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Bluetooth Low Energy(低功耗蓝牙)-For蓝牙4.x

此文翻译至Android API里的Bluetooth Low Energy,希望对大家有所帮助。谢谢。

Android4.3(API版本18)介绍了内置平台支持BLE的中心角色,并且提供了相关API,高大尚的程序员们可以使用这些API来扫描设备、查询服务(指服务端进程)、读写特性值(指特定的字符)。与经典蓝牙不同的是,BLE的设计是为了提供显著的低功耗支持。这使得Android应用可以仅需很低的功耗与BLE设备进行通信,心跳频率(不是人的心跳,是指发送心跳包检测设备是否还在),监听适配设备等等。

一、关键术语和概念
这里是关于BLE关键术语和概念的一个总结:
通用属性描述[Generic Attribute Profile](GATT)-GATT是为通过BLE链接发送和接收的短数据(属性值)而做的一个规范描述。现在所有的BLE应用描述都是基于GATT的。
蓝牙SIG(貌似一个组织)为低功耗设备定义了很多描述。一个描述(Profile)是一个设备如何在特定应用中的工作规范。注意一个设备可以实现不止一个(多个)描述。举个例子,一个设备可以包含一个心跳监听的描述和一个电池电量的描述。
属性协议[Attribute Protocol](ATT)-GATT是建立在ATT之上的。它们一起指的是GATT/ATT(类似于TCP/IP的概念)。ATT对在BLE设备上的运行进行优化。为此,它使用尽可能少的字节。每个属性都是由一个全局唯一标识符唯一地标识(UUID),这是一个字符串ID,一个标准的128位格式,用于唯一标识信息。这里的attributes(属性)的传输被ATT格式化为characteristics和services。
特征[Characteristic]-一个characteristic包含一个唯一的值和0到n个描述数来描述characteristic的值。一个characteristic可以被看作一个数据类型,或者一个类。
描述符[Descriptor]-Descriptor被定义为一些属性用来描述一个characteristic的值。例如,一个描述符可能特指为一个只有人才可以读的描述,characteristic的值的一个可接受的范围。或者是characteristic的一个测量单元。
服务[Service]-一个服务是一个characteristic的一个集合。例如,你可以有一个服务叫“心率监测”,包括“心率测量的特点。你可以在bluetooth.org找到一个现有的基于profiles和services的GATT的列表。
二、角色和职责
这里是当一个Anroid设备和一个BLE设备进行交互时的角色和职责:
中心与边缘[Central vs. Peripheral]。这应用在BLE连接它自己。中心角色的设备可以扫描、寻找adertisement,边缘角色是产生adertisement的。
GATT服务端和GATT客户端。这决定两个设备一旦键立连接应该怎么通话。
要明白这两者的区别,例如你有一个Android手机和一个活动的BLE跟踪设备。手机是中心角色;BLE是边缘角色(要建立一个BLE通道,你不能只有中心角色也不能只有边缘角色)。
一旦手机和BLE建立了一个通道,它们就可能向对方传输GATT元数据了。根据它们所传输的数据类型,一个或另一个会作为server。例如,如果一个跟踪BLE设备要向手机传送传感器的数据,那么跟踪BLE设备就要担当为server。如果跟踪BLE设备要接收手机发来的更新数据,那边手机将作为server。
在本文档中使用的示例,Android的应用程序(在Android设备上运行)是GATT的客户端。程序从GATT服务器获取数据,它是一个支持心率检测的心率描述(Heart Rate Profile)。但你也可以设计你的Android应用程序来发挥GATT的服务器角色。更多信息参见BluetoothGattServer。
三、程序实例
1、BLE权限
为了使你的应用可以实现蓝牙,你必需定义蓝牙权限:BLUETOOTH。你可以使用此权限执行任何蓝牙通信,比如,请求一个连接,接受一个连接,或者传输数据。
如果你想让你的App可以扫描蓝牙设备或者是其它蓝牙设置,那么你必需声明BLUETOOTH_ADMIN权限。注意:如果你声明了BLUETOOTH_ADMIN权限,那么你必须声明BLUETOOTH权限。
声明权限:
<uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH"/>
<uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH_ADMIN"/>
如果你想让你的APP只在BLE设备才有效的话,你还需在AndroidManifest.xml里加入此句:
<uses-feature android:name="android.hardware.bluetooth_le" android:required="true"/>
然而,如果你想让你的APP不支持BLE那边你也需加入:<uses-feature android:name="android.hardware.bluetooth_le" android:required="false"/>然后你可以在程序运行时检测是否支持BLE:
// 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();
}
2、设置BLE
在你的程序可以能过BLE通道通信之前,你需要先验证是否支持BLE,还有是否可开。注意,检测只在<uses-feature.../>设置为false时需要。
如果BLE不支持,很遗憾你不能使用BLE的特性。如果支持BLE但是没有打开,那么你需要请求用户打开。这个可以通过两个步骤完成,使用BluetoothAdapter。
1)获得BluetoothAdapter
BluetoothAdapter可以为所有Bluetooth activity所申请。BluetoothAdapter代表一个设备(本机设备)。对于整个系统只有一个BluetoothAdapter,你的应用程序可以使用它进行交互。下面是如何申请一个BluetoothAdapter。参见Android4.3(API Level 18)关于BluetoothManager的详细介绍:
// Initializes Bluetooth adapter.
final BluetoothManager bluetoothManager =
        (BluetoothManager) getSystemService(Context.BLUETOOTH_SERVICE);
mBluetoothAdapter = bluetoothManager.getAdapter();


