蓝牙低功耗（BLE）概述

一、初始蓝牙低功耗

Android 4.3（API Level 18）开始引入Bluetooth Low Energy（BLE，低功耗蓝牙）的核心功能并提供了相应的 API， 应用程序通过这些 API 扫描蓝牙设备、查询 services、读写设备的 characteristics（属性特征）等操作。

二、通用访问规范GAP

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

GAP广播工作流程

• ADVERTISING INTERVAL：广播间隔
• ADVERTISING DATA：广播数据
• SCAN RESPONSE REQUEST：扫描响应请求
• SCAN RESPONSE DATA：扫描响应数据

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，广播时间越长，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：

广播的网络拓扑结构

5. 更多关于GAP

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三、通用属性配置文件 GATT

GATT 的全名是 Generic Attribute Profile，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以及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. 相关专业术语

• 通用属性配置文件(GATT，Generic Attribute Profile)

  • 现在BLE连接都是建立在 GATT 协议之上。
  • GATT 配置文件是一种通用规范，内容针对在 BLE 链路上发送和接收称为“属性”的简短数据片段。
  • 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）。
  • 目前所有低功耗应用配置文件均以 GATT 为基础。

• 属性协议(ATT)：属性协议 (ATT) 是 GATT 的构建基础，二者的关系也被称为 GATT/ATT。

  • ATT 经过优化，可在 BLE 设备上运行。为此，该协议尽可能少地使用字节。
  • 每个属性均由通用唯一标识符 (UUID) 进行唯一标识，后者是用于对信息进行唯一标识的字符串 ID 的 128 位标准化格式。
  • 由 ATT 传输的属性采用特征和服务格式。

• 特征：特征包含一个值和 0 至多个描述特征值的描述符。您可将特征理解为类型，后者与类类似。

• 描述符：描述符是描述特征值的已定义属性。例如，描述符可指定人类可读的描述、特征值的可接受范围或特定于特征值的度量单位。

• Service — 服务是一系列特征。例如，您可能拥有名为“心率监测器”的服务，其中包括“心率测量”等特征。您可以在 bluetooth.org 上找到基于 GATT 的现有配置文件和服务的列表。

2. 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。Connected Topology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。

GATT连接的网络拓扑

3. 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：

服务端和客户端的数据交换流程

• Peripheral GATT Server：外围GATT服务器
• Central GATT Client：中心GATT客户端
• CONNECTION INTERVAL：连接间隔
• MASTER（Sends Request）：客户端，也称主设备
• SLAVE（Sends Response）：服务器，也称从设备

3. GATT结构

GATT结构

3.1 Profile

• 可以理解为一种规范，一个标准的通信协议。
• 存在于从机（BLE外设）中，但并不是实际存在的，它只是一个被 Bluetooth SIG 或者外设设计者预先定义的 Service 的集合。
• 每个profile中会包含多个service，每个service代表从机的一种能力。

蓝牙组织规定了一些标准的profile，例如 HID OVER GATT ，防丢器 ，心率计等。

例如心率Profile（Heart Rate Profile）就是结合了 Heart Rate Service 和 Device Information Service。

3.2 Service

• 一个低功耗蓝牙设备可以定义许多 Service

• 可以理解为一个服务，一个功能的集合，在BLE从机中，通常有多个服务，例如电量信息服务、系统信息服务等。

• Service把数据分成一个个独立逻辑项，每个Service中包含多个Characteristic特征值。

• 每个具体的Characteristic特征值才是BLE通信的主体。

  比如当前的电量是80%，所以会通过电量信息服务的Characteristic特征值存储在从机的Profile里，这样主机就可以通过这个Characteristic来读取80%这个数据

• 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。

  UUID 有 16 bit 的，或者 128 bit 的。16 bit 的 UUID 是官方通过认证的，需要花钱购买，128 bit 是自定义的，这个就可以自己随便设置。

  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 Location 和 Heart Rate Control Point，并且定义了只有第一个是必须的，它是可选实现的。

3.3 Characteristic

• 在Service下面，又包括了许多的独立数据项，我们把这些独立的数据项称作Characteristic。

• 每一个 Characteristic 也有一个唯一的16 bit 或者 128 bit的 UUID 作为标识符。

• 在 GATT 事务中的最低界别的是 Characteristic，Characteristic 是最小的逻辑数据单元，当然它可能包含一个组关联的数据，例如加速度计的 X/Y/Z 三轴值。

• 可以理解为一个标签，通过这个标签可以获取或者写入想要的内容

• BLE主从机的通信均是通过Characteristic来实现

• 在 Android 开发中，建立蓝牙连接后，我们说的通过蓝牙发送数据给外围设备就是往这些 Characteristic 中的 Value 字段写入数据；外围设备发送数据给手机就是监听这些 Characteristic 中的 Value 字段有没有变化，如果发生了变化，手机的 BLE API 就会收到一个监听的回调。

  你可以免费使用 Bluetooth SIG 官方定义的标准 Characteristic，使用官方定义的，可以确保 BLE 的软件和硬件能相互理解。当然，你可以自定义 Characteristic，这样的话，就只有你自己的软件和外设能够相互理解

• 举个例子， Heart Rate Measurement Characteristic，这是上面提到的 Heart Rate Service 必需实现的 Characteristic，它的 UUID 是 0x2A37。它的数据结构是，开始 8 bit 定义心率数据格式（是UINT8 还是 UINT16？），接下来就是对应格式的实际心率数据。

• 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。所以你可以自己实现一个类似串口（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）。

3.4 UUID

• UUID，统一识别码，我们刚才提到的Service和Characteristic，都需要一个唯一的UUID来标识整理一下

• 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。所有的蓝牙技术联盟定义UUID共用了一个基本的UUID：

  0x0000xxxx-0000-1000-8000-00805F9B34FB
  为了进一步简化基本UUID，每一个蓝牙技术联盟定义的属性有一个唯一的16位UUID，以代替上面的基本UUID的‘x’部分。例如，心率测量特性使用0X2A37作为它的16位UUID，因此它完整的128位UUID为：
  0x00002A37-0000-1000-8000-00805F9B34FB

• 每个从机都会有一个叫做Profile的东西存在，不管是上面的自定义的SimpleProfile，还是标准的防丢器Profile，他们都是由一些列Service组成，然后每个Service又包含了多个Characteristic，主机和从机之间的通信，均是通过Characteristic来实现。

其他：

转载于...等我整理完再附上 抱歉抱歉 看了太多了