-- 关闭方法 : 一旦结束了 BLE 设备的使用, 调用 BluetoothGatt 的 close() 方法, 关闭 BLE 连接, 释放相关的资源.

-- 关闭示例 :

public void close() {

if (mBluetoothGatt == null) {

return;

}

mBluetoothGatt.close();

mBluetoothGatt = null;

}

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