Bluetooth Low Energy——蓝牙低功耗

Android4.3（API级别18）引入内置平台支持BLE的central角色，同时提供API和app应用程序用来发现设备，查询服务，和读/写characteristics。与传统蓝牙（ClassicBluetooth）不同，蓝牙低功耗（BLE）的目的是提供更显著的低功耗。这使得Android应用程序可以和具有低功耗的要求BLE设备，如接近传感器，心脏速率监视器，健身设备等进行通信。

 关键术语和概念

下面是关键BLE术语和概念的总结：

通用属性规范（GATT）—GATTprofile是一个通用规范用于在BLE链路发送和接收被称为“属性（attributes）”的数据片。目前所有的低功耗应用 profile都是基于GATT。

蓝牙SIG定义了许多profile用于低功耗设备。Profile（配置文件）是一个规范，规范了设备如何工作在一个特定的应用场景。注意：一个设备可以实现多个profile。例如，一个设备可以包含一个心脏监测仪和电池电平检测器。

 属性协议（ ATT ）—GATT是建立在属性协议（ ATT ）的顶层，通常也被称为GATT/ ATT 。 ATT进行了优化用于在BLE设备上运行。为此，它采用尽可能少的字节越好。每个attribute属性被UUID（通用唯一标识符）唯一标识 ，UUID是标准128-bit格式的ID用来唯一标识信息。attributes 被 ATT 格式化characteristics和services形式进行传送。

特征（Characteristics）— 一个characteristics包含一个单独的value值和0 –n个用来描述characteristic 值（value）的descriptors。一个characteristics可以被认为是一种类型的，类似于一个类。

描述符(descriptor)—descriptor是被定义的attributes，用来描述一个characteristic的值。例如，一个descriptor可以指定一个人类可读的描述中，在可接受的范围里characteristic值，或者是测量单位，用来明确characteristic的值。

服务（service）—service是characteristic的集合。例如，你可以有一个所谓的“Heart RateMonitor”service，其中包括characteristic，如“heart rate measurement ”。你可以在 bluetooth.org找到关于一系列基于GATT的profile和service。

 角色和职责

以下是适用于当一个Android设备与BLE设备交互的角色和责任：

中心设备（central）与外围设备（peripheral）。这也适用于BLE连接本身。Central设备进行扫描，寻找advertisenment，peripheral设备发出advertisement。

GATT server（服务器）与GATTclient（客户端）。这决定了两个设备建立连接后如何互相交互。 

要了解它们的区别，假设你有一个Android手机和活动跟踪器，活动跟踪器是一个BLE装置。这款手机扮演central角色;活动跟踪器扮演peripheral角色（建立一个BLE连接，必须具备两者。如果两个设备只支持central角色或peripheral角色，不能跟对方建立一个BLE连接）。

 一旦手机与活动跟踪器已经建立连接，他们开始相互传送GATT数据。根据它们传送数据的种类，其中一个可能作为 GATT server。例如，如果该活动跟踪器将传感器数据汇报到手机上，活动跟踪器作为server。如果活动跟踪器想要从手机接收更新，那么手机作为server。

 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 client。该应用从GATT server 获取数据，server是一款支持 HeartRate Profile的BLE心脏速率监测仪。但你可以设计​​你的Andr​​oid应用程序，作为GATT server角色。见BluetoothGattServer 获取更多信息。

BLE权限

为了使用应用程序中的蓝牙功能，你必须声明蓝牙权限BLUETOOTH。你需要这个权限执行任意蓝牙通讯，如请求连接，接受连接，传输数据。

如果你希望你的应用程序启动设备发现或操纵蓝牙设置，还必须声明BLUETOOTH_ADMIN权限。注意：如果您使用BLUETOOTH_ADMIN权限，那么你还必须有BLUETOOTH权限。

 声明蓝牙权限在你的应用程序清单（manifest）文件。例如：

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

如果你想声明，你的应用程序是只提供给BLE功能的设备，在您的应用程序的清单包括如下语句：

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

不过，如果你想使你的应用程序提供给那些不支持BLE设备，你仍然应该在您的应用程序的清单包含这个上述语句，但设置required="false"。然后在运行时可以通过使用 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();
}

设置BLE

在你的应用程序可以进行BLE通信之前 ，你需要验证这个设备上BLE是否被支持，如果支持，请确保它已启用。请注意，如果<uses-feature.../>设置为false，这个检查才是必需的。

如果不支持BLE ，那么你应该适当地禁用任何BLE功能。如果BLE支持，但被禁用，那么你可以要求用户启动蓝牙时不要离开应用程序。这种设置两个步骤完成，使用 BluetoothAdapter.

