iOS学习笔记30-系统服务(三)蓝牙

一、蓝牙

随着蓝牙低功耗技术BLE（Bluetooth Low Energy）的发展，蓝牙技术正在一步步成熟，如今的大部分移动设备都配备有蓝牙4.0，相比之前的蓝牙技术耗电量大大降低。

在iOS中进行蓝牙传输常用的框架有如下几种：

1. GameKit.framework：
   iOS7之前的蓝牙框架，只可用于同应用之间的蓝牙传输。
2. MultipeerConnectivity.framework：
   iOS7开始引入的蓝牙框架，用于取代GameKit，也有缺陷，仅支持iOS设备之间蓝牙传输。
3. CoreBluetooth.framework：
   功能强大的蓝牙框架，但要求设备必须支持蓝牙4.0，可以支持所有设备蓝牙传输，只要该设备支持蓝牙4.0。

应用的比较多的是CoreBluetooth框架，这里就选择CoreBluetooth框架来讲。

二、CoreBluetooth

当前BLE应用相当广泛，不再仅仅是两个设备之间的数据传输，它还有很多其他应用市场，例如室内定位、无线支付、智能家居等等，这也使得CoreBluetooth成为当前最热门的蓝牙技术。
我的理解中，CoreBluetooth蓝牙通信过程和网络通信过程比较类似。

在CoreBluetooth中，蓝牙传输都分为两个部分：

1. 外围设备CBPeripheral：
   负责发布并广播服务，告诉周围的中央设备它的可用服务和特征，类似于网络通信中的服务端。
2. 中央设备CBCentral：
   负责和外围设备建立连接，一旦连接成功就可以使用外围设备的服务和特征，类似于网络通信中的客户端

外围设备和中央设备交互的桥梁是服务和特征，两个都有一个唯一标识CBUUID来确定一个服务或者特征：

• 服务CBService：
  中央设备只有通过服务才能与外围设备进行数据传输，类似于客户端通过网址URL才能与服务器连接一样
• 特征CBCharacteristic：
  每个服务可以拥有多个特征，中央设备必须订阅外围设备服务的特征值，才能获取外围设备的数据，类似于GET请求可以请求获取服务器数据，POST请求可以向服务器传输数据一样。

三、设备作为外围设备

设备作为外围设备的创建步骤：

1. 创建外围设备管理器CBPeripheralManager，并设置代理
2. 创建一个特征CBCharacteristic，绑定一个CBUUID，设置特征属性
3. 创建一个服务CBService，绑定一个CBUUID，设置服务的特征

4. 调用外围设备管理器的对象方法，添加服务到外围设备上

   -(void)addService:(CBService *)service;

5. 外围设备管理器开始广播服务

   -(void)startAdvertising:(NSDictionary *)dict;

6. 在外围设备管理器的代理方法，处理与中央设备的交互

外围设备管理器启动服务的相关代理方法：

/* 外围设备管理器状态发生改变后调用，比如外围设备打开蓝牙的时候 */
- (void)peripheralManagerDidUpdateState:(CBPeripheralManager *)peripheral;
/* 外围设备管理器添加了服务后调用，一般在这里进行广播服务 */
- (void)peripheralManager:(CBPeripheralManager *)peripheral 
            didAddService:(CBService *)service /* 添加的服务 */
                    error:(NSError *)error;/* 添加服务错误信息 */
/* 启动广播服务后调用 */
- (void)peripheralManagerDidStartAdvertising:(CBPeripheralManager *)peripheral 
                                       error:(NSError *)error;/* 启动服务错误信息 */
/* 外围设备恢复状态时调用 */
- (void)peripheralManager:(CBPeripheralManager *)peripheral 
         willRestoreState:(NSDictionary *)dict;

