Android 蓝牙通信方式总结

Posted 2021-05-19 zolty

1.摘要

android手机间通过蓝牙方式进行通信，有两种常见的方式，一种是socket方式，另一种是通过GATT Server（Android 5.0以后）通信。
（1）socket方式最为简单，但是很多低功耗的蓝牙设备，如单片机上的蓝牙模块可能不支持
（2）GATT方式相对比较复杂
（3）socket、GATT均为C/S（client-server)模式
本文基于两种通信方式，进行详细展开，并推荐了开源项目，建议配合学习。

关键词

（1）Bluetooth

蓝牙（Bluetooth）：蓝牙，是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术，能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而使数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。

（2） UUID

UUID（Universally Unique Identifier）：用于标识蓝牙服务以及通讯特征访问属性，不同的蓝牙服务和属性使用不同的访问方法。

（3）服务UUID

服务UUID（Service UUID）：不同的服务（Service）应该有不同的编号(UUID)，用以区分不同的服务(Service)。

（4）特征值UUID

特征值UUID（Characteristic　UUID）：特性（Characteristic） 是依附于某个服务（Service）的

（5）属性（Property）

（5.1）Read： 读属性

Read： 读属性，具有这个属性的特性是可读的，也就是说这个属性允许手机来读取一些信息。手机可以发送指令来读取某个具有读属性UUID的信息。

（5.2）Notify： 通知属性

Notify： 通知属性， 具有这个属性的特性是可以发送通知的，也就是说具有这个属性的特性（Characteristic）可以主动发送信息给手机。

（5.3）Write： 写属性

Write： 写属性， 具有这个属性的特性是可以接收写入数据的。通常手机发送数据给蓝模块就是通过这个属性完成的。这个属性在Write 完成后，会发送写入完成结果的反馈给手机，然后手机再可以写入下一包或处理后续业务，这个属性在写入一包数据后，需要等待应用层返回写入结果，速度比较慢。

（5.4）WriteWithout Response：写属性

WriteWithout Response：写属性，从字面意思上看，只是写，不需要返回写的结果，这个属性的特点是不需要应用层返回，完全依靠协议层完成，速度快，但是写入速度超过协议处理速度的时候，会丢包。

（6） GATT

GATT（Generic Attribute Profile）：中文名叫通用属性协议，它定义了services和characteristic两种东西来完成低功耗蓝牙设备之间的数据传输。它是建立在通用数据协议Attribute Protocol (ATT),之上的，ATT把services和characteristic以及相关的数据保存在一张简单的查找表中，该表使用16-bit的id作为索引。

（7）profile

profile可以理解为一种规范，一个标准的通信协议，它存在于从机中。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。每个profile中会包含多个service，每个service代表从机的一种能力。

2. Bluetooth Socket

推荐开源项目：https://github.com/Zweo/Bluetooth （https://github.com/zolty-lionheart/Bluetooth）
以该项目demo为例介绍
蓝牙端口监听接口和TCP端口类似：Socket和ServerSocket类。在服务器端，使用BluetoothServerSocket类来创建一个 监听服务端口。当一个连接被BluetoothServerSocket所接受，它会返回一个新的BluetoothSocket来管理该连接。在客户 端，使用一个单独的BluetoothSocket类去初始化一个外接连接和管理该连接。

最通常使用的蓝牙端口是RFCOMM，它是被Android API支持的类型。RFCOMM是一个面向连接，通过蓝牙模块进行的数据流传输方式，它也被称为串行端口规范（Serial Port Profile，SPP）。

为了创建一个BluetoothSocket去连接到一个已知设备，使用方法 BluetoothDevice.createRfcommSocketToServiceRecord()。然后调用connect()方法去尝试一个 面向远程设备的连接。这个调用将被阻塞指导一个连接已经建立或者该链接失效。

为了创建一个BluetoothSocket作为服务端（或者“主机”），查看BluetoothServerSocket文档。

每当该端口连接成功，无论它初始化为客户端，或者被接受作为服务器端，通过getInputStream()和getOutputStream()来打开IO流，从而获得各自的InputStream和OutputStream对象

BluetoothSocket类线程安全。特别的，close()方法总会马上放弃外界操作并关闭服务器端口。

注意：需要BLUETOOTH权限。

2.1 Server端

private static final String UUIDString = "00001101-0000-1000-8000-00805F9B34FB";
//开启服务器
private class ServerThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        try {
                /* 创建一个蓝牙服务器
                 * 参数分别：服务器名称、UUID   */
            mServerSocket = bluetoothAdapter.listenUsingRfcommWithServiceRecord(PROTOCOL_SCHEME_RFCOMM, UUID.fromString(UUIDString));
            while (true){
                Log.d("server", "wait cilent connect...");
                Message msg = new Message();
                msg.obj = "请稍候，正在等待客户端的连接...";
                msg.what = WAITING_FOR_CLIENT;
                linkDetectedHandler.sendMessage(msg);
                /* 接受客户端的连接请求 */
                BluetoothSocket socket = mServerSocket.accept();
                socketMap.put(socket.getRemoteDevice().getAddress(), socket);
//                  remoteDeviceMap.put(socket.getRemoteDevice().getAddress(),socket.getRemoteDevice());
                Log.d("server", "accept success !");
                Message msg2 = new Message();
                String info = "客户端已经连接上！可以发送信息。";
                msg2.obj = info;
                msg.what = CONNECTED_CLIENT;
                linkDetectedHandler.sendMessage(msg2);
                //启动接受数据
                ReadThread mreadThread = new ReadThread(socket.getRemoteDevice().getAddress());
                readThreadMap.put(socket.getRemoteDevice().getAddress(),mreadThread);
                mreadThread.start();
            }