1.获取BluetoothAdapter

该BluetoothAdapter是所有的蓝牙活动所必需的。该BluetoothAdapter代表设备自身的蓝牙适配器（蓝牙无线电）。只有一个蓝牙适配器用于整个系统，并且你的应用程序可以使用该对象进行交互。下面的代码片段显示了如何获取适配器。注意，该方法使用getSystemService() 返回BluetoothManager的一个实例, 用于获取适配器。Android 4.3 （ API级别18 ）引入BluetoothManager：

// Initializes Bluetooth adapter.
 final BluetoothManager bluetoothManager=        
(BluetoothManager) getSystemService(Context.BLUETOOTH_SERVICE);
mBluetoothAdapter = bluetoothManager.getAdapter();

2. 启用蓝牙

接下来，你需要确保蓝牙已启用。用isEnabled() 来检查蓝牙当前是否启用。如果此方法返回false，那么蓝牙被禁用。下面的代码片段检查蓝牙是否开启。如果不是，该片段将显示错误提示用户去设置以启用蓝牙：

private BluetoothAdapter mBluetoothAdapter;
...
// Ensures Bluetooth is available on the device and it is enabled. If not,
// displays a dialog requesting user permission to enable Bluetooth.
if (mBluetoothAdapter == null || !mBluetoothAdapter.isEnabled()) {
Intent enableBtIntent = new Intent(BluetoothAdapter.ACTION_REQUEST_ENABLE);
    startActivityForResult(enableBtIntent,REQUEST_ENABLE_BT);
 }

查找BLE设备

为了找到BLE设备，您可以使用startLeScan() 方法。此方法需要一个BluetoothAdapter.LeScanCallback作为参数。你必须实现这个回调，因为它决定扫描结果如何返回。因为扫描耗电量大，你应当遵守以下准则：

1）只要你找到所需的设备，停止扫描。

2）不要扫描一个循环，并设置您的扫描时间限制。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。

下面的代码片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 mBluetoothAdapter;
    private boolean mScanning;
    private Handler mHandler;

    // 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.
            mHandler.postDelayed(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    mScanning = false;
                    mBluetoothAdapter.stopLeScan(mLeScanCallback);
                }
            }, SCAN_PERIOD);

            mScanning = true;
            mBluetoothAdapter.startLeScan(mLeScanCallback);
        } else {
            mScanning = false;
            mBluetoothAdapter.stopLeScan(mLeScanCallback);
        }
        ...
    }
...
}

如何你想要扫描指定类型的peripheral设备，你可以用 startLeScan(UUID[],BluetoothAdapter.LeScanCallback)取代, 它提供了一组UUID对象用于说明你的应用程序支持的GATT services .

下面是用于传送BLE扫描结果的接口函数BluetoothAdapter.LeScanCallback的具体实现：

private LeDeviceListAdapter mLeDeviceListAdapter;
...
// Device scan callback.
private BluetoothAdapter.LeScanCallback mLeScanCallback =
        new BluetoothAdapter.LeScanCallback() {
    @Override
    public void onLeScan(final BluetoothDevice device, int rssi,
            byte[] scanRecord) {
        runOnUiThread(new Runnable() {
           @Override
           public void run() {
               mLeDeviceListAdapter.addDevice(device);
               mLeDeviceListAdapter.notifyDataSetChanged();
           }
       });
   }
};

注意：你可以只扫描BLE设备或传统蓝牙设备，就像Bluetooth描述那样。你不可以同时扫描BLE设备和传统蓝牙设备。

连接到GATT server

在和一个BLE设备交互的第一步是连接到它，更具体地，连接到所述装置上的GATT server。要连接到一个BLE设备上的GATT server，您可以使用connectGatt()方法。这个方法有三个参数：一个Context 对象，一个autoConnect（布尔值，表示是否自动连接到BLE装置）和BluetoothGattCallback:

