Ble蓝牙开发详解

蓝牙主要分为两种：经典蓝牙和低功耗蓝牙

Ble简介

低功耗蓝牙4.0只有android4.3或4.3以上才支持
1、BLE蓝牙4.0核心profile，主要特点是快速搜索，快速连接，超低功耗保持连接和数据传输，缺点：数据传输速率低，BLE蓝牙一包数据最多为20字节，因此安卓系统下最好不要使用BLE蓝牙传输大量数据，由于其具有低功耗特点，所以经常用在可穿戴设备之中。
2、Profile： 蓝牙规范，一个标准的通信协议，例如：A2DP、HFP、GAP、SPP，GATT等都是一种蓝牙规范，其存在于手机中，蓝牙组织规定了一些标准的profile:HID OVER GATT ,防丢器等，每个profile中包含了多个service。
3、service： 蓝牙提供的服务，是Characteristic的集合，在BLE从机中有多个服务，电量信息，系统服务信息等，每一个service中包含了多个characteristic特征值，每一个具体的characteristic特征值才是BLE通信的主题，Service也可以包含Service，在开发中，一个外设设备一般只有一个服务。设备中每一个不同的 Service 都有一个 128 bit 的 UUID 作为这个 Service 的独立标志。蓝牙核心规范制定了两种不同的UUID，一种是基本的UUID，一种是代替基本UUID的16位UUID。
4、characteristic特征值：BLE主机从机通信均是通过characteristic进行，可以将其理解为一个标签，通过该标签可以读取或写入相关信息，在实际中可以认为一个数据传输通道，是GATT协议的最少逻辑单元。Characteristic 的特性可以通过Descriptor配置。
5、 UUID(统一标识码):service和characteristic均需要这个唯一的UUID进行标识。
6、Descriptor：对Characteristic 的描述，如Characteristic 是否可写，可读，是否使能通知等信息
7、GATT：在 BLE中，其协议规范为GATT（Generic Attribute Profile：发送和接收很短的数据段的通用规范），GATT协议由若干个Service组成。
8、角色和职责，就是中心设备和外围设备（GATT server vs. GATT client.），运用了ble的app和ble设备之间的通信，当app搜索到了ble设备，app会收到ble反馈过来的信息比如电量，也就是characteristic上面说的特征值，相反我们app也可以通过写入一些信息到这个对象（characteristic）发送给设备，设备收到之后就会执行我们的要它做的动作了。

BLE API 简介

BluetoothAdapter
BluetoothAdapter 拥有基本的蓝牙操作，例如开启蓝牙扫描，使用已知的 MAC 地址 （BluetoothAdapter#getRemoteDevice）实例化一个 BluetoothDevice 用于连接蓝牙设备的操作等等。

BluetoothDevice
代表一个远程蓝牙设备。这个类可以让你连接所代表的蓝牙设备或者获取一些有关它的信息，例如它的名字，地址和绑定状态等等。

BluetoothGatt
这个类提供了 Bluetooth GATT 的基本功能。例如重新连接蓝牙设备，发现蓝牙设备的 Service 等等。

BluetoothGattService
这个类通过 BluetoothGatt#getService 获得，如果当前服务不可见那么将返回一个 null。这个类对应上面说过的 Service。我们可以通过这个类的 getCharacteristic(UUID uuid) 进一步获取 Characteristic 实现蓝牙数据的双向传输。

BluetoothGattCharacteristic
这个类对应上面提到的 Characteristic。通过这个类定义需要往外围设备写入的数据和读取外围设备发送过来的数据。

ble蓝牙开发流程：
（一）申请权限
安卓手机涉及蓝牙权限问题，蓝牙开发需要在AndroidManifest.xml文件中添加权限声明：

在Android5.0之前，是默认申请GPS硬件功能的。而在Android 5.0 之后，需要在manifest 中申明GPS硬件模块功能的使用。

在 Android 6.0 及以上，还需要打开位置权限。如果应用没有位置权限，蓝牙扫描功能不能使用（其它蓝牙操作例如连接蓝牙设备和写入数据不受影响）

手机权限管理中允许此权限，否则会出现无法搜索到设备的情况。

（二）打开蓝牙
在搜索设备之前需要询问打开手机蓝牙，其关键代码如下：

 //获取系统蓝牙适配器管理类
    private BluetoothAdapter mBluetoothAdapter = BluetoothAdapter
            .getDefaultAdapter();

    // 询问打开蓝牙
    if (mBluetoothAdapter != null && !mBluetoothAdapter.isEnabled()) {
            Intent enableBtIntent = new Intent(
                    BluetoothAdapter.ACTION_REQUEST_ENABLE);
            startActivityForResult(enableBtIntent, 1);
    }
      // 申请打开蓝牙请求的回调
    @Override
    protected void onActivityResult(int requestCode, int resultCode, Intent data) {
        // TODO Auto-generated method stub
        super.onActivityResult(requestCode, resultCode, data);
        if (requestCode == 1) {
            if (resultCode == RESULT_OK) {
                Toast.makeText(this, "蓝牙已经开启", Toast.LENGTH_SHORT).show();
            } else if (resultCode == RESULT_CANCELED) {
                Toast.makeText(this, "没有蓝牙权限", Toast.LENGTH_SHORT).show();
                finish();
            }
        }
    }

