蓝牙低能量概述
2019-05-31 本文已影响0人
鹿小纯0831
Android 4.3（API级别18）引入了内置平台支持蓝牙低功耗（BLE）的核心角色，并提供应用程序可用于发现设备，查询服务和传输信息的API。
常见用例包括以下内容：
- 在附近设备之间传输少量数据。
- 与Google Beacons等接近传感器进行交互，根据用户的当前位置为用户提供定制体验。
与经典蓝牙相比，蓝牙低功耗（BLE）旨在提供显着降低的功耗。 这允许Android应用程序与具有更严格电源要求的BLE设备通信，例如接近传感器，心率监视器和健身设备。
关键术语和概念
以下是关键BLE术语和概念的摘要：
- 通用属性配置文件（GATT） - GATT配置文件是用于在BLE链路上发送和接收称为“属性”的短数据的通用规范。 目前所有低能耗应用配置文件均基于GATT。
- Bluetooth SIG为低能耗设备定义了许多配置文件。 配置文件是设备在特定应用程序中的工作方式的规范。 请注意，设备可以实现多个配置文件。 例如，设备可以包含心率监测器和电池水平检测器。
- 属性协议（ATT）-GATT建立在属性协议（ATT）之上。 这也称为GATT / ATT。 ATT经过优化，可在BLE设备上运行。 为此，它使用尽可能少的字节。 每个属性由通用唯一标识符（UUID）唯一标识，UUID是用于唯一标识信息的字符串ID的标准化128位格式。 ATT传输的属性被格式化为特征和服务。
- 特征 - 特征包含描述特征值的单个值和0-n描述符。 特征可以被认为是类型，类似于类。
- 描述符 - 描述符是定义描述特征值的属性。 例如，描述符可以指定人类可读的描述，特征值的可接受范围，或特征值特定的度量单位。
- 服务 - 服务是一系列特征。 例如，您可以使用名为“心率监测器”的服务，其中包括“心率测量”等特征。 您可以在bluetooth.org上找到基于GATT的现有配置文件和服务的列表。
角色和责任
以下是Android设备与BLE设备交互时应用的角色和职责：
- 中央与外围。 这适用于BLE连接本身。 中心角色的设备扫描，寻找广告，外围角色的设备制作广告。
- GATT服务器与GATT客户端。 这确定了两个设备建立连接后如何相互通信。
要了解这种区别，请假设您拥有一部Android手机和一台BLE设备的活动跟踪器。手机支持中心角色;活动跟踪器支持外围角色（为了建立一个BLE连接，你需要一个 - 两个只支持外围设备无法相互通信的东西，也不能只支持两个中心的东西）。
一旦电话和活动跟踪器建立了连接，他们就开始将GATT元数据相互转移。根据它们传输的数据类型，一个或另一个可能充当服务器。例如，如果活动跟踪器想要将传感器数据报告给电话，则活动跟踪器充当服务器可能是有意义的。如果活动跟踪器想要从手机接收更新，那么手机充当服务器可能是有意义的。
在本文档中使用的示例中，Android应用程序（在Android设备上运行）是GATT客户端。该应用程序从GATT服务器获取数据，GATT服务器是支持心率配置文件的BLE心率监测器。但您也可以将Android应用设计为扮演GATT服务器角色。有关更多信息，请参阅BluetoothGattServer。
BLE权限
要在您的应用程序中使用蓝牙功能，您必须声明蓝牙权限BLUETOOTH。 您需要此权限才能执行任何蓝牙通信，例如请求连接，接受连接和传输数据。
如果您希望应用程序启动设备发现或操作蓝牙设置，则还必须声明BLUETOOTH_ADMIN权限。 注意：如果使用BLUETOOTH_ADMIN权限，则还必须具有BLUETOOTH权限。
在应用程序清单文件中声明蓝牙权限。 例如：
<uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH"/>
<uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH_ADMIN"/>
如果您要声明您的应用仅适用于支持BLE的设备，请在应用清单中包含以下内容：
<uses-feature android:name="android.hardware.bluetooth_le" android:required="true"/>
但是，如果您希望将应用程序提供给不支持BLE的设备，您仍应将此元素包含在应用程序的清单中，但必须设置required =“false”。 然后在运行时，您可以使用PackageManager.hasSystemFeature（）确定BLE可用性：
// Use this check to determine whether BLE is supported on the device. Then
// you can selectively disable BLE-related features.
