低功耗蓝牙原理与实现

2021-07-24 本文已影响0人安卓技术砖家

最近公司提出一个需求：如果当前安卓手机支持BLE(Bluetooth Low Energy 低功耗蓝牙)，则需要将当前的手机和车机通过蓝牙进行互联，并实现通信。由于之前没有接触过BLE相关的内容，实现的过程中遇到了许多困难，但也因此学到了不少的知识，因此想写下这篇文章与大家分享。文章主要包括以下几个内容：

BLE原理详解
BLE相关的几个概念详解
BLE相关的几个类详解
BLE实现的前提条件
BLE使用的一般流程
BLE使用过程中遇到的一些坑
参考资料

原理详解

蓝牙通信的主从关系

蓝牙技术规定每一对设备之间进行蓝牙通讯时，必须一个为主角色，另一为从角色，才能进行通信，通信时，必须由主端进行查找，发起配对，建链成功后，双方即可收发数据。理论上，一个蓝牙主端设备，可同时与7个蓝牙从端设备进行通讯。一个具备蓝牙通讯功能的设备，可以在两个角色间切换，平时工作在从模式，等待其它主设备来连接，需要时，转换为主模式，向其它设备发起呼叫。一个蓝牙设备以主模式发起呼叫时，需要知道对方的蓝牙地址，配对密码等信息，配对完成后，可直接发起呼叫。这可以解释为什么有时无法连接蓝牙，有可能是连接的蓝牙设备过多。

蓝牙的呼叫过程

蓝牙主端设备发起呼叫，首先是查找，找出周围处于可被查找的蓝牙设备。主端设备找到从端蓝牙设备后，与从端蓝牙设备进行配对，此时需要输入从端设备的PIN码，也有设备不需要输入PIN码。配对完成后，从端蓝牙设备会记录主端设备的信任信息，此时主端即可向从端设备发起呼叫，已配对的设备在下次呼叫时，不再需要重新配对。已配对的设备，做为从端的蓝牙耳机也可以发起建链请求，但做数据通讯的蓝牙模块一般不发起呼叫。链路建立成功后，主从两端之间即可进行双向的数据或语音通讯。在通信状态下，主端和从端设备都可以发起断链，断开蓝牙链路。

蓝牙一对一的串口数据传输应用

蓝牙数据传输应用中，一对一串口数据通讯是最常见的应用之一，蓝牙设备在出厂前即提前设好两个蓝牙设备之间的配对信息，主端预存有从端设备的PIN码、地址等，两端设备加电即自动建链，透明串口传输，无需外围电路干预。一对一应用中从端设备可以设为两种类型，一是静默状态，即只能与指定的主端通信，不被别的蓝牙设备查找；二是开发状态，既可被指定主端查找，也可以被别的蓝牙设备查找建链。

低功耗蓝牙相关的几个概念详解

BLE 全称为Bluetooth Low Energy，即低功耗蓝牙
GATT 全称为Generic Attribute Profile，即通用属性协议
通过BLE连接，读写属性类小数据的Profile通用规范。现在所有的BLE应用Profile都是基于GATT的。GATT包含若干个Profile，一个Profile包含若干个Services，一个Service包含若干个Characteristics，一个Characteristic包含Properties字段和若干个Descriptor(可选)。
GATT调用下层的ATT，ATT的attirbute在GATT中表现为Characteristic。有关GATT相关的东西，这篇博客写的很清楚，有兴趣的朋友可以看看。Generic Attribute Profile (GATT) 通用属性协议
ATT 全称Attribute Protocol
GATT是基于ATT Protocol的。ATT针对BLE设备做了专门的优化，具体就是在传输过程中使用尽量少的数据。每个属性都有一个唯一的UUID，属性将以characteristics and services的形式传输。
UUID 全称Universally Unique Identifier，即通用唯一识别码
在BLE中，所有的Service，Service包含的Characteristic，以及Characteristic包含的Descriptor都是通过UUID进行标识的。
Service
Characteristic的集合。例如一个service叫做“Heart Rate Monitor”，它可能包含多个Characteristics，其中可能包含一个叫做“heart ratemeasurement”的Characteristic。一个手环可能。
Characteristic
Characteristic可以理解为一个数据类型，它包括一个value和0至多个对次value的描述（Descriptor）。
Descriptor
对Characteristic的描述，例如范围、计量单位等。

