Bluetooth Low Energy——蓝牙低功耗

Android4.3（API级别18）引入内置平台支持BLE的central角色，同时提供API和app应用程序用来发现设备，查询服务，和读/写characteristics。与传统蓝牙（ClassicBluetooth）不同，蓝牙低功耗（BLE）的目的是提供更显著的低功耗。这使得Android应用程序可以和具有低功耗的要求BLE设备，如接近传感器，心脏速率监视器，健身设备等进行通信。
 关键术语和概念
下面是关键BLE术语和概念的总结：
通用属性规范（GATT）—GATTprofile是一个通用规范用于在BLE链路发送和接收被称为“属性（attributes）”的数据片。目前所有的低功耗应用 profile都是基于GATT。
蓝牙SIG定义了许多profile用于低功耗设备。Profile（配置文件）是一个规范，规范了设备如何工作在一个特定的应用场景。注意：一个设备可以实现多个profile。例如，一个设备可以包含一个心脏监测仪和电池电平检测器。
 属性协议（ ATT ）—GATT是建立在属性协议（ ATT ）的顶层，通常也被称为GATT/ ATT 。 ATT进行了优化用于在BLE设备上运行。为此，它采用尽可能少的字节越好。每个attribute属性被UUID（通用唯一标识符）唯一标识 ，UUID是标准128-bit格式的ID用来唯一标识信息。attributes 被 ATT 格式化characteristics和services形式进行传送。
特征（Characteristics）— 一个characteristics包含一个单独的value值和0 –n个用来描述characteristic 值（value）的descriptors。一个characteristics可以被认为是一种类型的，类似于一个类。
描述符(descriptor)—descriptor是被定义的attributes，用来描述一个characteristic的值。例如，一个descriptor可以指定一个人类可读的描述中，在可接受的范围里characteristic值，或者是测量单位，用来明确characteristic的值。
服务（service）—service是characteristic的集合。例如，你可以有一个所谓的“Heart RateMonitor”service，其中包括characteristic，如“heart rate measurement ”。你可以在 bluetooth.org找到关于一系列基于GATT的profile和service。
 角色和职责
以下是适用于当一个Android设备与BLE设备交互的角色和责任：
中心设备（central）与外围设备（peripheral）。这也适用于BLE连接本身。Central设备进行扫描，寻找advertisenment，peripheral设备发出advertisement。
GATT server（服务器）与GATTclient（客户端）。这决定了两个设备建立连接后如何互相交互。 
 
要了解它们的区别，假设你有一个Android手机和活动跟踪器，活动跟踪器是一个BLE装置。这款手机扮演central角色;活动跟踪器扮演peripheral角色（建立一个BLE连接，必须具备两者。如果两个设备只支持central角色或peripheral角色，不能跟对方建立一个BLE连接）。
 一旦手机与活动跟踪器已经建立连接，他们开始相互传送GATT数据。根据它们传送数据的种类，其中一个可能作为 GATT server。例如，如果该活动跟踪器将传感器数据汇报到手机上，活动跟踪器作为server。如果活动跟踪器想要从手机接收更新，那么手机作为server。
 在本文档中使用的示例中，Android应用程序（在Android设备上运行）是GATT client。该应用从GATT server 获取数据，server是一款支持 HeartRate
Profile的BLE心脏速率监测仪。但你可以设计​​你的Andr​​oid应用程序，作为GATT server角色。见BluetoothGattServer 获取更多信息。
 
BLE权限
为了使用应用程序中的蓝牙功能，你必须声明蓝牙权限BLUETOOTH。你需要这个权限执行任意蓝牙通讯，如请求连接，接受连接，传输数据。
如果你希望你的应用程序启动设备发现或操纵蓝牙设置，还必须声明BLUETOOTH_ADMIN权限。注意：如果您使用BLUETOOTH_ADMIN权限，那么你还必须有BLUETOOTH权限。
 声明蓝牙权限在你的应用程序清单（manifest）文件。例如：

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

如果你想声明，你的应用程序是只提供给BLE功能的设备，在您的应用程序的清单包括如下语句：

<uses-feature android:name="android.hardware.bluetooth_le" android:required="true"/>

不过，如果你想使你的应用程序提供给那些不支持BLE设备，你仍然应该在您的应用程序的清单包含这个上述语句，但设置required="false"。然后在运行时可以通过使用 PackageManager.hasSystemFeature()确定BLE可用性：

// 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();
}

设置BLE
在你的应用程序可以进行BLE通信之前 ，你需要验证这个设备上BLE是否被支持，如果支持，请确保它已启用。请注意，如果<uses-feature.../>设置为false，这个检查才是必需的。
如果不支持BLE ，那么你应该适当地禁用任何BLE功能。如果BLE支持，但被禁用，那么你可以要求用户启动蓝牙时不要离开应用程序。这种设置两个步骤完成，使用 BluetoothAdapter.
 