if (!getPackageManager().hasSystemFeature(PackageManager.FEATURE_BLUETOOTH_LE)) {
Toast.makeText(this, R.string.ble_not_supported, Toast.LENGTH_SHORT).show();
finish();
}
注意：LE Beacons通常与位置相关联。 要使用BluetoothLeScanner，您必须通过在应用程序的清单文件中声明ACCESS_COARSE_LOCATION或ACCESS_FINE_LOCATION权限来请求用户的权限。 没有这些权限，扫描将不会返回任何结果。
设置BLE
在您的应用程序可以通过BLE进行通信之前，您需要验证设备是否支持BLE，如果是，请确保它已启用。 请注意，仅当<uses-feature ... />设置为false时才需要进行此检查。
如果不支持BLE，则应优雅地禁用任何BLE功能。 如果BLE受支持但已禁用，则您可以请求用户启用蓝牙而无需离开您的应用程序。 使用BluetoothAdapter，可以分两步完成此设置。
- 获取BluetoothAdapter
任何和所有蓝牙活动都需要BluetoothAdapter。 BluetoothAdapter代表设备自己的蓝牙适配器（蓝牙无线电）。 整个系统都有一个蓝牙适配器，您的应用程序可以使用此对象与其进行交互。 下面的代码段显示了如何获取适配器。 请注意，此方法使用getSystemService（）返回BluetoothManager的实例，然后使用该实例获取适配器。 Android 4.3（API Level 18）介绍了BluetoothManager：
private BluetoothAdapter bluetoothAdapter;
...
// Initializes Bluetooth adapter.
final BluetoothManager bluetoothManager =
(BluetoothManager) getSystemService(Context.BLUETOOTH_SERVICE);
bluetoothAdapter = bluetoothManager.getAdapter();
- 启用蓝牙
接下来，您需要确保启用蓝牙。 调用isEnabled（）检查当前是否启用了蓝牙。 如果此方法返回false，则禁用蓝牙。 以下代码段会检查是否已启用蓝牙。 如果不是，则代码段会显示错误提示用户转到“设置”以启用蓝牙：
// Ensures Bluetooth is available on the device and it is enabled. If not,
// displays a dialog requesting user permission to enable Bluetooth.
if (bluetoothAdapter == null || !bluetoothAdapter.isEnabled()) {
Intent enableBtIntent = new Intent(BluetoothAdapter.ACTION_REQUEST_ENABLE);
startActivityForResult(enableBtIntent, REQUEST_ENABLE_BT);
}
注意：传递给startActivityForResult（android.content.Intent，int）的REQUEST_ENABLE_BT常量是一个本地定义的整数（必须大于0），系统会在你的onActivityResult（int，int，android.content）中传回给你。 Intent）实现为requestCode参数。
找到BLE设备
要查找BLE设备，请使用startLeScan（）方法。 此方法将BluetoothAdapter.LeScanCallback作为参数。 您必须实现此回调，因为这是返回扫描结果的方式。 由于扫描是电池密集型的，因此您应遵守以下准则：
- 找到所需设备后，请立即停止扫描。
- 切勿扫描循环，并设置扫描时间限制。 之前可用的设备可能已超出范围，并继续扫描耗尽电池。
以下代码段显示了如何启动和停止扫描：
/**
* Activity for scanning and displaying available BLE devices.
*/
public class DeviceScanActivity extends ListActivity {
private BluetoothAdapter bluetoothAdapter;
private boolean mScanning;
private Handler handler;
// Stops scanning after 10 seconds.
private static final long SCAN_PERIOD = 10000;
...
private void scanLeDevice(final boolean enable) {
if (enable) {
// Stops scanning after a pre-defined scan period.
handler.postDelayed(new Runnable() {
@Override
public void run() {
mScanning = false;
bluetoothAdapter.stopLeScan(leScanCallback);
}
}, SCAN_PERIOD);
mScanning = true;
bluetoothAdapter.startLeScan(leScanCallback);
} else {
mScanning = false;
bluetoothAdapter.stopLeScan(leScanCallback);
}
...
}
...
}
如果您只想扫描特定类型的外围设备，可以调用startLeScan（UUID []，BluetoothAdapter.LeScanCallback），提供一组UUID对象，指定您的应用支持的GATT服务。
以下是BluetoothAdapter.LeScanCallback的实现，它是用于提供BLE扫描结果的接口：
private LeDeviceListAdapter leDeviceListAdapter;
...