外围设备管理器和中央设备进行交互的代理方法：

/* 中央设备订阅外围设备的特征时调用 */
- (void)peripheralManager:(CBPeripheralManager *)peripheral /* 外围设备管理器 */
                  central:(CBCentral *)central /* 中央设备 */
        didSubscribeToCharacteristic:(CBCharacteristic *)characteristic;/* 订阅的特征 */
/* 中央设备取消订阅外围设备的特征时调用 */
- (void)peripheralManager:(CBPeripheralManager *)peripheral /* 外围设备管理器 */
                  central:(CBCentral *)central /* 中央设备 */
        didUnsubscribeFromCharacteristic:(CBCharacteristic *)characteristic;/* 特征 */
/* 外围设备收到中央设备的写请求时调用 */
- (void)peripheralManager:(CBPeripheralManager *)peripheral 
        didReceiveWriteRequests:(CBATTRequest *)request;/* 写请求 */

外围设备管理器CBPeripheralManager的常用对象方法：

/* 添加服务 */
- (void)addService:(CBService *)service;
/* 开启广播服务,dict设置设备信息 */
- (void)startAdvertising:(NSDictionary *)dict;
/* 更新特征值，centrals为空，表示对所有连接的中央设备通知 */
- (void)updateValue:(NSData *)value /* 特征的特征值 */
        forCharacteristic:(CBCharacteristic *)characteristic /* 特征 */
        onSubscribedCentrals:(NSArray *)centrals;/* 需要通知更新特征值的中央设备 */

下面是设备作为外围设备的实例：

#import "PeripheralViewController.h"
#import <CoreBluetooth/CoreBluetooth.h>

#define kPeripheralName         @"Liuting's Device" //外围设备名称，自定义
#define kServiceUUID           @"FFA0-FFB0" //服务的UUID，自定义
#define kCharacteristicUUID     @"FFCC-FFDD" //特征的UUID，自定义

@interface PeripheralViewController ()<CBPeripheralManagerDelegate>
@property (strong, nonatomic) CBPeripheralManager *peripheralManager;/* 外围设备管理器 */
@property (strong, nonatomic) NSMutableArray *centralM;/* 订阅的中央设备 */
@property (strong, nonatomic) CBMutableCharacteristic *characteristicM;/* 特征 */
@end
@implementation PeripheralViewController
- (void)viewDidLoad{
    [super viewDidLoad];
    self.centralM = [NSMutableArray array];
    //创建外围设备管理器
    self.peripheralManager = [[CBPeripheralManager alloc] initWithDelegate:self
                                                                     queue:nil];
}
#pragma mark - UI事件
/* 点击更新特征值 */
- (IBAction)changeCharacteristicValue:(id)sender {
    //特征值,这里是更新特征值为当前时间
    NSString *valueStr = [NSString stringWithFormat:@"%@",[NSDate date]];
    NSData *value = [valueStr dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
    //更新特征值
    [self.peripheralManager updateValue:value 
                      forCharacteristic:self.characteristicM 
                   onSubscribedCentrals:nil];
}
#pragma mark - 私有方法
/* 创建特征、服务并添加服务到外围设备 */
- (void)addMyService{
    /*1.创建特征*/
    //创建特征的UUID对象
    CBUUID *characteristicUUID = [CBUUID UUIDWithString:kCharacteristicUUID];
    /* 创建特征
     * 参数
     * uuid:特征标识
     * properties:特征的属性，例如：可通知、可写、可读等
     * value:特征值
     * permissions:特征的权限
     */
    CBMutableCharacteristic *characteristicM = 
        [[CBMutableCharacteristic alloc] initWithType:characteristicUUID 
                                           properties:CBCharacteristicPropertyNotify
                                                value:nil 
                                          permissions:CBAttributePermissionsReadable];
    self.characteristicM = characteristicM;
    //创建服务UUID对象
    CBUUID *serviceUUID = [CBUUID UUIDWithString:kServiceUUID];
    //创建服务
    CBMutableService *serviceM = [[CBMutableService alloc] initWithType:serviceUUID 
                                                                primary:YES];    
    //设置服务的特征
    [serviceM setCharacteristics:@[characteristicM]];
    //将服务添加到外围设备
    [self.peripheralManager addService:serviceM];
}

