Android使用BLE(低功耗藍芽，Bluetooth Low Energy)
背景
在學習BLE的過程中，積累了一些心得的DEMO，放到Github，形成本文。感興趣的同學可以下載到原始碼。
github:https://github.com/vir56k/bluetoothDemo
什麼是BLE(低功耗藍芽)
BLE(Bluetooth Low Energy，低功耗藍芽)是對傳統藍芽BR/EDR技術的補充。
儘管BLE和傳統藍芽都稱之為藍芽標準，且共享射頻，但是，BLE是一個完全不一樣的技術。
BLE不具備和傳統藍芽BR/EDR的相容性。它是專為小資料率、離散傳輸的應用而設計的。
通訊距離上也有改變，傳統藍芽的傳輸距離幾十米到幾百米不等，BLE則規定為100米。
低功耗藍芽特點
*功耗低
*連線更快，無需配對
*非同步通訊
常見兩種藍芽模式
*普通藍芽連線（2.0）
*BLE(藍芽4.0)
關鍵術語和概念
*Generic Attribute Profile（GATT）—GATT配置檔案是一個通用規範，用於在BLE鏈路上傳送和接收被稱為“屬性”的資料塊。目前所有的BLE應用都基於GATT。 藍芽SIG規定了許多低功耗裝置的配置檔案。配置檔案是裝置如何在特定的應用程式中工作的規格說明。注意一個裝置可以實現多個配置檔案。例如，一個裝置可能包括心率監測儀和電量檢測。
*Attribute Protocol（ATT）—GATT在ATT協議基礎上建立，也被稱為GATT/ATT。ATT對在BLE裝置上執行進行了優化，為此，它使用了儘可能少的位元組。每個屬性通過一個唯一的的統一識別符號（UUID）來標識，每個String型別UUID使用128 bit標準格式。屬性通過ATT被格式化為characteristics和services。
*Characteristic 一個characteristic包括一個單一變數和0-n個用來描述characteristic變數的descriptor，characteristic可以被認為是一個型別，類似於類。
*Descriptor Descriptor用來描述characteristic變數的屬性。例如，一個descriptor可以規定一個可讀的描述，或者一個characteristic變數可接受的範圍，或者一個characteristic變數特定的測量單位。
*Service service是characteristic的集合。例如，你可能有一個叫“Heart Rate Monitor(心率監測儀)”的service，它包括了很多characteristics，如“heart rate measurement(心率測量)”等。你可以在bluetooth.org 找到一個目前支援的基於GATT的配置檔案和服務列表。
角色和責任
以下是Android裝置與BLE裝置互動時的角色和責任：
*中央 VS 外圍裝置。 適用於BLE連線本身。中央裝置掃描，尋找廣播；外圍裝置發出廣播。
*GATT 服務端 VS GATT 客戶端。決定了兩個裝置在建立連線後如何互相交流。
為了方便理解，想象你有一個Android手機和一個用於活動跟蹤BLE裝置，手機支援中央角色，活動跟蹤器支援外圍（為了建立BLE連線你需要注意兩件事，只支援外圍裝置的兩方或者只支援中央裝置的兩方不能互相通訊）。
當手機和運動追蹤器建立連線後，他們開始向另一方傳輸GATT資料。哪一方作為伺服器取決於他們傳輸資料的種類。例如，如果運動追蹤器想向手機報告感測器資料，運動追蹤器是服務端。如果運動追蹤器更新來自手機的資料，手機會作為服務端。
在這份文件的例子中，android app(執行在android裝置上）作為GATT客戶端。app從gatt服務端獲得資料，gatt服務端即支援Heart Rate Profile(心率配置）的BLE心率監測儀。但是你可以自己設計android app去扮演GATT服務端角色
裝置對BLE的支援
分為兩種情況
* 目標裝置是否支援BLE
* Android手機是否支援BLE
目標裝置是否支援要看具體目標裝置的情況，請參考硬體提供商和說明書。
一般情況下Android4.3以後的手機具有藍芽模組的話都會支援BLE，具體可以再程式碼中判斷。
為了在app中使用藍芽功能，必須宣告藍芽許可權BLUETOOTH。利用這個許可權去執行藍芽通訊，例如請求連線、接受連線、和傳輸資料。
如果想讓你的app啟動裝置發現或操縱藍芽設定，必須宣告BLUETOOTH_ADMIN許可權。注意：如果你使用BLUETOOTH_ADMIN許可權，你也必須宣告BLUETOOTH許可權。
在你的app manifest檔案中宣告藍芽許可權。
<uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH"/> <uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH_ADMIN"/>
如果想宣告你的app只為具有BLE的裝置提供，在manifest檔案中包括：
<uses-feature android:name="android.hardware.bluetooth_le" android:required="true"/>
程式碼中判斷手機是否支援BLE特性：
// 使用此檢查確定BLE是否支援在裝置上，然後你可以有選擇性禁用BLE相關的功能
if (!getPackageManager().hasSystemFeature(PackageManager.FEATURE_BLUETOOTH_LE)) {
