蓝牙低功耗（Bluetooth Low Energy）
在 Android 4.3 (API Level 18) 中，引入了以支持蓝牙低功耗为核心的内置平台，并且提供了一些 API，用来搜索设备、查询服务器和读/写属性。和经典蓝牙（ Classic Bluetooth）相比，蓝牙低功耗（Bluetooth Low Energy）显著地降低了能源消耗。它允许 Android 应用程序与具有低功耗要求的 BLE 设备进行连接，如接近传感器、心率监视器、健身设备等等。
关键术语和概念
以下是 BLE 关键术语和概念的一个总结：
- 通用属性描述（Generic Attribute Profile (GATT)）— GATT是一个通用规范，用于在 BLE 链接上发送和接收被称为“属性”的短数据块。目前所有的低功耗应用程序规范都是基于GATT。蓝牙技术联盟（Bluetooth SIG）为低功耗设备定义了很多规范。一个规范就是对一个设备在特定应用程序上如何运行的具体说明。注意，一个设备可以支持多种规范。例如，一个设备可以包含一个心率检测器和一个电池电压检测器。
- 属性协议（Attribute Protocol (ATT)）—GATT 是建立在 ATT 之上的。它也被称为 GATT/ATT 。ATT在BLE设备上运行表现优异。为此，它尽可能使用少的字节。每个属性（Attribute）都用一个UUID（Universally Unique Idetifier）进行唯一标识。这是一个标准的128位格式字符串ID，用于唯一标识信息。通过 ATT 传送的这些属性（Attribute）被格式化为特性（Characteristics）和服务（Services）。
- 特性（Characteristic） — 一个特性包含一个单独的值和 0-n 个描述符，这些描述符描述了特性的值。一个特性可以被认为是一个类型，类似于一个类。
- 描述符（Descriptor）— 描述符被定义为描述一个特性值的属性。例如，一个描述符可能是指定一个人类可读的描述、一个特性值所能接受的范围或一个专门用于特性值的测量单位。
- 服务（Service）— 一个服务是一些特性的一个集合。例如，你可能会有一个被称为“心率检测器”的服务，它包含如“心率测量”这个特性。
角色和职责
以下是当一个 Android 设备与一个 BLE 设备进行交互时，所应用的角色和职责：
- 中央（Central）与外围设备（Peripheral）。这适用于 BLE 连接本身。中央设备用来浏览、寻找通知（Advertisement），外围设备用来制造通知。
- GATT 服务器与 GATT 客户端。这将决定，一旦这两个设备建立链接，他们将之间如何相互沟通。
为了理解这种区别，假设你有一个 Android 手机和一个 BLE 设备的活动跟踪器。手机支持中央角色，活动跟踪器支持外围角色。
一旦手机和活动跟踪器建立连接，他们就可以将 GATT 元数据传递给另一个。根据他们所传数据类型的不同，一个或另外一个可能充当服务器。例如，如果活动跟踪器想将传感器的数据报告给手机，那么将活动跟踪器当作服务器才可能有意义的；而如果活动跟踪器想要从手机获取更新数据，那么将手机当作服务器才可能有意义。
在本文档的例子中，Android 应用程序（运行在一个 Android 设备上）是 GATT 客户端。应用程序从 GATT 服务器获取数据，该服务器是一个 BLE 心率检测器，它支持心率规范（Heart Rate Profile）。当然，你也可以选择性地设计你的Android 应用程序来充当 GATT 服务器的角色。更多信息可以查看 BluetoothGattServer。
BLE权限
为了在你的应用程序中使用蓝牙功能，你必须声明蓝牙权限。执行任何蓝牙通信都需要事先取得蓝牙权限，如请求连接、接收连接和传输数据。
如果你希望通过应用程序来启动搜索设备功能或操纵蓝牙设置，你也必须先声明 BLUETOOTH_ADMIN 权限。注意：如果你想取得 BULETOOTH_ADMIN 权限，你也必须先取得 BLUETOOTH 权限。
在你的应用程序manifest 文件中声明蓝牙权限，如下：
<span style="font-size:18px;"><span style="font-family:SimSun;font-size:18px;"><uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH"/> <uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH_ADMIN"/></span></span>如果你想让你的 APP 只对支持 BLE 的设备可用，那么你需要将以下语句添加到你的应用程序manifest文件中：
<span style="font-size:18px;"><span style="font-family:SimSun;font-size:18px;"><uses-feature android:name="android.hardware.bluetooth_le" android:required="true"/></span></span>可是，如果你想让你的 APP 对那些不支持 BLE 的设备可用，你仍然需要将该语句包含在你的应用程序manifest文件中，只不过需要设置required = "false"。然后在运行的时候，你需要通过 PackageManager.hasSystemFeature() 来确认 BLE 的可用性。
<span style="font-size:18px;"><span style="font-family:SimSun;font-size:18px;">// 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();
}</span></span>
BLE设置
在你的应用程序与 BLE 通信前，你需要确认在你的设备上支持 BLE。如果是这样，确认它被启用了。注意：这种检查只在
<uses-feature.../>
被设置为 false 下是必须的。
如果不支持 BLE，那么你应该优雅地禁用任何 BLE 功能。如果支持 BLE，但是不可用，那么你应该要求用户启用蓝牙。这个设置通过以下两步来完成：
1.取得BluetoothAdapter
BluetoothAdapter 是任何和所有蓝牙活动所必需的。BluetoothAdapter代表着该设备自身的蓝牙适配器（蓝牙无线电）。在整个系统中，只有一个蓝牙适配器，并且你的应用程序可以通过这个对象进行交互。下面的片段展示了如何取得适配器。注意：这种方式是通过getSystemService()来返回一个BluetoothManager实例，这个将用来取得适配器。在Android 4.3(API Level 18)中引进了BluetoothManager：
<span style="font-size:18px;">// Initializes Bluetooth adapter.