#pragma mark - CBPeripheralManager代理方法
/* 外围设备状态发生变化后调用 */
- (void)peripheralManagerDidUpdateState:(CBPeripheralManager *)peripheral{
    //判断外围设备管理器状态
    switch (peripheral.state) {
        case CBPeripheralManagerStatePoweredOn:
        {
            NSLog(@"BLE已打开.");
            //添加服务
            [self addMyService];
            break;
        }
        default:
        {   
            NSLog(@"此设备不支持BLE或未打开蓝牙功能，无法作为外围设备.");
            break;
        }
    }
}
/* 外围设备恢复状态时调用 */
- (void)peripheralManager:(CBPeripheralManager *)peripheral 
         willRestoreState:(NSDictionary *)dict
{
    NSLog(@"状态恢复");
}
/* 外围设备管理器添加服务后调用 */
- (void)peripheralManager:(CBPeripheralManager *)peripheral 
            didAddService:(CBService *)service 
                   error:(NSError *)error
{
    //设置设备信息dict，CBAdvertisementDataLocalNameKey是设置设备名
    NSDictionary *dict = @{CBAdvertisementDataLocalNameKey:kPeripheralName};
    //开始广播
    [self.peripheralManager startAdvertising:dict];
    NSLog(@"向外围设备添加了服务并开始广播...");
}
/* 外围设备管理器启动广播后调用 */
- (void)peripheralManagerDidStartAdvertising:(CBPeripheralManager *)peripheral 
                                       error:(NSError *)error
{
    if (error) {
        NSLog(@"启动广播过程中发生错误，错误信息：%@",error.localizedDescription);
        return;
    }
    NSLog(@"启动广播...");
}
/* 中央设备订阅特征时调用 */
- (void)peripheralManager:(CBPeripheralManager *)peripheral 
                  central:(CBCentral *)central 
        didSubscribeToCharacteristic:(CBCharacteristic *)characteristic
{    
    NSLog(@"中心设备：%@ 已订阅特征：%@.",central,characteristic);
    //把订阅的中央设备存储下来
    if (![self.centralM containsObject:central]) {
        [self.centralM addObject:central];
    }
}
/* 中央设备取消订阅特征时调用 */
- (void)peripheralManager:(CBPeripheralManager *)peripheral 
                 central:(CBCentral *)central 
        didUnsubscribeFromCharacteristic:(CBCharacteristic *)characteristic
{
    NSLog(@"中心设备：%@ 取消订阅特征：%@",central,characteristic);
}
    
/* 外围设备管理器收到中央设备写请求时调用 */
- (void)peripheralManager:(CBPeripheralManager *)peripheral 
        didReceiveWriteRequests:(CBATTRequest *)request
{    
    NSLog(@"收到写请求");
}
@end

四、设备作为中央设备

更多的时候，我们需要的是一个中央设备，外围设备不一定是iOS设备，所以上面外围设备的创建不一定会用到，比如外围设备是GPS导航仪、心率仪等，这些只要遵循BLE4.0的规范，中央设备就可以与之连接并寻找服务和订阅特征。

设备作为中央设备的创建步骤：

1. 创建中央设备管理器对象CBCentralManager，设置代理
2. 扫描外围设备，发现外围设备CBPeripheral进行连接，保持连接的外围设备
3. 在连接外围设备成功的代理方法中，设置外围设备的代理，调用外围设备的对象方法寻找服务
4. 查找外围设备的服务和特征，查找到可用特征，则读取特征数据。

