Android BLE学习笔记

前言：

本文主要描述Android BLE的一些基础知识及相关操作流程，不牵扯具体的业务实现，其中提供了针对广播包及响应包的解析思路，希望对正在或即将面临Android BLE开发的伙伴们有所引导。
注：其中的单模、双模、BR、BT、BLE、蓝牙3.0、蓝牙4.0等概念混在一起可能比较难理解，不知下文描述是否清晰，如果有不理解的地方，欢迎留言交流！

一、相关介绍

1、概述

蓝牙无线技术是一种全球通用的短距离无线技术，通过蓝牙技术能够实现多种电子设备间的相互连接，特别是在小型无线电、耗电量低、成本低、安全性、稳定性、易用性以及特别的联网能力等固有的优势上，蓝牙无线技术发展迅速。

2、分类

蓝牙分为三种：Bluetooth Smart Ready、Bluetooth Smart（Smart是低功耗蓝牙的标识）、以及标准 Bluetooth。根据 Bluetooth SIG的说法，这样是为了要分辨装置间的相容性以及标识各版本的传输频率。基本上来说，Bluetooth Smart Ready适用于任何双模蓝牙4.0的电子产品,而Bluetooth Smart是应用在心率监视器或计步器等使用扭扣式电池并传输单一的装置。Bluetooth Smart Ready的相容性最高，可与Bluetooth Smart及标准蓝牙相通。标准蓝牙则无法与Bluetooth Smart相通。


3、BLE介绍

BLE是Bluetooth Low Energy的缩写，又叫蓝牙4.0，区别于蓝牙3.0和之前的技术。BLE前身是NOKIA开发的Wibree技术，主要用于实现移动智能终端与周边配件之间的持续连接，是功耗极低的短距离无线通信技术，并且有效传输距离被提升到了100米以上，同时只需要一颗纽扣电池就可以工作数年之久。BLE是在蓝牙技术的基础上发展起来的，既同于蓝牙，又区别于传统蓝牙。BLE设备分单模和双模两种，双模简称BR，商标为Bluetooth Smart Ready，单模简称BLE或者LE,商标为Bluetooth Smart。Android是在4.3后才支持BLE，这说明不是所有蓝牙手机都支持BLE，而且支持BLE的蓝牙手机一般是双模的。双模兼容传统蓝牙，可以和传统蓝牙通信，也可以和BLE通信，常用在手机上，android4.3和IOS4.0之后版本都支持BR，也就是双模设备。单模只能和BR和单模的设备通信，不能和传统蓝牙通信，由于功耗低，待机长，所以常用在手环的智能设备上。

二、基本概念

1、Generic Access Profile(GAP)

用来控制设备连接和广播，GAP使你的设备被其他设备可见，并决定了你的设备是否可以或者怎样与合同设备进行交互。

2、Generic Attribute Profile(GATT)

通过BLE连接，读写属性类数据的Profile通用规范，现在所有的BLE应用Profile都是基于GATT的。

3、Attribute Protocol (ATT)

GATT是基于ATTProtocol的，ATT针对BLE设备做了专门的优化，具体就是在传输过程中使用尽量少的数据，每个属性都有一个唯一的UUID，属性将以characteristics and services的形式传输。

4、Characteristic

Characteristic可以理解为一个数据类型，它包括一个value和0至多个对次value的描述（Descriptor）。

5、Descriptor

对Characteristic的描述，例如范围、计量单位等。

6、Service

Characteristic的集合。例如一个service叫做“Heart Rate Monitor”，它可能包含多个Characteristics，其中可能包含一个叫做“heart ratemeasurement"的Characteristic。

7、UUID

唯一标示符，每个Service，Characteristic，Descriptor，都是由一个UUID定义。

三、Android BLE API

1、BluetoothGatt

继承BluetoothProfile，通过BluetoothGatt可以连接设备（connect）,发现服务（discoverServices），并把相应地属性返回到BluetoothGattCallback，可以看成蓝牙设备从连接到断开的生命周期。

