Android 蓝牙开发 -- 低功耗蓝牙开发

Posted 2022-12-06 夏至的稻穗

Android 蓝牙开发(一) – 传统蓝牙聊天室
Android 蓝牙开发(三) – 低功耗蓝牙开发
项目工程BluetoothDemo

前面已经学习了经典蓝牙开发，学习了蓝牙的配对连接和通信，又通过 配置 A2DP 文件，实现手机和蓝牙音响的连接和播放语音。

这篇，我们来学习蓝牙开发的最后一章，低功耗蓝牙 BLE，也就是我们常说的蓝牙 4.0 。
今天要完成的效果如下：

中心设备	外围设备

一. 简介

与传统蓝牙不同，低功耗蓝主要为了降低设备功耗，支持更低功耗(如心率检测仪，健身设备)等设备进行通信。

android 在 4.3(API 18) 后将低功耗蓝牙内置，并提供对应的 API，以便于应用发现设备，查询服务和传输信息

1.1 相关概念

低功耗蓝牙有两个角色，分别是中心设备和外围设备

• 外围设备：指功耗更低的设备，会不断的发出广播，直到与中心设备连接
• 中心设备：可以进行扫描，寻找外设广播，并从广播中拿到数据

一般我们的手机会充当中心设备，去搜索周围外设的广播，比如健康设备等，然后健康设备就是外围设备，一直发广播，直到中心设备连接上。在Android 5.0 后，手机也可以充当外围设备。

1.2 关键术语

关于 BLE 的关键术语如下：

• 通用属性配置文件(GATT) : GATT 配置文件是一种通用规范，内容主要针对的是 BLE 通信读写时的简短的数据片段，目前 BLE 的通信均以 GATT 为基础
• 属性协议(ATT) ： ATT 是 GATT 的基础，由它来传输属性和特征服务，这些属性都有一个特定的 UUID来作为唯一标识，为通信的基础。
• GATT Service ： 通常中心设备与外围设备要进行，首先要知道服务的 UUID，并与之建立通信，然后通过特征和描述符等进行数据通信，这些等后面我们再来理解

二. 权限配置

首先，你需要使用 BLUETOOTH 的权限，考虑到 LE 信标通常与位置相关联，还须声明 ACCESS_FINE_LOCATION 权限。没有此权限，扫描将无法返回任何结果。

注意：如果您的应用适配 Android 9（API 级别 28）或更低版本，则您可以声明 ACCESS_COARSE_LOCATION 权限而非 ACCESS_FINE_LOCATION 权限。

<uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH"/>
<uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH_ADMIN"/>

<!-- If your app targets Android 9 or lower, you can declare
     ACCESS_COARSE_LOCATION instead. -->
<uses-permission android:name="android.permission.ACCESS_FINE_LOCATION" />

注意！Android 10 需要你开启gps，否则蓝牙不可用

如果你想要你的设备只支持 BLE ，还可以有以下神明：

<uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH"/>
<uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH_ADMIN"/>

<!-- If your app targets Android 9 or lower, you can declare
     ACCESS_COARSE_LOCATION instead. -->
<uses-permission android:name="android.permission.ACCESS_FINE_LOCATION" />

如果设置 required=“false”，你也可以在运行时使用 PackageManager.hasSystemFeature() 确定 BLE 的可用性：

private fun PackageManager.missingSystemFeature(name: String): Boolean = !hasSystemFeature(name)
...

packageManager.takeIf  it.missingSystemFeature(PackageManager.FEATURE_BLUETOOTH_LE) ?.also 
    Toast.makeText(this, R.string.ble_not_supported, Toast.LENGTH_SHORT).show()
    finish()

三. 查找 BLE 设备

关于蓝牙的开启，请参考 Android 蓝牙开发(一) – 传统蓝牙聊天室

要查找 BLE 设备，在 5.0 之前，使用 startLeScan() 方法，它会返回当前设备和外设的广播数据。不过在 5.0 之后，使用 startScan() 去扫描，这里为了方便手机充当外围设备，统一使用 5.0 之后的方法。