• 记住这里是外围设备对象CBPeripheral，
  不是上面的外围设备管理器对象CBPeripheralManager

中央设备管理器的代理方法：

/* 中央设备管理器状态改变后调用，比如蓝牙的打开与关闭 */
- (void)centralManagerDidUpdateState:(CBCentralManager *)central;
/* 开启扫描后，中央设备管理器发现外围设备后调用 */
- (void)centralManager:(CBCentralManager *)central 
        didDiscoverPeripheral:(CBPeripheral *)peripheral /* 外围设备 */
            advertisementData:(NSDictionary *)advertisementData /* 设备信息 */
                         RSSI:(NSNumber *)RSSI; /* 信号强度 */
/* 中央设备管理器成功连接到外围设备后调用 */
- (void)centralManager:(CBCentralManager *)central 
  didConnectPeripheral:(CBPeripheral *)peripheral;/* 外围设备 */
/* 中央设备管理器连接外围设备失败后调用 */
- (void)centralManager:(CBCentralManager *)central 
        didFailToConnectPeripheral:(CBPeripheral *)peripheral /* 外围设备 */
                             error:(NSError *)error;/* 连接失败的错误信息 */

中央设备管理器的对象方法：

/* 扫描外围设备，可以指定含有指定服务的外围设备 */
- (void)scanForPeripheralsWithServices:(NSArray<CBUUID *> *)services 
                               options:(NSDictionary *)options;
/* 停止扫描 */
- (void)stopScan;
/* 连接外围设备 */
- (void)connectPeripheral:(CBPeripheral *)peripheral 
                  options:(NSDictionary *)options;
/* 断开外围设备 */
- (void)cancelPeripheralConnection:(CBPeripheral *)peripheral;

外围设备的代理方法【和上面的外围设备管理器代理不一样】

/**
 *  1.成功订阅外围设备的服务后调用，在该代理方法中寻找服务的特征
 *  @param peripheral 连接到的设备
 *  @param error       错误信息
 */
- (void)peripheral:(CBPeripheral *)peripheral 
        didDiscoverServices:(NSError *)error;
/**
 *  2.成功找到外围设备服务的特征后调用，在该代理方法中设置订阅方式
 *  @param peripheral 连接的设备
 *  @param service     拥有的服务
 *  @param error       错误信息
 */
- (void)peripheral:(CBPeripheral *)peripheral 
        didDiscoverCharacteristicsForService:(CBService *)service 
             error:(NSError *)error;
/**
 *  3.外围设备读取到特征值就会调用
 *  @param peripheral    连接的设备
 *  @param characteristic 改变的特征
 *  @param error          错误信息
 */
- (void)peripheral:(CBPeripheral *)peripheral 
        didUpdateValueForCharacteristic:(CBCharacteristic *)characteristic 
             error:(NSError *)error;
/**
 *  4.向外围设备的特征对象写操作完成后调用
 *  特别：当写操作为CBCharacteristicWriteWithoutResponse时不会调用
 *  @param peripheral    连接的设备
 *  @param characteristic 要写入的特征
 *  @param error          错误信息
 */
- (void)peripheral:(CBPeripheral *)peripheral 
        didWriteValueForCharacteristic:(CBCharacteristic *)characteristic 
             error:(NSError *)error;

外围设备CBPeripheral的常用对象方法：

/* 寻找服务，传入的是服务的唯一标识CBUUID */
- (void)discoverServices:(NSArray<CBUUID *> *)services;
/* 寻找指定服务下的特征，特征数组也是传入特征的唯一标识CBUUID */
- (void)discoverCharacteristics:(NSArray<CBUUID *> *)characteristics 
                     forService:(CBService *)service;/* 服务 */
/* 设置是否向特征订阅数据实时通知，YES表示会实时多次会调用代理方法读取数据 */
- (void)setNotifyValue:(BOOL)value 
     forCharacteristic:(CBCharacteristic *)characteristic;
/* 读取特征的数据，调用此方法后会调用一次代理方法读取数据 */
- (void)readValueForCharacteristic:(CBCharacteristic *)characteristic;
/* 向特征写入数据，看type类型，决定调不调用写入数据后回调的代理方法 */
- (void)writeValue:(NSData *)value /* 写入数据 */
 forCharacteristic:(CBCharacteristic *)characteristic /* 特征 */
              type:(CBCharacteristicWriteType)type;/* 写入类型 */