Toast.makeText(this, R.string.ble_not_supported, Toast.LENGTH_SHORT).show();
finish();
}
在Android中使用BLE
1.獲取 BluetoothAdapter
所有的藍芽活動都需要藍芽介面卡。BluetoothAdapter代表裝置本身的藍芽介面卡(藍芽無線）。整個系統只有一個藍芽介面卡，而且你的app使用它與系統互動。
//使用getSystemService（）返回BluetoothManager，然後將其用於獲取介面卡的一個例項。 // 初始化藍芽介面卡 final BluetoothManager bluetoothManager = (BluetoothManager) getSystemService(Context.BLUETOOTH_SERVICE); mBluetoothAdapter = bluetoothManager.getAdapter();
2.開啟藍芽
呼叫isEnabled())去檢測藍芽當前是否開啟。如果該方法返回false,藍芽被禁用。下面的程式碼檢查藍芽是否開啟，如果沒有開啟，將顯示錯誤提示使用者去設定開啟藍芽
// 確保藍芽在裝置上可以開啟
if (mBluetoothAdapter == null || !mBluetoothAdapter.isEnabled()) {
Intent enableBtIntent = new Intent(BluetoothAdapter.ACTION_REQUEST_ENABLE);
startActivityForResult(enableBtIntent, REQUEST_ENABLE_BT);
}
3.搜尋藍芽裝置
為了發現BLE裝置，使用startLeScan())方法。這個方法需要一個引數BluetoothAdapter.LeScanCallback。你必須實現它的回撥函式，那就是返回的掃描結果。因為掃描非常消耗電量，你應當遵守以下準則：
*只要找到所需的裝置，停止掃描。
*不要在迴圈裡掃描，並且對掃描設定時間限制。以前可用的裝置可能已經移出範圍，繼續掃描消耗電池電量。
public void cancelDiscovery() {
if(isDiscovering) {
isDiscovering = false;
mBluetoothAdapter.stopLeScan(mLeScanCallback);
}
}
public boolean isDiscovering() {
return isDiscovering;
}
public void startDiscovery() {
mBluetoothAdapter.startLeScan(mLeScanCallback);
isDiscovering = true;
mHandler.postDelayed(new Runnable() {
@Override
public void run() {
cancelDiscovery();
if (getCallback() != null)
getCallback().onDiscoveryComplete();
}
}, SCAN_PERIOD);
}
private BluetoothAdapter.LeScanCallback mLeScanCallback = new BluetoothAdapter.LeScanCallback() {
@Override
public void onLeScan(BluetoothDevice device, int rssi, byte[] scanRecord) {
if (getCallback() != null)
getCallback().onDeviceFound(device);
}
};
GATT連線
搜尋結束後，我們可得到一個搜尋結果 BluetoothDevice ，它表示搜到的藍芽裝置
1.呼叫
mBluetoothGatt = device.connectGatt(this, false, mGattCallback);
可以建立一個GATT連線，它需要一個 回撥mGattCallback 引數。
2.在回撥方法的 onConnectionStateChange 中，我們可以通過 status 判斷是否GATT連線成功
3.在GATT連線建立成功後，我們呼叫 mBluetoothGatt.discoverServices() 方法 發現GATT服務。
如果搜到服務將會觸發onServicesDiscovered回撥
// Implements callback methods for GATT events that the app cares about.For example,
// connection change and services discovered.
private final BluetoothGattCallback mGattCallback = new BluetoothGattCallback() {
@Override
public void onConnectionStateChange(BluetoothGatt gatt, int status, int newState) {
if (newState == BluetoothProfile.STATE_CONNECTED) {
Log.e(TAG, "Connected to GATT server.");
// Attempts to discover services after successful connection.