而扫描是耗时的，我们应该在扫描到想要的设备后就立即停止或者在规定时间内停止，扫描代码如下：

fun scanDev(callback: BleDevListener) 
        devCallback = callback
        if (isScanning) 
            return
        

        //扫描设置

        val builder = ScanSettings.Builder()
            /**
             * 三种模式
             * - SCAN_MODE_LOW_POWER : 低功耗模式，默认此模式，如果应用不在前台，则强制此模式
             * - SCAN_MODE_BALANCED ： 平衡模式，一定频率下返回结果
             * - SCAN_MODE_LOW_LATENCY 高功耗模式，建议应用在前台才使用此模式
             */
            .setScanMode(ScanSettings.SCAN_MODE_LOW_LATENCY)//高功耗，应用在前台

        if (Build.VERSION.SDK_INT >= Build.VERSION_CODES.M) 
            /**
             * 三种回调模式
             * - CALLBACK_TYPE_ALL_MATCHED : 寻找符合过滤条件的广播，如果没有，则返回全部广播
             * - CALLBACK_TYPE_FIRST_MATCH : 仅筛选匹配第一个广播包出发结果回调的
             * - CALLBACK_TYPE_MATCH_LOST : 这个看英文文档吧，不满足第一个条件的时候，不好解释
             */
            builder.setCallbackType(ScanSettings.CALLBACK_TYPE_ALL_MATCHES)
        

        //判断手机蓝牙芯片是否支持皮批处理扫描
        if (bluetoothAdapter.isOffloadedFilteringSupported) 
            builder.setReportDelay(0L)
        



        isScanning = true
        //扫描是很耗电的，所以，我们不能持续扫描
        handler.postDelayed(

            bluetoothAdapter.bluetoothLeScanner?.stopScan(scanListener)
            isScanning = false;
        , 3000)
        bluetoothAdapter.bluetoothLeScanner?.startScan(null, builder.build(), scanListener)
        //过滤特定的 UUID 设备
        //bluetoothAdapter?.bluetoothLeScanner?.startScan()
    

    

可以看到，在 5.0 之后可以通过 ScanSettings 进行扫描的一些设备，比如设置扫描模式 setScanMode ，在 startScan() 中，也可以过滤自己的 UUID，从而省去一些时间。接着在扫描回调中，把能获取名字的设备通过回调给 recyclerview 去回调。

 private val scanListener = object : ScanCallback() 
        override fun onScanResult(callbackType: Int, result: ScanResult?) 
            super.onScanResult(callbackType, result)
            //不断回调，所以不建议做复杂的动作
            result ?: return
            result.device.name ?: return

            val bean = BleData(result.device, result.scanRecord.toString())
            devCallback?.let 
                it(bean)
            
        

效果如下：

四. 手机充当外围设备(服务端)

上面说到，Android 5.0 之后，手机也能充当外围设备，这里我们也来实践一下；

首先，Android要完成一个外围设备，需要完成以下步骤：

1. 编写广播设置，比如发送实践，发送功率等
2. 编写广播数据，这个是需要的，需要设置 service 的uuid，或者显示名字等
3. 编写扫描广播(可选)，这个广播当中心设备扫描时，数据能被接受的广播，通常我们会在这里编写一些厂商数据
4. 添加 Gatt service ，用来跟中心设备通信

4.1 广播设置

在发送广播之前，我们可以先对广播进行一些配置：

 /**
   * GAP广播数据最长只能31个字节，包含两中： 广播数据和扫描回复
   * - 广播数据是必须的，外设需要不断发送广播，让中心设备知道
   * - 扫描回复是可选的，当中心设备扫描到才会扫描回复
   * 广播间隔越长，越省电
   */