（三）搜索设备
本文主要针对BLE蓝牙开发，因此采用mBluetoothAdapter.startLeScan(LeScanCallback callback)方式扫描BLE蓝牙设备。调用方法如下：

mBluetoothAdapter.startLeScan(callback);
private LeScanCallback callback = new LeScanCallback() {

    @Override
    public void onLeScan(BluetoothDevice device, int arg1, byte[] arg2) {

        //device为扫描到的BLE设备
        if(device.getName() == "目标设备名称"){
            //获取目标设备
            targetDevice = device;
        }
    }
};

（四）连接设备
通过扫描BLE设备，根据设备名称区分出目标设备targetDevice，下一步实现与目标设备的连接。在连接设备之前要停止搜索蓝牙。

mBluetoothAdapter.stopLeScan(callback);

注 ：停止搜索一般需要一定的时间来完成，最好调用停止搜索函数之后加以100ms的延时，保证系统能够完全停止搜索蓝牙设备。停止搜索之后启动连接过程。
BLE蓝牙的连接方法相对简单只需调用connectGatt方法，函数原型如下：

public BluetoothGatt connectGatt (Context context, boolean autoConnect, BluetoothGattCallback callback)；

参数说明
返回值 BluetoothGatt: BLE蓝牙连接管理类，主要负责与设备进行通信。后续会进一步介绍该类。
boolean autoConnect：建议置为false，能够提升连接速度。
BluetoothGattCallback callback 连接回调，重要参数，BLE通信的核心部分。

（五）设备通信
与设备建立连接之后与设备通信，整个通信过程都是在BluetoothGattCallback的异步回调函数中完成。
BluetoothGattCallback中主要回调函数如下：

private BluetoothGattCallback gattCallback = new BluetoothGattCallback() {
    
        @Override
        public void onConnectionStateChange(BluetoothGatt gatt, int status,
                int newState) {
        }
        @Override
        public void onCharacteristicWrite(BluetoothGatt gatt,
                BluetoothGattCharacteristic characteristic, int status) {
            
            super.onCharacteristicWrite(gatt, characteristic, status);

        }

        @Override
        public void onDescriptorWrite(BluetoothGatt gatt,
                BluetoothGattDescriptor descriptor, int status) {
        
            
        };

        @Override
        public void onServicesDiscovered(BluetoothGatt gatt, int status) {


        }

        @Override
        public void onCharacteristicChanged(BluetoothGatt gatt,
                BluetoothGattCharacteristic characteristic) {
            

        }
    };

上述几个回调函数是BLE开发中不可缺少的，每个函数的意义以及被调用的时机会在后续步骤中一一说明。

（1）等待设备连接成功
当调用targetdDevice.connectGatt(context, false, gattCallback)后系统会主动发起与BLE蓝牙设备的连接，若成功连接到设备将回调onConnectionStateChange方法，其处理过程如下：

@Override
public void onConnectionStateChange(BluetoothGatt gatt, int status,
                int newState) {
            if (newState == BluetoothGatt.STATE_CONNECTED) {
                Log.e(TAG, "设备连接上 开始扫描服务");
                // 开始扫描服务，安卓蓝牙开发重要步骤之一
                mBluetoothGatt.discoverServices();
            }
            if (newState == BluetoothGatt.STATE_DISCONNECTED) {

                // 连接断开
                /*连接断开后的相应处理*/      
            }
};

判断newState == BluetoothGatt.STATE_CONNECTED表明此时已经成功连接到设备。

（2）开启扫描服务

mBluetoothGatt.discoverServices();

扫描BLE设备服务是安卓系统中关于BLE蓝牙开发的重要一步，一般在设备连接成功后调用，扫描到设备服务后回调onServicesDiscovered()函数，函数原型如下：。

@Override
public void onServicesDiscovered(BluetoothGatt gatt, int status) {

    private List servicesList;
    //获取服务列表
    servicesList = mBluetoothGatt.getServices();

}

BLE蓝牙协议下数据的通信方式采用BluetoothGattService、BluetoothGattCharacteristic和BluetoothGattDescriptor三个主要的类实现通信。
BluetoothGattService 简称服务，是构成BLE设备协议栈的组成单位，一个蓝牙设备协议栈一般由一个或者多个BluetoothGattService组成。
BluetoothGattCharacteristic 简称特征，一个服务包含一个或者多个特征，特征作为数据的基本单元。
一个BluetoothGattCharacteristic特征包含一个数据值和附加的关于特征的描述BluetoothGattDescriptor。
BluetoothGattDescriptor：用于描述特征的类，其同样包含一个value值。