写入类型目前只有2种方式：

/* 写入类型，决定要不要调用代理方法 */
typedef NS_ENUM(NSInteger, CBCharacteristicWriteType) { 
    CBCharacteristicWriteWithResponse = 0, //有回调的写入
    CBCharacteristicWriteWithoutResponse //没回调的写入
};

下面是设备作为中央设备的实例：

#import "CentralViewController.h"
#import <CoreBluetooth/CoreBluetooth.h>

#define kPeripheralName         @"Liuting's Device" //外围设备名称
#define kServiceUUID           @"FFA0-FFB0" //服务的UUID
#define kCharacteristicUUID     @"FFCC-FFDD" //特征的UUID

@interface CentralViewController ()<CBCentralManagerDelegate,CBPeripheralDelegate>
@property (strong, nonatomic) CBCentralManager *centralManager;/* 中央设备管理器 */
@property (strong, nonatomic) NSMutableArray *peripherals;/* 连接的外围设备 */
@end
@implementation CentralViewController
#pragma mark - UI事件
- (void)viewDidLoad{
    [super viewDidLoad];
    self.peripherals = [NSMutableArray array];
    //创建中心设备管理器并设置当前控制器视图为代理
    self.centralManager = [[CBCentralManager alloc] initWithDelegate:self queue:nil];
}
#pragma mark - CBCentralManager代理方法
/* 中央设备管理器状态更新后调用 */
- (void)centralManagerDidUpdateState:(CBCentralManager *)central{
    switch (central.state) {
    case CBPeripheralManagerStatePoweredOn:
        NSLog(@"BLE已打开.");
        //扫描外围设备 
        [central scanForPeripheralsWithServices:nil options:nil];
        break;
    default:
        NSLog(@"此设备不支持BLE或未打开蓝牙功能，无法作为中央设备.");
        break;
    }
}
/*
 *  发现外围设备调用
 *  @param central           中央设备管理器
 *  @param peripheral        外围设备
 *  @param advertisementData 设备信息
 *  @param RSSI              信号质量（信号强度）
 */
- (void)centralManager:(CBCentralManager *)central 
        didDiscoverPeripheral:(CBPeripheral *)peripheral 
            advertisementData:(NSDictionary *)advertisementData 
                         RSSI:(NSNumber *)RSSI
{    
    NSLog(@"发现外围设备...");
    //连接指定的外围设备，匹配设备名
    if ([peripheral.name isEqualToString:kPeripheralName]) {
        //添加保存外围设备，因为在此方法调用完外围设备对象就会被销毁
        if(![self.peripherals containsObject:peripheral]){
            [self.peripherals addObject:peripheral];
        }        
        NSLog(@"开始连接外围设备...");
        [self.centralManager connectPeripheral:peripheral options:nil];
    }
}
/* 中央设备管理器成功连接到外围设备后调用 */
- (void)centralManager:(CBCentralManager *)central 
        didConnectPeripheral:(CBPeripheral *)peripheral
        {
    NSLog(@"连接外围设备成功!");
    