  //广播设置
  val advSetting = AdvertiseSettings.Builder()
      //低延时，高功率，不使用后台
      .setAdvertiseMode(AdvertiseSettings.ADVERTISE_MODE_LOW_LATENCY)
      // 高的发送功率
      .setTxPowerLevel(AdvertiseSettings.ADVERTISE_TX_POWER_HIGH)
      // 可连接
      .setConnectable(true)
      //广播时限。最多180000毫秒。值为0将禁用时间限制。（不设置则为无限广播时长）
      .setTimeout(0)
      .build()

可以看到，这里设置成可连接广播，且广播模式设置为 SCAN_MODE_LOW_LATENCY 高功耗模式 ，它共有三种模式：

• SCAN_MODE_LOW_POWER : 低功耗模式，默认此模式，如果应用不在前台，则强制此模式
• SCAN_MODE_BALANCED ： 平衡模式，一定频率下返回结果
• SCAN_MODE_LOW_LATENCY 高功耗模式，建议应用在前台才使用此模式

发送功率也是可选的：

• 使用高TX功率级别进行广播：AdvertiseSettings#ADVERTISE_TX_POWER_HIGH
• 使用低TX功率级别进行广播：AdvertiseSettings#ADVERTISE_TX_POWER_LOW
• 使用中等TX功率级别进行广播：AdvertiseSettings#ADVERTISE_TX_POWER_MEDIUM
• 使用最低传输（TX）功率级别进行广播：AdvertiseSettings#ADVERTISE_TX_POWER_ULTRA_LOW

4.2 配置发送广播数据

接着，是广播数据包：

 //设置广播包，这个是必须要设置的
 val advData = AdvertiseData.Builder()
   .setIncludeDeviceName(true) //显示名字
   .setIncludeTxPowerLevel(true)//设置功率
   .addServiceUuid(ParcelUuid(BleBlueImpl.UUID_SERVICE)) //设置 UUID 服务的 uuid
   .build()

比较好理解，让广播显示手机蓝牙名字，并设置服务的 UUID

4.3 配置扫描广播(可选)

扫描广播是当中心设备在扫描时，能够显示出来的广播，它可以添加一些必要数据，如厂商数据，服务数据等，注意！与上面的广播一样，不能超过31个字节。

//测试 31bit
        val byteData = byteArrayOf(-65, 2, 3, 6, 4, 23, 23, 9, 9,
            9,1, 2, 3, 6, 4, 23, 23, 9, 9, 8,23,23,23)

        //扫描广播数据（可不写，客户端扫描才发送）
        val scanResponse = AdvertiseData.Builder()
            //设置厂商数据
            .addManufacturerData(0x19, byteData)
            .build()

最后，使用 startAdvertising() 就可以开始发送广播了：

val bluetoothLeAdvertiser = bluetoothAdapter?.bluetoothLeAdvertiser
        //开启广播,这个外设就开始发送广播了
        bluetoothLeAdvertiser?.startAdvertising(
            advSetting,
            advData,
            scanResponse,
            advertiseCallback
        )

使用 去监听广播开启成功与否：

    private val advertiseCallback = object : AdvertiseCallback() 
        override fun onStartSuccess(settingsInEffect: AdvertiseSettings?) 
            super.onStartSuccess(settingsInEffect)
            logInfo("服务准备就绪，请搜索广播")
        

        override fun onStartFailure(errorCode: Int) 
            super.onStartFailure(errorCode)
            if (errorCode == ADVERTISE_FAILED_DATA_TOO_LARGE) 
                logInfo("广播数据超过31个字节了 !")
             else 
                logInfo("服务启动失败: $errorCode")
            
        
    

此时，你去搜索，就能搜到你手机的蓝牙名称和对应的广播数据了。

4.4 Gatt Service

但如果外围设备想要与中心设备通信，还需要启动 Gatt service 才行，上面说到，启动Service 时，我们需要配置特征 Characteristic 和 描述符 Descriptor，这里我们来解释以下。