（3）获取负责通信的BluetoothGattCharacteristic
BLE蓝牙开发主要有负责通信的BluetoothGattService完成的。当且称为通信服务。通信服务通过硬件工程师提供的UUID获取。获取方式如下：
BluetoothGattService service = mBluetoothGatt.getService(UUID.fromString(“蓝牙模块提供的负责通信UUID字符串”));

通信服务中包含负责读写的BluetoothGattCharacteristic，且分别称为notifyCharacteristic和writeCharacteristic。其中notifyCharacteristic负责开启监听，也就是启动收数据的通道，writeCharacteristic负责写入数据。
具体操作方式如下：

BluetoothGattService service = mBluetoothGatt.getService(UUID.fromString("蓝牙模块提供的负责通信服务UUID字符串"));
   // 例如形式如：49535343-fe7d-4ae5-8fa9-9fafd205e455
  notifyCharacteristic = service.getCharacteristic(UUID.fromString("notify uuid"));
  writeCharacteristic =  service.getCharacteristic(UUID.fromString("write uuid"));

（4）开启监听
开启监听，即建立与设备的通信的首发数据通道，BLE开发中只有当上位机成功开启监听后才能与下位机收发数据。开启监听的方式如下：

mBluetoothGatt.setCharacteristicNotification(notifyCharacteristic, true)
BluetoothGattDescriptor descriptor = characteristic
                            .getDescriptor(UUID
                                    .fromString
("00002902-0000-1000-8000-00805f9b34fb"));
descriptor.setValue(BluetoothGattDescriptor.ENABLE_NOTIFICATION_VALUE);

若开启监听成功则会回调BluetoothGattCallback中的onDescriptorWrite()方法，处理方式如下:

@Override
public void onDescriptorWrite(BluetoothGatt gatt,
                BluetoothGattDescriptor descriptor, int status) {
        if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
                
            //开启监听成功，可以像设备写入命令了
            Log.e(TAG, "开启监听成功");
        }
            
};

（5）写入数据
监听成功后通过向 writeCharacteristic写入数据实现与下位机的通信。写入方式如下：
//value为上位机向下位机发送的指令

writeCharacteristic.setValue(value);
mBluetoothGatt.writeCharacteristic(writeCharacteristic)

其中：value一般为Hex格式指令，其内容由设备通信的蓝牙通信协议规定。
（6）接收数据
若写入指令成功则回调BluetoothGattCallback中的onCharacteristicWrite()方法，说明将数据已经发送给下位机。

@Override
public void onCharacteristicWrite(BluetoothGatt gatt,
            BluetoothGattCharacteristic characteristic, int status) {
            
            if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
                Log.e(TAG, "发送成功");
            }   
            super.onCharacteristicWrite(gatt, characteristic, status);
}

若发送的数据符合通信协议，则下位机会向上位机回复相应的数据。发送的数据通过回调onCharacteristicChanged()方法获取，其处理方式如下：

@Override
public void onCharacteristicChanged(BluetoothGatt gatt,
                BluetoothGattCharacteristic characteristic) {

            // value为设备发送的数据，根据数据协议进行解析
            byte[] value = characteristic.getValue();

}

通过向下位机发送指令获取下位机的回复数据，即可完成与设备的通信过程。

（六）断开连接
当与设备完成通信之后之后一定要断开与设备的连接。调用以下方法断开与设备的连接：

mBluetoothGatt.disconnect();
mBluetoothGatt.close();

（七）数据分包和拼包的处理方法

分包：蓝牙ble发送的字节一般为20byte，在使用的时候可能会有超过20byte时候就需要分包处理，分包处理很简单，简需要发送的数据分成每包20byte发送即可，尾包按实际字节数发送。
拼包：蓝牙ble接收的字节数一般也为20字节，所以需要做拼包处理，处理方法是开辟一个数组缓冲区，将接收到的数据放进缓冲区，每次存放数据都要检测数据是否接收完毕，对于异常数据做抛弃处理，缓冲区长度应可自动伸缩，避免当需要一次性传输大数据包是要重新修改蓝牙库。

（八）和经典蓝牙混合使用的注意项

通过mBluetoothAdapter.startDisCovery()方式扫描蓝牙，在部分高版本手机中会出现将ble也扫描出来，并通过广播发送出来，因此需要增加判断
A2dp/Hfp蓝牙连接注意情况
a. 通过fetchUuidsWithSdp发现经典蓝牙的服务。此方法不应该调用多次，调用多次会造成部分手机经典蓝牙A2DP/HFP服务连接失败连接
b.在通过fetchUuidsWithSdp发现经典蓝牙发现服务时，应先读取设备的UUIDS，判断是否有缓存，如果有就跳过服务发现，直接连接服务，不然会出现连接失败。

文章参考
https://www.jianshu.com/p/a27f3ca027e3
https://blog.csdn.net/tongziwei1991/article/details/81588314