[yueqian_scut]蓝牙防丢器原理实现与Android BLE接口编程

Posted 2020-07-20 brave-sailor

本文是对已实现的蓝牙防丢器项目的总结，阐述蓝牙防丢器的原理、实现与Android客户端的蓝牙BLE接口编程。在这里重点关注如何利用BLE接口来进行工程实现，对于BLE的协议、涉及到JNI的BLE接口内部源码实现，笔者以后再详细剖析。但要求读者对BLE协议有一定的认识，如GAP、GATTprofile在BLE中的角色和作用，如何使用Service、Characteristic等。

一、蓝牙防丢器原理和产品需求

蓝牙防丢器的核心原理是根据接收到的蓝牙设备端的无线信号强度（RSSI）来估算距离。其计算公式是：

d是计算距离，RSSI是信号强度，A为发射端和接收端相隔1米时的信号强度，n是环境衰减因子。对于不同的蓝牙设备该值是不一样的，同样的设备在不同的发射功率的情况下其信号强度也是不一样的，而且对于同是1米的情况下，环境对于信号强度也是有影响的。n是环境衰减因子，自然跟环境有关。所以在确切发射功率的情况下，A和n对于同一款设备来说，也是一个经验值。

在实际的防丢器产品中，一般有以下功能：

1. 当手机（接收端）检测到发射端设备的距离超过一定距离时，发出告警提示，设备根据告警级别进行相应的指示，如发出不同频率的音频或者闪灯。

2. 当发射设备端发现和手机端建立的链路断开（意味着距离已经超过连接范围）时，其会自动发出某种形式的警告。

 

二、蓝牙防丢profile

      笔者以业界目前功耗最低的蓝牙单芯片（Dialog公司的DA14580）来说明。针对DA14580，Dialog公司有提供开发SDK（以后会对该SDK框架进行分析，以指导开发），其中就有实现防丢profile，命名是Proximity。     该profile针对以上防丢的功能提供的Characteristic如下：

1．TXP(txpower) Characteristic, 设备端需要通过主机控制接口HCI来获得发射功率参数，并以read属性提供给master。

2．IAS(immediate alter service), write属性，供master写告警级别。当master写入新的值时，设备端会收到write的回调，其根据告警级别进行相应告警。

3. LLS(link loss service),write/read属性，供master设置链路断开情况下默认的告警级别。

RSSI通过接收端的接口来获得，并不需要设备端提供service。

以上Characteristic都通过GATT profile提供服务，在蓝牙通信协议上，每个Characteristic都会对应一个UUID。

 

三、android蓝牙BLE接口编程

androidBLE接口在android4.3版本以上提供。

1.   判断当前系统是否支持BLE

getPackageManager().hasSystemFeature(PackageManager.FEATURE_BLUETOOTH_LE)

返回真表示支持。

2.   获得蓝牙适配器类

用户通过统一的蓝牙适配器类BluetoothAdapter来使用BLE API。

先获得蓝牙管理器：

BluetoothManagerbluetoothManager = getSystemService(Context.BLUETOOTH_SERVICE);

再获得蓝牙适配器实例（单体对象）：

BluetoothAdaptermBluetoothAdapter = bluetoothManager.getAdapter();

3.   启动手机蓝牙硬件功能（相当于在设置界面开启蓝牙功能）

mBluetoothAdapter.enable();

4.   开始扫描

BluetoothAdapter.startLeScan(android.bluetooth.BluetoothAdapter.LeScanCallbackcallback)

callback是当扫描到蓝牙设备时的回调接口。实现callback中的onLeScan接口：

@Override

      public void onLeScan(finalBluetoothDevice device, int rssi, byte[] scanRecord)

      其中，device代表扫描到的设备，可以获得其MAC地址、设备名等等；rssi即信号强度，这是未连接时获取RSSI的方法；scanRecord代表扫描设备得到的响应参数，ibeacon即通过该参数来获得广播内容。

      假设String bluetoothAddress = device.getAddress()，获取蓝牙48位MAC地址

5.   连接GATT，获取设备端的UUID服务，并进行数据通信交互

通过MAC地址获得代表设备端的蓝牙设备类

BluetoothDevicedevice = mBluetoothAdapter.getRemoteDevice(bluetoothAddress);

连接GATT

BluetoothGatt mBluetoothGatt = device.connectGatt(android.content.Context context, booleanautoConnect, android.bluetooth.BluetoothGattCallback callback);

Callback是连接GATT之后，所有数据交互的回调入口。分别包括：

1)设备服务发现

@Override

          publicvoid onServicesDiscovered(BluetoothGatt gatt, int status)

mBluetoothGatt.getServices()代表设备服务集合，

for (BluetoothGattService gattService : mBluetoothGatt.getServices())

对于每个服务service，用getUuid()可以获得服务的UUID，getCharacteristics()代表该服务的Characteristic集合。

for(BluetoothGattCharacteristic gattCharacteristic : gattCharacteristics)

对于每个Characteristic，getUuid()获得UUID，getPermissions()获得属性权限，getValue()获得属性值。

在该回调中我们只提取感兴趣的三个Characteristic的UUID，对于其他的如电池、设备服务等UUID可以不管。

gattCharacteristic_char5_TXP=gattCharacteristic；

      2)连接状态改变

@Override

           public voidonConnectionStateChange(BluetoothGatt gatt, int status,intnewState)

      有两种状态，BluetoothProfile.STATE_CONNECTED代表连接，BluetoothProfile.STATE_DISCONNECTED代表断开连接。

      3)读回调

      @Override

           public voidonCharacteristicRead(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattCharacteristiccharacteristic, int status)

      其对应手机端发出读请求后，当收到设备端的数据时的回调。如

      mBluetoothGatt.readCharacteristic(gattCharacteristic_char5_TXP)

      4)设备端数据变化回调

      这里对应设备的characteristic的属性是notify或者indication，即相当手机端订阅这个characteristic的值变更服务，当设备端的characteristic发生变化时，设备端会主动发出通知给手机端。

@Override

           public voidonCharacteristicChanged(BluetoothGatt gatt,

                      BluetoothGattCharacteristiccharacteristic)

           在回调中获得新的值characteristic.getValue()。

      5)获取到RSSI值的回调

      RSSI在扫描时可以通过扫描回调接口获得，但是在连接之后要不断地使用

      mBluetoothGatt.readRemoteRssi()向底层驱动发出读取RSSI请求，当底层获取到新的RSSI后会进行以下回调：

      @Override

      public voidonReadRemoteRssi(BluetoothGatt gatt, int rssi, int status)

      rssi即是新的信号强度值。

      连接后，由于手机和设备端的距离在发生变化，因此要不断地读取RSSI，实时计算两者之间的距离才能保证防丢功能的实现。