4.3 特征 Characteristic

Characteristic 是Gatt通信最小的逻辑单元，一个 characteristic 包含一个单一 value 变量 和 0-n个用来描述 characteristic 变量的 描述符 Descriptor。与 service 相似，每个 characteristic 用 16bit或者32bit的uuid作为标识，实际的通信中，也是通过 Characteristic 进行读写通信的。

所以为了方便通信，这里我们要添加读写的 Characteristic。

//添加读+通知的 GattCharacteristic
  val readCharacteristic = BluetoothGattCharacteristic(
      BleBlueImpl.UUID_READ_NOTIFY,
      BluetoothGattCharacteristic.PROPERTY_READ or BluetoothGattCharacteristic.PROPERTY_NOTIFY,
      BluetoothGattCharacteristic.PERMISSION_READ
  )
  //添加写的 GattCharacteristic
  val writeCharacteristic = BluetoothGattCharacteristic(
      BleBlueImpl.UUID_WRITE,
      BluetoothGattCharacteristic.PROPERTY_WRITE,
      BluetoothGattCharacteristic.PERMISSION_WRITE
  )

描述符 Descriptor

它的定义就是描述 GattCharacteristic 值已定义的属性，比如指定可读的属性，可接受范围等，比如为写的 特征添加描述符：

 //添加 Descriptor 描述符
        val descriptor =
            BluetoothGattDescriptor(
                BleBlueImpl.UUID_DESCRIBE,
                BluetoothGattDescriptor.PERMISSION_WRITE
            )

        //为特征值添加描述
        writeCharacteristic.addDescriptor(descriptor)

接着，把特征添加到服务中，并使用openGattServer() 去打开 Gatt 服务：

/**
 * 添加 Gatt service 用来通信
 */

//开启广播service，这样才能通信，包含一个或多个 characteristic ，每个service 都有一个 uuid
val gattService =
    BluetoothGattService(
        BleBlueImpl.UUID_SERVICE,
        BluetoothGattService.SERVICE_TYPE_PRIMARY
    )
gattService.addCharacteristic(readCharacteristic)
gattService.addCharacteristic(writeCharacteristic)


val bluetoothManager = getSystemService(Context.BLUETOOTH_SERVICE) as BluetoothManager
//打开 GATT 服务，方便客户端连接
mBluetoothGattServer = bluetoothManager.openGattServer(this, gattServiceCallbak)
mBluetoothGattServer?.addService(gattService)

代码比较简单，接着就可以使用 gattServiceCallbak 去监听数据成功与读写的数据了：

    private val gattServiceCallbak = object : BluetoothGattServerCallback() 
        override fun onConnectionStateChange(device: BluetoothDevice?, status: Int, newState: Int) 
            super.onConnectionStateChange(device, status, newState)
            device ?: return
            Log.d(TAG, "zsr onConnectionStateChange: ")
            if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS && newState == 2) 
                logInfo("连接到中心设备: $device?.name")
             else 
                logInfo("与: $device?.name 断开连接失败！")
            
        
        ...

五. 中心设备连接外设(客户端)

上面已经配置了服务端的代码，接着，通过扫描到的广播，使用 BluetoothDevice 的 connectGatt() 方法，来连接 GATT 服务：

 override fun onItemClick(adapter: BaseQuickAdapter<*, *>, view: View, position: Int) 
      //连接之前先关闭连接
      closeConnect()
      val bleData = mData[position]
      blueGatt = bleData.dev.connectGatt(this, false, blueGattListener)
      logInfo("开始与 $bleData.dev.name 连接.... $blueGatt")
  