1.获取BluetoothAdapter
该BluetoothAdapter是所有的蓝牙活动所必需的。该BluetoothAdapter代表设备自身的蓝牙适配器（蓝牙无线电）。只有一个蓝牙适配器用于整个系统，并且你的应用程序可以使用该对象进行交互。下面的代码片段显示了如何获取适配器。注意，该方法使用getSystemService() 返回BluetoothManager的一个实例,
用于获取适配器。Android 4.3 （ API级别18 ）引入BluetoothManager：

// Initializes Bluetooth adapter.
final BluetoothManager bluetoothManager=
(BluetoothManager) getSystemService(Context.BLUETOOTH_SERVICE);
mBluetoothAdapter = bluetoothManager.getAdapter();

2. 启用蓝牙
接下来，你需要确保蓝牙已启用。用isEnabled() 来检查蓝牙当前是否启用。如果此方法返回false，那么蓝牙被禁用。下面的代码片段检查蓝牙是否开启。如果不是，该片段将显示错误提示用户去设置以启用蓝牙：

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);
}

查找BLE设备
为了找到BLE设备，您可以使用startLeScan() 方法。此方法需要一个BluetoothAdapter.LeScanCallback作为参数。你必须实现这个回调，因为它决定扫描结果如何返回。因为扫描耗电量大，你应当遵守以下准则：
1）只要你找到所需的设备，停止扫描。
2）不要扫描一个循环，并设置您的扫描时间限制。以前可用的设备可能已经移出范围，继续扫描消耗电池电量。
下面的代码片段显示了如何启动和停止扫描：

/**
* 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);
}
...
}
...
}

如何你想要扫描指定类型的peripheral设备，你可以用 startLeScan(UUID[],BluetoothAdapter.LeScanCa
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llback)取代,
它提供了一组UUID对象用于说明你的应用程序支持的GATT services .
下面是用于传送BLE扫描结果的接口函数BluetoothAdapter.LeScanCallback的具体实现：

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();
}
});
}
};

注意：你可以只扫描BLE设备或传统蓝牙设备，就像Bluetooth描述那样。你不可以同时扫描BLE设备和传统蓝牙设备。
 
连接到GATT server
在和一个BLE设备交互的第一步是连接到它，更具体地，连接到所述装置上的GATT server。要连接到一个BLE设备上的GATT server，您可以使用connectGatt()方法。这个方法有三个参数：一个Context 对象，一个autoConnect（布尔值，表示是否自动连接到BLE装置）和BluetoothGattCallback:
mBluetoothGatt = device.connectGatt(this,false, mGattCallback);
 
这个函数连接到由BLE设备上的GATTserver，并返回一个BluetoothGatt实例，您可以使用它来进行GATT client操作。调用者（Android应用程序）是GATT
client。该BluetoothGattCallback是用来提供结果给client，如连接状态，以及任何进一步的GATT client操作。
 
在这个例子中，BLE应用程序提供了一个活动（DeviceControlActivity）连接，显示数据，和显示该设备支持的GATTservices和characteristics。根据用户的输入，这一活动与一个叫BluetoothLeService的Service交互，BluetoothService通过Android
BLE的API与 BLE设备进行交互：

// 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);
}
}
...
};
...
}

当一个特定的回调被触发时，它会调用相应的broadcastUpdate（）辅助方法并传递给它一个动作。注意，在该部分中的数据解析参照 Bluetooth Heart Rate Measurement profilespecifications进行。

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);
}

早在DeviceControlActivity, 这些事件由一个BroadcastReceiver处理:

// 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));
}
}
};

读取BLE属性
一旦你的Android应用程序已连接到GATTserver和discoveriable service，它可以读取和写入支持的attributes。例如，通过server的service和characteristic这个片段进行迭代，在UI上显示它们：

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);
}
...
}
...
}

接收GATT通知 （Notifications）
这是常见的设备上的BLE应用程序要求被通知，当一个特定characteristic改变时。这段代码显示了如何使用 setCharacteristicNotification()方法设置一个Notifications用于characteristic：

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);

一旦启动了属性通知（ notifications for acharacteristic）,如果在远程设备上characteristic 发生改变，onCharacteristicChanged() 回调函数将被启动。

@Override
// Characteristic notification
public void onCharacteristicChanged(BluetoothGatt gatt,
BluetoothGattCharacteristic characteristic) {
broadcastUpdate(ACTION_DATA_AVAILABLE, characteristic);
}

关闭Client应用程序
一旦你的应用程序已经使用BLE装置完成后，应该调用close()，这样系统就可以适当地释放资源：

public void close() {
if (mBluetoothGatt == null) {
return;
}
mBluetoothGatt.close();
mBluetoothGatt = null;
}