Android使用BLE(低功耗蓝牙，Bluetooth Low Energy)

背景

在学习BLE的过程中，积累了一些心得的DEMO，放到Github，形成本文。感兴趣的同学可以下载到源代码。
github: https://github.com/vir56k/bluetoothDemo

什么是BLE(低功耗蓝牙)

BLE(Bluetooth Low Energy，低功耗蓝牙)是对传统蓝牙BR/EDR技术的补充。
尽管BLE和传统蓝牙都称之为蓝牙标准，且共享射频，但是，BLE是一个完全不一样的技术。
BLE不具备和传统蓝牙BR/EDR的兼容性。它是专为小数据率、离散传输的应用而设计的。
通信距离上也有改变，传统蓝牙的传输距离几十米到几百米不等，BLE则规定为100米。

低功耗蓝牙特点

*功耗低
*连接更快，无需配对
*异步通讯

常见两种蓝牙模式

*普通蓝牙连接（2.0）
*BLE(蓝牙4.0)

关键术语和概念

*Generic Attribute Profile（GATT）—GATT配置文件是一个通用规范，用于在BLE链路上发送和接收被称为“属性”的数据块。目前所有的BLE应用都基于GATT。 蓝牙SIG规定了许多低功耗设备的配置文件。配置文件是设备如何在特定的应用程序中工作的规格说明。注意一个设备可以实现多个配置文件。例如，一个设备可能包括心率监测仪和电量检测。
*Attribute Protocol（ATT）—GATT在ATT协议基础上建立，也被称为GATT/ATT。ATT对在BLE设备上运行进行了优化，为此，它使用了尽可能少的字节。每个属性通过一个唯一的的统一标识符（UUID）来标识，每个String类型UUID使用128 bit标准格式。属性通过ATT被格式化为characteristics和services。
*Characteristic 一个characteristic包括一个单一变量和0-n个用来描述characteristic变量的descriptor，characteristic可以被认为是一个类型，类似于类。
*Descriptor Descriptor用来描述characteristic变量的属性。例如，一个descriptor可以规定一个可读的描述，或者一个characteristic变量可接受的范围，或者一个characteristic变量特定的测量单位。
*Service service是characteristic的集合。例如，你可能有一个叫“Heart Rate Monitor(心率监测仪)”的service，它包括了很多characteristics，如“heart rate measurement(心率测量)”等。你可以在bluetooth.org 找到一个目前支持的基于GATT的配置文件和服务列表。

角色和责任

以下是Android设备与BLE设备交互时的角色和责任：

*中央 VS 外围设备。 适用于BLE连接本身。中央设备扫描，寻找广播；外围设备发出广播。
*GATT 服务端 VS GATT 客户端。决定了两个设备在建立连接后如何互相交流。

为了方便理解，想象你有一个Android手机和一个用于活动跟踪BLE设备，手机支持中央角色，活动跟踪器支持外围（为了建立BLE连接你需要注意两件事，只支持外围设备的两方或者只支持中央设备的两方不能互相通信）。
当手机和运动追踪器建立连接后，他们开始向另一方传输GATT数据。哪一方作为服务器取决于他们传输数据的种类。例如，如果运动追踪器想向手机报告传感器数据，运动追踪器是服务端。如果运动追踪器更新来自手机的数据，手机会作为服务端。
在这份文档的例子中，android app(运行在android设备上）作为GATT客户端。app从gatt服务端获得数据，gatt服务端即支持Heart Rate Profile(心率配置）的BLE心率监测仪。但是你可以自己设计android app去扮演GATT服务端角色

设备对BLE的支持

分为两种情况
* 目标设备是否支持BLE
* Android手机是否支持BLE

目标设备是否支持要看具体目标设备的情况，请参考硬件提供商和说明书。
一般情况下Android4.3以后的手机具有蓝牙模块的话都会支持BLE，具体可以再代码中判断。

为了在app中使用蓝牙功能，必须声明蓝牙权限BLUETOOTH。利用这个权限去执行蓝牙通信，例如请求连接、接受连接、和传输数据。
如果想让你的app启动设备发现或操纵蓝牙设置，必须声明BLUETOOTH_ADMIN权限。注意：如果你使用BLUETOOTH_ADMIN权限，你也必须声明BLUETOOTH权限。
在你的app manifest文件中声明蓝牙权限。

<uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH"/>
<uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH_ADMIN"/>

如果想声明你的app只为具有BLE的设备提供，在manifest文件中包括：

<uses-feature android:name="android.hardware.bluetooth_le" android:required="true"/>

代码中判断手机是否支持BLE特性：

// 使用此检查确定BLE是否支持在设备上，然后你可以有选择性禁用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();
}

在Android中使用BLE

1.获取 BluetoothAdapter

所有的蓝牙活动都需要蓝牙适配器。BluetoothAdapter代表设备本身的蓝牙适配器(蓝牙无线）。整个系统只有一个蓝牙适配器，而且你的app使用它与系统交互。

//使用getSystemService（）返回BluetoothManager，然后将其用于获取适配器的一个实例。
// 初始化蓝牙适配器
final BluetoothManager bluetoothManager =
        (BluetoothManager) getSystemService(Context.BLUETOOTH_SERVICE);
mBluetoothAdapter = bluetoothManager.getAdapter();

2.开启蓝牙

调用isEnabled())去检测蓝牙当前是否开启。如果该方法返回false,蓝牙被禁用。下面的代码检查蓝牙是否开启，如果没有开启，将显示错误提示用户去设置开启蓝牙

// 确保蓝牙在设备上可以开启
if (mBluetoothAdapter == null || !mBluetoothAdapter.isEnabled()) {
   Intent enableBtIntent = new Intent(BluetoothAdapter.ACTION_REQUEST_ENABLE);
   startActivityForResult(enableBtIntent, REQUEST_ENABLE_BT);
}

3.搜索蓝牙设备

为了发现BLE设备，使用startLeScan())方法。这个方法需要一个参数BluetoothAdapter.LeScanCallback。你必须实现它的回调函数，那就是返回的扫描结果。因为扫描非常消耗电量，你应当遵守以下准则：
*只要找到所需的设备，停止扫描。
*不要在循环里扫描，并且对扫描设置时间限制。以前可用的设备可能已经移出范围，继续扫描消耗电池电量。

   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连接

搜索结束后，我们可得到一个搜索结果 BluetoothDevice ，它表示搜到的蓝牙设备
1.调用

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

可以建立一个GATT连接，它需要一个 回调mGattCallback 参数。
2.在回调方法的 onConnectionStateChange 中，我们可以通过 status 判断是否GATT连接成功
3.在GATT连接建立成功后，我们调用 mBluetoothGatt.discoverServices() 方法 发现GATT服务。
如果搜到服务将会触发onServicesDiscovered回调

// 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);//延迟发送，否则第一次消息会不成功
                } 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);
        }
    };

发现服务 （触发onServicesDiscovered）

在发现服务后，会触发 GATT回调的onServicesDiscovered 方法，我们需要在这里初始化我们的操作，包括：
1 查看服务。或者便利查找指定的（和目标硬件UUID符合的）服务。
2 获得指定服务的特征 characteristic1
3 订阅“特征”发生变化的通知”

    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);
    }

订阅“特征”发生变化的通知”

调用 mBluetoothGatt.setCharacteristicNotification() 方法，传入一个特征 characteristic 对象。
当这个特征里的数据发生变化（接收到数据了），会触发 回调方法的 onCharacteristicChanged 方法。我们在这个回调方法中读取数据。

            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);

读取数据

GATT的回调中有 onCharacteristicChanged 方法，我们在这里可以获得接收的数据

            @Override
            public void onCharacteristicChanged(BluetoothGatt gatt,
                                                BluetoothGattCharacteristic characteristic) {
                Log.e(TAG, "onCharacteristicChanged characteristic: " + characteristic);
                readCharacteristic(characteristic);
            }

调用 characteristic.getValue() 方法，获得字节

                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, 读取到: " + str);
                    if (getConnectionCallback() != null)
                        getConnectionCallback().onReadMessage(bytes);
                }

写入数据

写入数据时，我们需要先获得特征，特征存在于服务内，一般在发现服务的 onServicesDiscovered 时，查找到特征对象。

    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);
        }
    }

关闭蓝牙连接

public void close() {
if (mBluetoothGatt == null) {
return;
}
mBluetoothGatt.close();
mBluetoothGatt = null;
}

参考

https://developer.android.com/guide/topics/connectivity/bluetooth-le.html