Android API开发之蓝牙开发之Android蓝牙开发GATT协议

本章节讲述GATT协议 

 

译文 

 

链接:https://www.race604.com/gatt-profile-intro/

 

 

 

低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy) BLE

 

 

一、 引言

现在低功耗蓝牙(BLE)连接都是建立在 GATT (Generic Attribute Profile) 协议之上。GATT 是一个在蓝牙连接之上的发送和接收很短的数据段的通用规范,这些很短的数据段被称为属性(Attribute)。

 

 

二、 GAP

 

详细介绍 GATT 之前,需要了解 GAP(Generic Access Profile)

 

通用访问配置文件(Generic Access Profile, GAP)

GAP是所有其他配置文件的基础,它定义了在蓝牙设备间建立基带链路的通用方法.除此之外,GAP还定义了下列内容:

①:必须在所有蓝牙设备中实施的功能

②:发现和链接设备的通用步骤

③:基本用户界面术语

GAP确保了应用程序和设备间的高度互操作性,还允许开发人员利用现有的定义更加容易地定义新的配置文件.GAP处理未连接的两个设备间的发现和建立连接过程.此配置文件定义了一些通用的操作,这些操作可供引用GAP的配置文件,以及实施多个配置文件的设备使用.GAP确保了两个蓝牙设备可通过蓝牙技术交换信息,以发现彼此支持的应用程序.不符合任何其他蓝牙配置文件的蓝牙设备必须与GAP符合以确保基本的互操作性和共存.

 

 

GAP它在用来控制设备连接和广播。GAP 使你的设备被其他设备可见,并决定了你的设备是否可以或者怎样与合同设备进行交互。例如 Beacon 设备就只是向外广播,不支持连接,小米手环就等设备就可以与中心设备连接。

 

1. 设备角色

GAP 给设备定义了若干角色,其中主要的两个是:外围设备(Peripheral)和中心设备(Central)。

  • 外围设备:这一般就是非常小或者简单的低功耗设备,用来提供数据,并连接到一个更加相对强大的中心设备。例如小米手环。
  • 中心设备:中心设备相对比较强大,用来连接其他外围设备。例如手机等。

 

2. 广播数据

在 GAP 中外围设备通过两种方式向外广播数据: Advertising Data Payload(广播数据)和 Scan Response Data Payload(扫描回复),每种数据最长可以包含 31 byte。这里广播数据是必需的,因为外设必需不停的向外广播,让中心设备知道它的存在。扫描回复是可选的,中心设备可以向外设请求扫描回复,这里包含一些设备额外的信息,例如设备的名字。

 

3. 广播流程

GAP 的广播工作流程如下图所示。 
从图中我们可以清晰看出广播数据和扫描回复数据是怎么工作的。外围设备会设定一个广播间隔,每个广播间隔中,它会重新发送自己的广播数据。广播间隔越长,越省电,同时也不太容易扫描到。

 

4. 广播的网络拓扑结构

大部分情况下,外设通过广播自己来让中心设备发现自己,并建立 GATT 连接,从而进行更多的数据交换。也有些情况是不需要连接的,只要外设广播自己的数据即可。用这种方式主要目的是让外围设备,把自己的信息发送给多个中心设备。因为基于 GATT 连接的方式的,只能是一个外设连接一个中心设备。 使用广播这种方式最典型的应用就是苹果的 iBeacon。广播工作模式下的网络拓扑图如下:

 

 

三、GATT

GATT 的全名是 Generic Attribute Profile(姑且翻译成:普通属性协议),它定义两个 BLE 设备通过叫做 Service 和 Characteristic 的东西进行通信。GATT 就是使用了 ATT(Attribute Protocol)协议,ATT 协议把 Service, Characteristic遗迹对应的数据保存在一个查找表中,次查找表使用 16 bit ID 作为每一项的索引。

一旦两个设备建立起了连接,GATT 就开始起作用了,这也意味着,你必需完成前面的 GAP 协议。这里需要说明的是,GATT 连接,必需先经过 GAP 协议。实际上,我们在 Android 开发中,可以直接使用设备的 MAC 地址,发起连接,可以不经过扫描的步骤。这并不意味不需要经过 GAP,实际上在芯片级别已经给你做好了,蓝牙芯片发起连接,总是先扫描设备,扫描到了才会发起连接。

GATT 连接需要特别注意的是:GATT 连接是独占的。也就是一个 BLE 外设同时只能被一个中心设备连接。一旦外设被连接,它就会马上停止广播,这样它就对其他设备不可见了。当设备断开,它又开始广播。

中心设备和外设需要双向通信的话,唯一的方式就是建立 GATT 连接。

 

1. GATT 连接的网络拓扑

下图展示了 GTT 连接网络拓扑结构。这里很清楚的显示,一个外设只能连接一个中心设备,而一个中心设备可以连接多个外设。一旦建立起了连接,通信就是双向的了,对比前面的 GAP 广播的网络拓扑,GAP 通信是单向的。如果你要让两个设备外设能通信,就只能通过中心设备中转。

 

2. GATT 通信事务

GATT 通信的双方是 C/S 关系。外设作为 GATT 服务端(Server),它维持了 ATT 的查找表以及 service 和 characteristic 的定义。中心设备是 GATT 客户端(Client),它向 Server 发起请求。需要注意的是,所有的通信事件,都是由客户端(也叫主设备,Master)发起,并且接收服务端(也叫从设备,Slave)的响应。

一旦连接建立,外设将会给中心设备建议一个连接间隔(Connection Interval),这样,中心设备就会在每个连接间隔尝试去重新连接,检查是否有新的数据。但是,这个连接间隔只是一个建议,你的中心设备可能并不会严格按照这个间隔来执行,例如你的中心设备正在忙于连接其他的外设,或者中心设备资源太忙。

下图展示一个外设(GATT 服务端)和中心设备(GATT 客户端)之间的数据交换流程,可以看到的是,每次都是主设备发起请求:

 

3. GATT 结构

GATT 事务是建立在嵌套的Profiles, Services 和 Characteristics之上的的,如下图所示: 

 

 

  • Profiles

Profile并不是真实存在的一种结构,而是多个完成某一特定功能services的集合,或者说是对这个特定结合的功能的描述,或者名称。以Heart Rate Profile为例,它包括Heart Rate Service 和 Device Information Service,他们都是为了完成测量心率这个功能而存在的service。

更详细的可以查看Profiles Overview。

 

 

 

 

 

  • Services

每个service拥有一个唯一标识UUID,可以是官方认证的16bit的id,也可以是128位的自定义id。service是GATT数据的逻辑分类,它包含一个或者多个characteristic。

官方通过了一些标准 Service,完整列表在这里。以 Heart Rate Service为例,可以看到它的官方通过 16 bit UUID 是 0x180D
,包含 3 个 Characteristic:Heart Rate Measurement, Body Sensor LocationHeart Rate Control Point,实现该service第一个Heart Rate Measurement是必选的,其他两个是可选的。

 

 

  • Characteristics

Characteristic也拥有一个16-bit 或者128-bit的UUID,它是GATT通信中的最小的逻辑数据单元,它封装了一个单一的数据点,当然这个数据点可能包含一组相关的数据,比如加速度传感器的x/y/z三个坐标轴的数据。

实际上,和 BLE 外设打交道,主要是通过 Characteristic。你可以从 Characteristic 读取数据,也可以往 Characteristic 写数据。这样就实现了双向的通信。你可以使用Characteristic实现一个类似串口(UART)的 Sevice,这个 Service 中包含两个 Characteristic,一个被配置只读的通道(RX),另一个配置为只写的通道(TX)。

 

 

 

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