2)打开蓝牙
下一步你需要检测你的蓝牙是否打开。用isEnabled进行检测。如果false则是关闭,相反已经打开。代码如下:
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);
}
3、查找BLE设备
为了查找BLE设备,你可以使用startLeScan()方法。这个方法需要一个BluetoothAdapter.LeScanCallback作为参数。你必需实现callback,这是为了接收查找到的蓝牙设备的回调函数。因为查找很耗电,所以你必须遵循下面的规则:
a、一找到你需要的设备就要停止
b、不要在一个循环里进行扫描,要设一个扫描时间限制。如果一个设备移动超过范围,就要根据电量许可继续扫描。
下面是开始和关闭扫描的步骤:
/**
 * 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);
        }
        ...
    }
...
}
如果你只想扫描特定的设备,你可以用startLeScan(UUID[],BluetoothAdapter.LeScanCallback)方法代替前面的方法,需要提供一个UUID对角数据给GATT服务端。
下面是BluetoothAdapter.LeScanCallback的实现代码:
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:你只能扫描BLE设备或者传统蓝牙设备,但是不能同时扫描两种设备。
4、连接GATT服务器
与BLE设备交互的第一步是与它建立连接,其实就是连接上GATT服务器。为了连接BLE设备上的GATT服务端,你可以使用connectGatt()方法。这个方法需要3个参数:一个Context对象,autoConnect(boolean)(此参数是为了可以立即与可用BLE设备连接),还有一个BluetoothGattCallback:
mBluetoothGatt = device.connectGatt(this, false, mGattCallback);
这个连接GATT服务器会返回一个BluetoothGatt对象实例,接下来你可以用此实例进行GATT客户端操作。BluetoothGattCallback是为了向客户端传输结果用的,有连接状态或其它高级的数据。
在本例子中,BLE App提供一个activity(DeviceControlActivity)来连接,显示灵气,显示GATT服务和characteristics。基于用户输入,这个activity与一个Service进行交互,这个Service是BluetoothService,它用来能过Android BLE 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 =http://www.mamicode.com/
            "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callback被触发里,它会调用合适的broadcastUpdate()来发出一个广播。注意在本文出现的这些数据是参考Bluetooth Heart Rate的度量profile specifications:
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 = http://www.mamicode.com/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) + "\n" +
                    stringBuilder.toString());
        }
    }
    sendBroadcast(intent);
}
回到DeviceControlActivity,这个事件是被一个BroadcastReceiver来处理的:
// 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));
        }
    }
};
5、读BLE的Attributes
一旦你的Android App连接上一个GATT服务器并且发现services,它就可以读写attributes了,只要是支持的数据。例如,你可以读取这些数据或属性显示到UI上:
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 =http://www.mamicode.com/
                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 =http://www.mamicode.com/
                    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 =http://www.mamicode.com/
                    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 =http://www.mamicode.com/
                        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);
         }
    ...
    }
...
}
6、接收GATT通知
这是很常见的,BLE apps可以询问是否可以被通知当设备上的一个特定的characteristic发生改变时。下面是如何实现接收此通知,使用setCharateristicNotification()方法:
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);
只要notifications是可用的,一个onCharacteristicChangetd()将被回调来触发改变远程设备:
@Override
// Characteristic notification
public void onCharacteristicChanged(BluetoothGatt gatt,
        BluetoothGattCharacteristic characteristic) {
    broadcastUpdate(ACTION_DATA_AVAILABLE, characteristic);
}
7、最后请关闭客户端App
只要你的App使用完毕BLE设备,你应该调用close来关闭它们,让系统释放资源:
public void close() {
    if (mBluetoothGatt == null) {
        return;
    }
    mBluetoothGatt.close();
    mBluetoothGatt = null;
}



































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