        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

2.2 Server

//开启客户端
private class ClientThread extends Thread {
    private String remoteAddress;
    public ClientThread(String remoteAddress) {
        this.remoteAddress = remoteAddress;
    }
    @Override
    public void run() {
        try {
            //创建一个Socket连接：只需要服务器在注册时的UUID号
            BluetoothDevice device = bluetoothAdapter.getRemoteDevice(remoteAddress);
            BluetoothSocket socket = device.createRfcommSocketToServiceRecord(UUID.fromString(UUIDString));
            //连接
            Message msg2 = new Message();
            msg2.obj = "请稍候，正在连接服务器:" + remoteAddress;
            msg2.what = IS_CONNECTING_SERVER;
            linkDetectedHandler.sendMessage(msg2);
            socket.connect();
            socketMap.put(remoteAddress, socket);
            Message msg = new Message();
            msg.obj = remoteAddress;
            msg.what = CONNECTED_SERVER;
            linkDetectedHandler.sendMessage(msg);
            //启动接受数据
            ReadThread mreadThread = new ReadThread(remoteAddress);
            readThreadMap.put(remoteAddress,mreadThread);
            mreadThread.start();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            socketMap.remove(remoteAddress);
            Log.e("connect", e.getMessage(), e);
            Message msg = new Message();
            msg.obj = "连接服务端异常！断开连接重新试一试。"+e.getMessage();
            msg.what = CONNECT_SERVER_ERROR;
            linkDetectedHandler.sendMessage(msg);
        }
    }
}

3. Bluetooth GATT

推荐开源项目：https://github.com/dingpwen/bl_communication （https://github.com/zolty-lionheart/bl_communication）
以该项目demo为例介绍

3.1 Server

private fun setupServer() {
    val gattService = BluetoothGattService(Constants.BLE_SERVICE_UUID, BluetoothGattService.SERVICE_TYPE_PRIMARY)
    val characteristicRead = BluetoothGattCharacteristic(Constants.BLE_READ_UUID, BluetoothGattCharacteristic.PROPERTY_READ, BluetoothGattCharacteristic.PERMISSION_READ)
    val descriptor = BluetoothGattDescriptor(Constants.BLE_DESC_UUID, BluetoothGattCharacteristic.PERMISSION_WRITE)
    characteristicRead.addDescriptor(descriptor)
    gattService.addCharacteristic(characteristicRead)
    val characteristicWrite = BluetoothGattCharacteristic(Constants.BLE_WRITE_UUID, BluetoothGattCharacteristic.PROPERTY_WRITE or
            BluetoothGattCharacteristic.PROPERTY_READ or BluetoothGattCharacteristic.PROPERTY_NOTIFY,
            BluetoothGattCharacteristic.PERMISSION_WRITE)
    gattService.addCharacteristic(characteristicWrite)
    Log.d("wenpd", "startGattServer:stagattServicetus=$gattService")
    mGattServer.addService(gattService)
}

3.2 Client

private class GattClientCallback extends BluetoothGattCallback {
    @Override
    public void onConnectionStateChange(BluetoothGatt gatt, int status, int newState) {
        super.onConnectionStateChange(gatt, status, newState);
        if (status == BluetoothGatt.GATT_FAILURE) {
            disconnectGattServer();
            return;
        } else if (status != BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
            disconnectGattServer();
            return;
        }
        if (newState == BluetoothProfile.STATE_CONNECTED) {
            mConnected = true;
            gatt.discoverServices();
        } else if (newState == BluetoothProfile.STATE_DISCONNECTED) {
            disconnectGattServer();
        }
    }

    @Override
    public void onServicesDiscovered(BluetoothGatt gatt, int status) {
        super.onServicesDiscovered(gatt, status);
        Log.d(TAG, "onServicesDiscovered status:" + status);
        if (status != BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
            return;
        }
        BluetoothGattService service = gatt.getService(Constants.SERVICE_UUID);
        BluetoothGattCharacteristic characteristic = service.getCharacteristic(Constants.CHARACTERISTIC_UUID);
        characteristic.setWriteType(BluetoothGattCharacteristic.WRITE_TYPE_DEFAULT);
        mInitialized = gatt.setCharacteristicNotification(characteristic, true);
    }

    @Override
    public void onCharacteristicChanged(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattCharacteristic characteristic) {
        super.onCharacteristicChanged(gatt, characteristic);
        byte[] messageBytes = characteristic.getValue();
        /*for(int i = 0, j = messageBytes.length -1; i < j; ++i, --j) {
            byte temp = messageBytes[i];
            messageBytes[i] = messageBytes[j];
            messageBytes[j] = temp;
        }*/
        String messageString = new String(messageBytes, StandardCharsets.UTF_8);
        Log.d(TAG,"Received message: " + messageString);
        setReceivedData(messageString);
    }
}

参考文献

1.Android Phone蓝牙通信方式总结（Socket与Gatt）
2.Bluetooth之BluetoothSocket
3.全面且简单明了的蓝牙服务及UUID介绍
4.Android BLE蓝牙开发-读写数据 获取UUID