final BluetoothManager bluetoothManager =
(BluetoothManager) getSystemService(Context.BLUETOOTH_SERVICE);
mBluetoothAdapter = bluetoothManager.getAdapter();</span>
2.启用蓝牙
下一步，你需要确认蓝牙是否启用。调用isEnabled()来检查当前蓝牙是否启用。如果这个方法返回false，则蓝牙未启用。下面的片段用来检查蓝牙是否启用。如果没有，该片段会显示一个错误提示用户去设置启用蓝牙：
<span style="font-size:18px;">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);
}</span>
扫描BLE设备
可以通过startLeScan()方法来扫描BLE设备。这个方法采用BluetoothAdapter.LeScanCallback作为参数。你必须执行这个回调函数才能知道返回的扫描结果。由于扫描是一个非常耗电的操作，你应该遵循以下规则：
- 一旦找到所需的设备，停止扫描。
- 不要一直循环扫描，应该设置一个扫描时间限制。之前可用的设备可能已经移出范围，继续扫描将会消耗电池电量。
以下片段展示了如何开始和关闭扫描：
<span style="font-size:18px;">/**
* 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);
}
...
}
...
}</span>
如果你只想扫描特定类型的外围设备，可以改为调用startLeScan(UUID[],BluetoothAdapter.LeScanCallback)，提供一个UUID对象的数组，应用程序必须支持其指定的GATT服务。
下面是一个BluetoothAdapter.LeScanCallback的实现，它是传递BLE扫描结果的接口。
<span style="font-size:18px;">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();
}
});
}
};</span>
注意：你只能扫描BLE设备或经典蓝牙设备，但不能同时扫描。
连接GATT服务器
与BLE设备进行交互的第一步就是连接它，进一步的说，就是在设备上连接GATT服务器。为了在BLE设备上连接GATT服务器，需要使用connectGatt()方法。这个方法有三个参数：一个 context对象，autoConnect（布尔值，用来指示一旦设备可用，是否自动连接到BLE装置），一个引用BluetoothGattCallback：
<span style="font-size:18px;">mBluetoothGatt = device.connectGatt(this, false, mGattCallback);</span>这个连接GATT服务器是由BLE设备控制的，它返回一个BluetoothGatt实例，这个后面可以用来进行 GATT客户端操作。呼叫方（Android应用程序）是GATT客户端。 BluetoothGattCallback用来将返回结果发送给客户端，如连接状态以及任何进一步的GATT客户端操作。
在这个例子中，BLE应用程序提供了一个活动（DeviceControlActivity）来进行连接，显示数据和显示设备所支持的GATT服务和特性。基于用户的输入，这个活动与一个被称为BluetoothLeService的服务进行通信，其通过Android BLE API与BLE设备进行交互。
<span style="font-size:18px;">// 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 =
"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);
}
}
...
};
...
}</span>
当一个特定的回调被触发，它将调用broadcastUpdate()方法。注意：这部分的数据解析与蓝牙心率测量器规范相一致：
<span style="font-size:18px;">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 = 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);
}</span>
返回到DeviceContorl,这些事件都将被BroadcastReceiver所解决：
<span style="font-size:18px;">// 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));
}
}
};</span>
读BLE属性(Attributes)
一旦你的Android应用程序连接上了一个GATT服务器并发现服务，它就可以读和写属性。例如，下面片段通过服务器的服务和特性进行迭代，并将它们显示在UI上。
<span style="font-size:18px;">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 =
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 =
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 =
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 =
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);
}
...
}
...
}</span>
接受GATT通知
对于BLE应用程序来讲，当设备上的一个特定的特性发生了改变，要求被通知是一件很常见的事情。这个片段展示了如何为一个特性设置通知，用setCharacteristicNotification()方法：
<span style="font-size:18px;">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);</span>
一旦一个特性的通知可用，如果远程设备上的特性发生改变，回调函数onCharacteristicChanged()将被触发：
<span style="font-size:18px;">@Override
// Characteristic notification
public void onCharacteristicChanged(BluetoothGatt gatt,
BluetoothGattCharacteristic characteristic) {
broadcastUpdate(ACTION_DATA_AVAILABLE, characteristic);
}</span>
关闭客户端App
一旦你的app使用完一个BLE设备，应该调用close()将其关闭，以便系统适当的释放资源：
<span style="font-size:18px;">public void close() {
if (mBluetoothGatt == null) {
return;
}
mBluetoothGatt.close();
mBluetoothGatt = null;
}</span>