    //停止扫描
    [self.centralManager stopScan];
    //设置外围设备的代理为当前视图控制器
    peripheral.delegate = self;
    //外围设备开始寻找服务
    [peripheral discoverServices:@[[CBUUID UUIDWithString:kServiceUUID]]];
}
/* 中央设备管理器连接外围设备失败后调用 */
- (void)centralManager:(CBCentralManager *)central 
        didFailToConnectPeripheral:(CBPeripheral *)peripheral
                             error:(NSError *)error
 {
     NSLog(@"连接外围设备失败!");
 }
 #pragma mark - CBPeripheral 代理方法
/* 外围设备寻找到服务后调用 */
- (void)peripheral:(CBPeripheral *)peripheral 
        didDiscoverServices:(NSError *)error
{    
    NSLog(@"已发现可用服务...");
    //遍历查找到的服务
    CBUUID *serviceUUID = [CBUUID UUIDWithString:kServiceUUID];
    CBUUID *characteristicUUID = [CBUUID UUIDWithString:kCharacteristicUUID];
    for (CBService *service in peripheral.services) {
        if([service.UUID isEqual:serviceUUID]){
            //外围设备查找指定服务中的特征，characteristics为nil，表示寻找所有特征
            [peripheral discoverCharacteristics:nil forService:service];
        }
    }
}
/* 外围设备寻找到特征后调用 */
- (void)peripheral:(CBPeripheral *)peripheral 
        didDiscoverCharacteristicsForService:(CBService *)service 
             error:(NSError *)error
{
    NSLog(@"已发现可用特征...");
    //遍历服务中的特征
    CBUUID *serviceUUID = [CBUUID UUIDWithString:kServiceUUID];
    CBUUID *characteristicUUID = [CBUUID UUIDWithString:kCharacteristicUUID];
    if ([service.UUID isEqual:serviceUUID]) {
        for (CBCharacteristic *characteristic in service.characteristics) {
            if ([characteristic.UUID isEqual:characteristicUUID]) {
                //情景一：通知
                /* 找到特征后设置外围设备为已通知状态（订阅特征）：
                * 调用此方法会触发代理方法peripheral:didUpdateValueForCharacteristic:error: 
                * 调用此方法会触发外围设备管理器的订阅代理方法
                */
                [peripheral setNotifyValue:YES forCharacteristic:characteristic];
                
                //情景二：读取
                //调用此方法会触发代理方法peripheral:didUpdateValueForCharacteristic:error:
                //[peripheral readValueForCharacteristic:characteristic]; 
            }
        } 
    }
}
/* 外围设备读取到特征值后调用 */
- (void)peripheral:(CBPeripheral *)peripheral 
        didUpdateValueForCharacteristic:(CBCharacteristic *)characteristic
             error:(NSError *)error
{
    if (characteristic.value) { 
        NSString *value = [[NSString alloc] initWithData:characteristic.value 
                                                encoding:NSUTF8StringEncoding];
        NSLog(@"读取到特征值：%@",value); 
    }else{
        NSLog(@"未发现特征值."); 
    }
}
@end

五、蓝牙后台运行

除非去申请后台权限，否则 app 都是只在前台运行的，程序在进入后台不久便会切换到挂起状态。挂起后，程序将无法再接收任何蓝牙事件。

中央设备管理器连接外围设备的方法中的options属性，可以设置如下字典值：

• CBConnectPeripheralOptionNotifyOnConnectionKey：
  在连接成功后，程序被挂起，给出系统提示。
• CBConnectPeripheralOptionNotifyOnDisconnectionKey：
  在程序挂起，蓝牙连接断开时，给出系统提示。
• CBConnectPeripheralOptionNotifyOnNotificationKey：
  在程序挂起后，收到 peripheral 数据时，给出系统提示。

设置蓝牙后台模式：

• 添加info.plist字段Required background nodes
• 在该字段下添加字符串值：
• App communicates using CoreBluetooth：表示支持设备作为中央设备后台运行
• App shares data using CoreBluetooth：表示支持设备作为外围设备后台运行

设备作为中央设备的后台运行和前台运行区别：

• 会将发现的多个外围设备的广播数据包合并为一个事件，然后每找到一个外围设备都会调用发现外围设备的代理方法
• 如果全部的应用都在后台搜索外围设备，那么每次搜索的时间间隔会更大。这会导致搜索到外围设备的时间变长

设备作为外围设备的后台运行和前台运行区别：

• 在广播时，广播数据将不再包含外围设备的名字
• 外围设备只能被明确标识了搜索服务UUID的iOS设备找到
• 如果所有应用都在后台发起广播，那么发起频率会降低