Log.e(TAG, "Attempting to start service discovery:" +
mBluetoothGatt.discoverServices());
} else if (newState == BluetoothProfile.STATE_DISCONNECTED) {
Log.e(TAG, "Disconnected from GATT server.");
setState(ConnectionState.STATE_NONE);
if (getConnectionCallback() != null)
getConnectionCallback().onConnectionLost();
}
}
@Override
public void onServicesDiscovered(BluetoothGatt gatt, int status) {
if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
Log.e(TAG, "onServicesDiscovered received:SUCCESS");
initCharacteristic();
try {
Thread.sleep(200);//延遲傳送，否則第一次訊息會不成功
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
if (getConnectionCallback() != null)
getConnectionCallback().onConnected(mBluetoothDevice.getName());
setState(ConnectionState.STATE_CONNECTED);
} else {
Log.e(TAG, "onServicesDiscovered error falure " + status);
setState(ConnectionState.STATE_NONE);
if (getConnectionCallback() != null)
getConnectionCallback().onConnectionLost();
}
}
@Override
public void onCharacteristicWrite(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattCharacteristic characteristic, int status) {
super.onCharacteristicWrite(gatt, characteristic, status);
Log.e(TAG, "onCharacteristicWrite status: " + status);
}
@Override
public void onDescriptorWrite(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattDescriptor descriptor, int status) {
super.onDescriptorWrite(gatt, descriptor, status);
Log.e(TAG, "onDescriptorWrite status: " + status);
}
@Override
public void onDescriptorRead(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattDescriptor descriptor, int status) {
super.onDescriptorRead(gatt, descriptor, status);
Log.e(TAG, "onDescriptorRead status: " + status);
}
@Override
public void onCharacteristicRead(BluetoothGatt gatt,
BluetoothGattCharacteristic characteristic,
int status) {
Log.e(TAG, "onCharacteristicRead status: " + status);
}
@Override
public void onCharacteristicChanged(BluetoothGatt gatt,
BluetoothGattCharacteristic characteristic) {
Log.e(TAG, "onCharacteristicChanged characteristic: " + characteristic);
readCharacteristic(characteristic);
}
};
發現服務 （觸發onServicesDiscovered）
在發現服務後，會觸發 GATT回撥的onServicesDiscovered 方法，我們需要在這裡初始化我們的操作，包括：
1 檢視服務。或者便利查詢指定的（和目標硬體UUID符合的）服務。
2 獲得指定服務的特徵 characteristic1
3 訂閱“特徵”發生變化的通知”
public void initCharacteristic() {
if (mBluetoothGatt == null) throw new NullPointerException();
List<BluetoothGattService> services = mBluetoothGatt.getServices();
Log.e(TAG, services.toString());
BluetoothGattService service = mBluetoothGatt.getService(uuidServer);
characteristic1 = service.getCharacteristic(uuidChar1);
characteristic2 = service.getCharacteristic(uuidChar2);
final String uuid = "00002902-0000-1000-8000-00805f9b34fb";
if (mBluetoothGatt == null) throw new NullPointerException();
mBluetoothGatt.setCharacteristicNotification(characteristic1, true);
BluetoothGattDescriptor descriptor = characteristic1.getDescriptor(UUID.fromString(uuid));
descriptor.setValue(BluetoothGattDescriptor.ENABLE_NOTIFICATION_VALUE);
mBluetoothGatt.writeDescriptor(descriptor);
}
訂閱“特徵”發生變化的通知”
呼叫mBluetoothGatt.setCharacteristicNotification()方法，傳入一個特徵 characteristic 物件。
當這個特徵裡的資料發生變化（接收到資料了），會觸發 回撥方法的onCharacteristicChanged 方法。我們在這個回撥方法中讀取資料。
final String uuid = "00002902-0000-1000-8000-00805f9b34fb"; if (mBluetoothGatt == null) throw new NullPointerException(); mBluetoothGatt.setCharacteristicNotification(characteristic1, true); BluetoothGattDescriptor descriptor = characteristic1.getDescriptor(UUID.fromString(uuid)); descriptor.setValue(BluetoothGattDescriptor.ENABLE_NOTIFICATION_VALUE); mBluetoothGatt.writeDescriptor(descriptor);
讀取資料
GATT的回撥中有onCharacteristicChanged 方法，我們在這裡可以獲得接收的資料
@Override
public void onCharacteristicChanged(BluetoothGatt gatt,
BluetoothGattCharacteristic characteristic) {
Log.e(TAG, "onCharacteristicChanged characteristic: " + characteristic);
readCharacteristic(characteristic);
}
呼叫 characteristic.getValue() 方法，獲得位元組
public void readCharacteristic(BluetoothGattCharacteristic characteristic) {
if (mBluetoothAdapter == null || mBluetoothGatt == null) {
Log.e(TAG, "BluetoothAdapter not initialized");
return;
}
mBluetoothGatt.readCharacteristic(characteristic);
byte[] bytes = characteristic.getValue();
String str = new String(bytes);
Log.e(TAG, "## readCharacteristic, 讀取到: " + str);
if (getConnectionCallback() != null)
getConnectionCallback().onReadMessage(bytes);
}
寫入資料
寫入資料時，我們需要先獲得特徵，特徵存在於服務內，一般在發現服務的 onServicesDiscovered 時，查詢到特徵物件。
public void write(byte[] cmd) {
Log.e(TAG, "write:" + new String(cmd));
synchronized (LOCK) {
characteristic2.setValue(cmd);
characteristic2.setWriteType(BluetoothGattCharacteristic.WRITE_TYPE_DEFAULT);
mBluetoothGatt.writeCharacteristic(characteristic2);
if (getConnectionCallback() != null)
getConnectionCallback().onWriteMessage(cmd);
}
}
關閉藍芽連線
public void close() {
if (mBluetoothGatt == null) {
return;
}
mBluetoothGatt.close();
mBluetoothGatt = null;
}
參考
https://developer.android.com/guide/topics/connectivity/bluetooth-le.html