低功耗蓝牙相关的几个类详解

BluetoothManager。通过Context.getSystemService(Context.BLUETOOTH_SERVICE)获得，主要是用于获取BluetoothAdapter实例。
BluetoothAdapter。BLE的主要操作都是通过BluetoothAdapter来实现的，比如判断当前设备的BLE是否可用，是否打开，以及扫描，停止扫描，获取远程设备等。
BluetoothDevice。代表设备上发现的BLE设备，相当于一个Bean，里面包含BLE设备的许多信息，比如蓝牙的名称，蓝牙的地址，同时也是通过它进行连接操作的，同时返回一个BluetoothGatt对象等等。
BluetoothGatt。包含一些 Bluetooth GATT Profile公用的API，比如发现服务，读数据，写数据，判断设备是否在连接状态，断开连接等等。
BluetoothGattService。代表一个Bluetooth GATT Service
BluetoothGattCharacteristic。Represents a Bluetooth GATT Characteristic
BluetoothGattDescriptor。代表一个Bluetooth GATT Descriptor

实现的前提条件

首先当前的设备必须要支持BLE，且Android系统必须在4.3或以上。和经典蓝牙一样，应用使用蓝牙，需要声明BLUETOOTH权限，如果需要扫描设备或者操作蓝牙设置，则还需要BLUETOOTH_ADMIN权限：

除了蓝牙权限外，如果需要BLE feature则还需要声明uses-feature：按时required为true时，则应用只能在支持BLE的Android设备上安装运行；required为false时，Android设备均可正常安装运行，需要在代码运行时判断设备是否支持BLE feature：

if(!getPackageManager().hasSystemFeature(PackageManager.FEATURE_BLUETOOTH_LE)){
    Toast.makeText(this, R.string.ble_not_supported,Toast.LENGTH_SHORT).show();
    finish();
}

低功耗蓝牙使用的一般流程

在AndroidManifest文件中添加相关的权限和相关的特征；
检查当前设备是否支持BLE，并且蓝牙是否打开；
扫描设备；
连接指定设备；
对指定设备进行读写等操作；
断开连接；
关闭蓝牙

使用过程中遇到的一些坑

扫描到蓝牙后，除了BluetoothDevice里面发现的名称和地址之外，没有获取设备里包含的更多信息：在BluetoothAdapter.LeScanCallback中的onLeScan(final BluetoothDevice device, int rssi, byte[] scanRecord)回调函数，第三个参数scanRecord中包含了更多远程设备的信息。
写数据收不到反馈信息（onCharacteristicChanged()函数就是不回调）：首先要确保打开了对应的通知，其次要确保相应的Descriptor执行了类似以下的操作:

if (UUID_HEART_RATE_MEASUREMENT.equals(characteristic.getUuid())) {
    BluetoothGattDescriptor descriptor = characteristic.getDescriptor(
        UUID.fromString(SampleGattAttributes.CLIENT_CHARACTERISTIC_CONFIG));
    descriptor.setValue(BluetoothGattDescriptor.ENABLE_INDICATION_VALUE);
    mBluetoothGatt.writeDescriptor(descriptor);
}

写数据写两次才能收到反馈信息:这个问题真的是非常奇怪，就是明明用正确的方式打开了通知，可是就是收不到数据，但是写两次就可以收到数据。后来的解决方案是：在打开通知以后，延迟1秒进行写操作，就成功了。想必应该是打开通知也是需要时间的，必须在通知打开完成之后，进行写操作才能收到对象的信息。
发现服务后，在ExpandableListView中无法显示数据：解决方案也是通过Handler延迟0.5S左右就可以正常显示了。

参考资料

BLE简介和Android BLE编程
Generic Attribute Profile (GATT) 通用属性协议
android ble 的各种坑
Android 蓝牙4.0 ble 官方 demo