// Device scan callback.
private BluetoothAdapter.LeScanCallback leScanCallback =
new BluetoothAdapter.LeScanCallback() {
@Override
public void onLeScan(final BluetoothDevice device, int rssi,
byte[] scanRecord) {
runOnUiThread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
leDeviceListAdapter.addDevice(device);
leDeviceListAdapter.notifyDataSetChanged();
}
});
}
};
注意：您只能扫描蓝牙LE设备或扫描经典蓝牙设备，如蓝牙中所述。 您无法同时扫描蓝牙LE和传统设备。
连接到GATT服务器
与BLE设备交互的第一步是连接到它 - 更具体地说，连接到设备上的GATT服务器。 要连接到BLE设备上的GATT服务器，请使用connectGatt（）方法。 此方法有三个参数：一个Context对象，autoConnect（指示是否在可用时自动连接到BLE设备的布尔值），以及对BluetoothGattCallback的引用：
bluetoothGatt = device.connectGatt(this, false, gattCallback);
这将连接到BLE设备托管的GATT服务器，并返回一个BluetoothGatt实例，然后您可以使用该实例执行GATT客户端操作。 呼叫者（Android应用）是GATT客户端。 BluetoothGattCallback用于向客户端提供结果，例如连接状态，以及任何进一步的GATT客户端操作。
在此示例中，BLE应用程序提供活动（DeviceControlActivity）以连接，显示数据和显示设备支持的GATT服务和特征。 根据用户输入，此活动与名为BluetoothLeService的服务进行通信，该服务通过Android BLE API与BLE设备进行交互：
// A service that interacts with the BLE device via the Android BLE API.
public class BluetoothLeService extends Service {
private final static String TAG = BluetoothLeService.class.getSimpleName();
private BluetoothManager bluetoothManager;
private BluetoothAdapter bluetoothAdapter;
private String bluetoothDeviceAddress;
private BluetoothGatt bluetoothGatt;
private int connectionState = 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);
// Various callback methods defined by the BLE API.
private final BluetoothGattCallback gattCallback =
new BluetoothGattCallback() {
@Override
public void onConnectionStateChange(BluetoothGatt gatt, int status,
int newState) {
String intentAction;
if (newState == BluetoothProfile.STATE_CONNECTED) {
intentAction = ACTION_GATT_CONNECTED;
connectionState = STATE_CONNECTED;
broadcastUpdate(intentAction);
Log.i(TAG, "Connected to GATT server.");
Log.i(TAG, "Attempting to start service discovery:" +
bluetoothGatt.discoverServices());
} else if (newState == BluetoothProfile.STATE_DISCONNECTED) {
intentAction = ACTION_GATT_DISCONNECTED;
connectionState = STATE_DISCONNECTED;
Log.i(TAG, "Disconnected from GATT server.");
broadcastUpdate(intentAction);
}
}
@Override
// New services discovered
public void onServicesDiscovered(BluetoothGatt gatt, int status) {
if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
broadcastUpdate(ACTION_GATT_SERVICES_DISCOVERED);
} else {
Log.w(TAG, "onServicesDiscovered received: " + status);
}
}
@Override
// Result of a characteristic read operation
public void onCharacteristicRead(BluetoothGatt gatt,
BluetoothGattCharacteristic characteristic,
int status) {
if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
broadcastUpdate(ACTION_DATA_AVAILABLE, characteristic);
}
}
...
};
...
}
当触发特定回调时，它会调用相应的broadcastUpdate（）辅助方法并向其传递操作。 请注意，本节中的数据解析是根据蓝牙心率测量配置文件规范执行的：
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.
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, "Heart rate format UINT16.");
} else {
format = BluetoothGattCharacteristic.FORMAT_UINT8;
Log.d(TAG, "Heart rate format UINT8.");
}
final int heartRate = characteristic.getIntValue(format, 1);
Log.d(TAG, String.format("Received heart rate: %d", heartRate));
intent.putExtra(EXTRA_DATA, String.valueOf(heartRate));
} else {
// For all other profiles, writes the data formatted in HEX.
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);
}
回到DeviceControlActivity，这些事件由BroadcastReceiver处理：
// Handles various events fired by the Service.
// ACTION_GATT_CONNECTED: connected to a GATT server.
// ACTION_GATT_DISCONNECTED: disconnected from a GATT server.