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

这个函数连接到由BLE设备上的GATTserver，并返回一个BluetoothGatt实例，您可以使用它来进行GATT client操作。调用者（Android应用程序）是GATT client。该BluetoothGattCallback是用来提供结果给client，如连接状态，以及任何进一步的GATT client操作。

在这个例子中，BLE应用程序提供了一个活动（DeviceControlActivity）连接，显示数据，和显示该设备支持的GATTservices和characteristics。根据用户的输入，这一活动与一个叫BluetoothLeService的Service交互，BluetoothService通过Android BLE的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 mBluetoothManager;
    private BluetoothAdapter mBluetoothAdapter;
    private String mBluetoothDeviceAddress;
    private BluetoothGatt mBluetoothGatt;
    private int mConnectionState = 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 mGattCallback =
            new BluetoothGattCallback() {
        @Override
        public void onConnectionStateChange(BluetoothGatt gatt, int status,
                int newState) {
            String intentAction;
            if (newState == BluetoothProfile.STATE_CONNECTED) {
                intentAction = ACTION_GATT_CONNECTED;
                mConnectionState = STATE_CONNECTED;
                broadcastUpdate(intentAction);
                Log.i(TAG, "Connected to GATT server.");
                Log.i(TAG, "Attempting to start service discovery:" +
                        mBluetoothGatt.discoverServices());

            } else if (newState == BluetoothProfile.STATE_DISCONNECTED) {
                intentAction = ACTION_GATT_DISCONNECTED;
                mConnectionState = 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);
            }
        }
     ...
    };
...
}

当一个特定的回调被触发时，它会调用相应的broadcastUpdate（）辅助方法并传递给它一个动作。注意，在该部分中的数据解析参照 Bluetooth Heart Rate Measurement profilespecifications进行。

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) + "
" +
                    stringBuilder.toString());
        }
    }
    sendBroadcast(intent);
}

早在DeviceControlActivity, 这些事件由一个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 mGattUpdateReceiver = new BroadcastReceiver() {
    @Override
    public void onReceive(Context context, Intent intent) {
        final String action = intent.getAction();
        if (BluetoothLeService.ACTION_GATT_CONNECTED.equals(action)) {
            mConnected = true;
            updateConnectionState(R.string.connected);
            invalidateOptionsMenu();
        } else if (BluetoothLeService.ACTION_GATT_DISCONNECTED.equals(action)) {
            mConnected = 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(mBluetoothLeService.getSupportedGattServices());
        } else if (BluetoothLeService.ACTION_DATA_AVAILABLE.equals(action)) {
            displayData(intent.getStringExtra(BluetoothLeService.EXTRA_DATA));
        }
    }
};

读取BLE属性

一旦你的Android应用程序已连接到GATTserver和discoveriable service，它可以读取和写入支持的attributes。例如，通过server的service和characteristic这个片段进行迭代，在UI上显示它们：

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);
         }
    ...
    }
...
}

接收GATT通知 （Notifications）

这是常见的设备上的BLE应用程序要求被通知，当一个特定characteristic改变时。这段代码显示了如何使用 setCharacteristicNotification()方法设置一个Notifications用于characteristic：

private BluetoothGatt mBluetoothGatt;
BluetoothGattCharacteristic characteristic;
boolean enabled;
...
mBluetoothGatt.setCharacteristicNotification(characteristic, enabled);
...
BluetoothGattDescriptor descriptor = characteristic.getDescriptor(
        UUID.fromString(SampleGattAttributes.CLIENT_CHARACTERISTIC_CONFIG));
descriptor.setValue(BluetoothGattDescriptor.ENABLE_NOTIFICATION_VALUE);
mBluetoothGatt.writeDescriptor(descriptor);

一旦启动了属性通知（ notifications for acharacteristic）,如果在远程设备上characteristic 发生改变，onCharacteristicChanged() 回调函数将被启动。

@Override
// Characteristic notification
public void onCharacteristicChanged(BluetoothGatt gatt,
        BluetoothGattCharacteristic characteristic) {
    broadcastUpdate(ACTION_DATA_AVAILABLE, characteristic);
}

关闭Client应用程序

一旦你的应用程序已经使用BLE装置完成后，应该调用close()，这样系统就可以适当地释放资源：

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