2、BluetoothGattCharacteristic

相当于一个数据类型，可以看成一个特征或能力，它包括一个value和0~n个value的描述（BluetoothGattDescriptor）。

3、BluetoothGattDescriptor

描述符，对Characteristic的描述，包括范围、计量单位等。

4、BluetoothGattService

服务，Characteristic的集合。

5、BluetoothProfile

一个通用的规范，按照这个规范来收发数据。

6、BluetoothManager

通过BluetoothManager来获取BluetoothAdapter。
BluetoothManager bluetoothManager = (BluetoothManager) getSystemService(Context.BLUETOOTH_SERVICE);

7、BluetoothAdapter

代表了移动设备的本地的蓝牙适配器, 通过该蓝牙适配器可以对蓝牙进行基本操作，一个Android系统只有一个BluetoothAdapter，通过BluetoothManager获取。
BluetoothAdapter bluetoothAdapter = bluetoothManager.getAdapter();

8、BluetoothDevice

扫描后发现可连接的设备，获取已经连接的设备。
BluetoothDevice bluetoothDevice = bluetoothAdapter.getRemoteDevice(address);

9、BluetoothGattCallback

已经连接上设备，对设备的某些操作后返回的结果。

BluetoothGattCallback bluetoothGattCallback = new BluetoothGattCallback(){
    //实现回调方法，根据业务做相应处理
};
BluetoothGatt bluetoothGatt = bluetoothDevice.connectGatt(this, false, bluetoothGattCallback);

三、操作流程

1、蓝牙开启

在使用蓝牙BLE之前，需要确认Android设备是否支持BLE feature(required为false时)，另外要需要确认蓝牙是否打开。如果发现不支持BLE，则不能使用BLE相关的功能；如果支持BLE，但是蓝牙没打开，则需要打开蓝牙。代码示例如下：

//是否支持蓝牙模块
@TargetApi(18)
public static boolean isSupportBle(Context context) {
    if(context != null && context.getPackageManager().hasSystemFeature("android.hardware.bluetooth_le")) {
        BluetoothManager manager = (BluetoothManager)context.getSystemService("bluetooth");
        return manager.getAdapter() != null;
    } else {
        return false;
    }
}
//是否开启蓝牙
@TargetApi(18)
public static boolean isBleEnable(Context context) {
    if(!isSupportBle(context)) {
        return false;
    } else {
        BluetoothManager manager = (BluetoothManager)context.getSystemService("bluetooth");
        return manager.getAdapter().isEnabled();
    }
}
//开启蓝牙
public static void enableBle(Activity act, int requestCode) {
    Intent mIntent = new Intent("android.bluetooth.adapter.action.REQUEST_ENABLE");
    act.startActivityForResult(mIntent, requestCode);
}
//蓝牙开启过程
if(isSupportBle(mContext)){
    //支持蓝牙模块
    if(!isBleEnable(mContext)){
        //没开启蓝牙则开启
        enableBle(mSelfActivity, 1);
    }
} else{
    //不支持蓝牙模块处理
}
//蓝牙开启回调
@Override
protected void onActivityResult(int requestCode, int resultCode, Intent data) {
    //判断requestCode是否为开启蓝牙时传进去的值，再做相应处理
    if(requestCode == 1){
        //蓝牙开启成功后的处理
    }
    super.onActivityResult(requestCode, resultCode, data);
}
2、设备搜索

  • BluetoothAdapter.startDiscovery在大多数手机上是可以同时发现经典蓝牙和Ble的，但是startDiscovery的回调无法返回Ble的广播，所以无法通过广播识别设备，且startDiscovery扫描Ble的效率比StartLeScan低很多。所以在实际应用中，还是StartDiscovery和StartLeScan分开扫，前者扫传统蓝牙，后者扫低功耗蓝牙。

  • 由于搜索需要尽量减少功耗，因此在实际使用时需要注意：当找到对应的设备后，立即停止扫描；不要循环搜索设备，为每次搜索设置适合的时间限制，避免设备不在可用范围的时候持续不停扫描，消耗电量。

  • 通过调用BluetoothAdapter的 startLeScan() 搜索BLE设备。调用此方法时需要传入 BluetoothAdapter.LeScanCallback 参数。具体代码示例如下：