此时，如果你的配置没有出错的话，就可以通过 BluetoothGattCallback 回调连接到设备了：

private val blueGattListener = object : BluetoothGattCallback() 
        override fun onConnectionStateChange(gatt: BluetoothGatt?, status: Int, newState: Int) 
            super.onConnectionStateChange(gatt, status, newState)
            val device = gatt?.device
            if (newState == BluetoothProfile.STATE_CONNECTED)
                isConnected = true
                //开始发现服务，有个小延时，最后200ms后尝试发现服务
                handler.postDelayed(
                    gatt?.discoverServices()
                ,300)

                device?.letlogInfo("与 $it.name 连接成功!!!")
            else if (newState == BluetoothProfile.STATE_DISCONNECTED)
                isConnected = false
                logInfo("无法与 $device?.name 连接: $status")
                closeConnect()
            
        

        override fun onServicesDiscovered(gatt: BluetoothGatt?, status: Int) 
            super.onServicesDiscovered(gatt, status)
           // Log.d(TAG, "zsr onServicesDiscovered: $gatt?.device?.name")
            val service = gatt?.getService(BleBlueImpl.UUID_SERVICE)
            mBluetoothGatt = gatt
            logInfo("已连接上 GATT 服务，可以通信! ")
        

代码应该好看懂，就是 onConnectionStateChange() 中的 newState 为 BluetoothProfile.STATE_CONNECTED 时，表示已经连接上了，这个时候，尝试去发现这个服务，如果也能回调 onServicesDiscovered() 方法，则证明此时 GATT 服务已经成功建立，可以进行通信了。

5.1 读数据

此时就可以来读取外围设备的数据，这个数据是外围设备给中心设备去读的，所以，外围设备的读回调是这样的：

外围设备的BluetoothGattServerCallback

        override fun onDescriptorReadRequest(
            device: BluetoothDevice?,
            requestId: Int,
            offset: Int,
            descriptor: BluetoothGattDescriptor?
        ) 
            super.onDescriptorReadRequest(device, requestId, offset, descriptor)
            val data = "this is a test"
            mBluetoothGattServer?.sendResponse(
                device, requestId, BluetoothGatt.GATT_SUCCESS,
                offset, data.toByteArray()
            )
            logInfo("客户端读取 [descriptor $descriptor?.uuid] $data")
        

很简单，就是发送一个 "this is a test " 的字符传

中心设备读

 /**
     * 读数据
     */
    fun readData(view: View) 
        //找到 gatt 服务
        val service = getGattService(BleBlueImpl.UUID_SERVICE)
        if (service != null) 
            val characteristic =
                service.getCharacteristic(BleBlueImpl.UUID_READ_NOTIFY) //通过UUID获取可读的Characteristic
            mBluetoothGatt?.readCharacteristic(characteristic)
        
    


    // 获取Gatt服务
    private fun getGattService(uuid: UUID): BluetoothGattService? 
        if (!isConnected) 
            Toast.makeText(this, "没有连接", Toast.LENGTH_SHORT).show()
            return null
        
        val service = mBluetoothGatt?.getService(uuid)
        if (service == null) 
            Toast.makeText(this, "没有找到服务", Toast.LENGTH_SHORT).show()
        
        return service
    

如果找得到 GATT 服务，则通过 getCharacteristic() 拿到 GATT 通信的最小单元 Characteristic，通过 mBluetoothGatt?.readCharacteristic(characteristic) 读取数据，这样就会在 BluetoothGattCallback回调的 onCharacteristicRead 拿到数据：

override fun onCharacteristicRead(
      gatt: BluetoothGatt?,
      characteristic: BluetoothGattCharacteristic?,
      status: Int
  ) 
      super.onCharacteristicRead(gatt, characteristic, status)
      characteristic?.let 
          val data = String(it.value)
          logInfo("CharacteristicRead 数据: $data")
      
  

同理写也一样，这样我们的 BLE 低功耗蓝牙就学习结束了

参考：
https://www.jianshu.com/p/d273e46f47b1
https://developer.android.google.cn/guide/topics/connectivity/bluetooth-le