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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 =            "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 =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);}

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 =                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);         }    ...    }...}

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 notificationpublic 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;}

 

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