BluetoothManager bluetoothManager = (BluetoothManager) getSystemService(Context.BLUETOOTH_SERVICE);
BluetoothAdapter bluetoothAdapter = bluetoothManager.getAdapter();
bluetoothAdapter.startLeScan(new BluetoothAdapter.LeScanCallback() {
    @Override
    public void onLeScan(BluetoothDevice device, int rssi, byte[] scanRecord) {
        //对扫描到的设备进行处理，可以依据BluetoothDevice中的信息、信号强度rssi以及广播包和响应包组成的scanRecord字节数组进行分析
    }
});
3、设备通信

两个设备通过BLE通信，首先需要建立GATT连接，这里我们讲的是Android设备作为client端，连接GATT Server。连接GATT Server，需要调用BluetoothDevice的connectGatt()方法，此函数带三个参数：Context、autoConnect(boolean)和 BluetoothGattCallback 对象。调用后返回BluetoothGatt对象，它是GATT profile的封装，通过这个对象，我们就能进行GATT Client端的相关操作。如断开连接bluetoothGatt.disconnect()，发现服务bluetoothGatt.discoverServices()等等。示例代码如下：

BluetoothDevice bluetoothDevice = bluetoothAdapter.getRemoteDevice(address);
BluetoothGattCallback bluetoothGattCallback = new BluetoothGattCallback(){
    @Override
    public void onConnectionStateChange(BluetoothGatt gatt, int status, int newState) {
        super.onConnectionStateChange(gatt, status, newState);
    }

    @Override
    public void onServicesDiscovered(BluetoothGatt gatt, int status) {
        super.onServicesDiscovered(gatt, status);
    }

    @Override
    public void onCharacteristicRead(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattCharacteristic characteristic, int status) {
        super.onCharacteristicRead(gatt, characteristic, status);
    }

    @Override
    public void onCharacteristicWrite(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattCharacteristic characteristic, int status) {
        super.onCharacteristicWrite(gatt, characteristic, status);
    }

    @Override
    public void onCharacteristicChanged(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattCharacteristic characteristic) {
        super.onCharacteristicChanged(gatt, characteristic);
    }

    @Override
    public void onDescriptorRead(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattDescriptor descriptor, int status) {
        super.onDescriptorRead(gatt, descriptor, status);
    }

    @Override
    public void onDescriptorWrite(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattDescriptor descriptor, int status) {
        super.onDescriptorWrite(gatt, descriptor, status);
    }

    @Override
    public void onReliableWriteCompleted(BluetoothGatt gatt, int status) {
        super.onReliableWriteCompleted(gatt, status);
    }

    @Override
    public void onReadRemoteRssi(BluetoothGatt gatt, int rssi, int status) {
        super.onReadRemoteRssi(gatt, rssi, status);
    }

    @Override
    public void onMtuChanged(BluetoothGatt gatt, int mtu, int status) {
        super.onMtuChanged(gatt, mtu, status);
    }
};
BluetoothGatt bluetoothGatt = bluetoothDevice.connectGatt(this, false, bluetoothGattCallback);

//以下为获得Gatt后的相关操作对应的响应方法
//notification to onCharacteristicChanged；
bluetoothGatt.setCharacteristicNotification(characteristic, true);

//readCharacteristic to onCharacteristicRead；
bluetoothGatt.readCharacteristic(characteristic);

//writeCharacteristic to onCharacteristicWrite；
bluetoothGatt.wirteCharacteristic(mCurrentcharacteristic);

//connect and disconnect to onConnectionStateChange；
bluetoothGatt.connect();
bluetoothGatt.disconnect();

//readDescriptor to onDescriptorRead；
bluetoothGatt.readDescriptor(descriptor);

//writeDescriptor to onDescriptorWrite；
bluetoothGatt.writeDescriptor(descriptor);

//readRemoteRssi to onReadRemoteRssi；
bluetoothGatt.readRemoteRssi();

//executeReliableWrite to onReliableWriteCompleted；
bluetoothGatt.executeReliableWrite();

//discoverServices to onServicesDiscovered;
bluetoothGatt.discoverServices();