// ACTION_GATT_SERVICES_DISCOVERED: discovered GATT services.
// ACTION_DATA_AVAILABLE: received data from the device. This can be a
// result of read or notification operations.
private final BroadcastReceiver gattUpdateReceiver = new BroadcastReceiver() {
@Override
public void onReceive(Context context, Intent intent) {
final String action = intent.getAction();
if (BluetoothLeService.ACTION_GATT_CONNECTED.equals(action)) {
connected = true;
updateConnectionState(R.string.connected);
invalidateOptionsMenu();
} else if (BluetoothLeService.ACTION_GATT_DISCONNECTED.equals(action)) {
connected = false;
updateConnectionState(R.string.disconnected);
invalidateOptionsMenu();
clearUI();
} else if (BluetoothLeService.
ACTION_GATT_SERVICES_DISCOVERED.equals(action)) {
// Show all the supported services and characteristics on the
// user interface.
displayGattServices(bluetoothLeService.getSupportedGattServices());
} else if (BluetoothLeService.ACTION_DATA_AVAILABLE.equals(action)) {
displayData(intent.getStringExtra(BluetoothLeService.EXTRA_DATA));
}
}
};
读BLE属性
一旦您的Android应用程序连接到GATT服务器并发现了服务，它就可以在支持的位置读取和写入属性。 例如，此代码段迭代服务器的服务和特征，并在UI中显示它们：
public class DeviceControlActivity extends Activity {
...
// Demonstrates how to iterate through the supported GATT
// Services/Characteristics.
// In this sample, we populate the data structure that is bound to the
// ExpandableListView on the UI.
private void displayGattServices(List<BluetoothGattService> 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<HashMap<String, String>> gattServiceData =
new ArrayList<HashMap<String, String>>();
ArrayList<ArrayList<HashMap<String, String>>> gattCharacteristicData
= new ArrayList<ArrayList<HashMap<String, String>>>();
mGattCharacteristics =
new ArrayList<ArrayList<BluetoothGattCharacteristic>>();
// Loops through available GATT Services.
for (BluetoothGattService gattService : gattServices) {
HashMap<String, String> currentServiceData =
new HashMap<String, String>();
uuid = gattService.getUuid().toString();
currentServiceData.put(
LIST_NAME, SampleGattAttributes.
lookup(uuid, unknownServiceString));
currentServiceData.put(LIST_UUID, uuid);
gattServiceData.add(currentServiceData);
ArrayList<HashMap<String, String>> gattCharacteristicGroupData =
new ArrayList<HashMap<String, String>>();
List<BluetoothGattCharacteristic> gattCharacteristics =
gattService.getCharacteristics();
ArrayList<BluetoothGattCharacteristic> charas =
new ArrayList<BluetoothGattCharacteristic>();
// Loops through available Characteristics.
for (BluetoothGattCharacteristic gattCharacteristic :
gattCharacteristics) {
charas.add(gattCharacteristic);
HashMap<String, String> currentCharaData =
new HashMap<String, String>();
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);
}
...
}
...
}
收到GATT通知
BLE应用程序通常会要求在设备上的特定特征发生变化时收到通知。 此代码段显示如何使用setCharacteristicNotification（）方法设置特征的通知：
private BluetoothGatt bluetoothGatt;
BluetoothGattCharacteristic characteristic;
boolean enabled;
...
bluetoothGatt.setCharacteristicNotification(characteristic, enabled);
...
BluetoothGattDescriptor descriptor = characteristic.getDescriptor(
UUID.fromString(SampleGattAttributes.CLIENT_CHARACTERISTIC_CONFIG));
descriptor.setValue(BluetoothGattDescriptor.ENABLE_NOTIFICATION_VALUE);
bluetoothGatt.writeDescriptor(descriptor);
为特性启用通知后，如果远程设备上的特性发生更改，则会触发onCharacteristicChanged（）回调：
@Override
// Characteristic notification
public void onCharacteristicChanged(BluetoothGatt gatt,
BluetoothGattCharacteristic characteristic) {
broadcastUpdate(ACTION_DATA_AVAILABLE, characteristic);
}
关闭客户端应用程序
一旦您的应用程序使用完BLE设备，它应该调用close（），以便系统可以适当地释放资源：
public void close() {
if (bluetoothGatt == null) {
return;
}
bluetoothGatt.close();
bluetoothGatt = null;
}