四、数据解析

  • BLE中有两种角色Central和Peripheral，也就是中心设备和外围设备，中心设备可以主动连接外围设备，外围设备发送广播或者被中心设备连接，外围通过广播被中心设备发现，广播中带有外围设备自身的相关信息。

  • 数据包有两种：广播包（Advertising Data）和响应包（Scan Response），其中广播包是每个设备必须广播的，而响应包是可选的。数据包的格式如下图所示（图片来自官方 Spec）：



    每个包都是 31 字节，数据包中分为有效数据（significant）和无效数据（non-significant）两部分。

  • 有效数据部分：包含若干个广播数据单元，称为AD Structure。如图中所示，AD Structure的组成是：第一个字节是长度值Len，表示接下来的Len个字节是数据部分。数据部分的第一个字节表示数据的类型AD Type，剩下的Len - 1个字节是真正的数据AD data。其中AD type非常关键，决定了AD Data的数据代表的是什么和怎么解析，这个在后面会详细讲；

  • 无效数据部分：因为广播包的长度必须是31字节，如果有效数据部分不到31字节，剩下的就用0补齐，这部分的数据是无效的，解析的时候，直接忽略即可。

  • 查看Nordic的SDK中的定义，AD type的定义在程序的“ble_gap.h”头文件中。定义如下：

#define BLE_GAP_AD_TYPE_FLAGS                               0x01 //< Flags for discoverability. 
#define BLE_GAP_AD_TYPE_16BIT_SERVICE_UUID_MORE_AVAILABLE   0x02 //< Partial list of 16 bit service UUIDs. 
#define BLE_GAP_AD_TYPE_16BIT_SERVICE_UUID_COMPLETE         0x03 //< Complete list of 16 bit service UUIDs.  
#define BLE_GAP_AD_TYPE_32BIT_SERVICE_UUID_MORE_AVAILABLE   0x04 //< Partial list of 32 bit service UUIDs.  
#define BLE_GAP_AD_TYPE_32BIT_SERVICE_UUID_COMPLETE         0x05 //< Complete list of 32 bit service UUIDs. 
#define BLE_GAP_AD_TYPE_128BIT_SERVICE_UUID_MORE_AVAILABLE  0x06 //< Partial list of 128 bit service UUIDs.  
#define BLE_GAP_AD_TYPE_128BIT_SERVICE_UUID_COMPLETE        0x07 //< Complete list of 128 bit service UUIDs. 
#define BLE_GAP_AD_TYPE_SHORT_LOCAL_NAME                    0x08 //< Short local device name. 
#define BLE_GAP_AD_TYPE_COMPLETE_LOCAL_NAME                 0x09 //< Complete local device name. 
#define BLE_GAP_AD_TYPE_TX_POWER_LEVEL                      0x0A //< Transmit power level. 
#define BLE_GAP_AD_TYPE_CLASS_OF_DEVICE                     0x0D //< Class of device. 
#define BLE_GAP_AD_TYPE_SIMPLE_PAIRING_HASH_C               0x0E //< Simple Pairing Hash C. 
#define BLE_GAP_AD_TYPE_SIMPLE_PAIRING_RANDOMIZER_R         0x0F //< Simple Pairing Randomizer R. 
#define BLE_GAP_AD_TYPE_SECURITY_MANAGER_TK_VALUE           0x10 //< Security Manager TK Value. 
#define BLE_GAP_AD_TYPE_SECURITY_MANAGER_OOB_FLAGS          0x11 //< Security Manager Out Of Band Flags. 
#define BLE_GAP_AD_TYPE_SLAVE_CONNECTION_INTERVAL_RANGE     0x12 //< Slave Connection Interval Range. 
#define BLE_GAP_AD_TYPE_SOLICITED_SERVICE_UUIDS_16BIT       0x14 //< List of 16-bit Service Solicitation UUIDs. 
#define BLE_GAP_AD_TYPE_SOLICITED_SERVICE_UUIDS_128BIT      0x15 //< List of 128-bit Service Solicitation UUIDs. 
#define BLE_GAP_AD_TYPE_SERVICE_DATA                        0x16 //< Service Data - 16-bit UUID. 
#define BLE_GAP_AD_TYPE_PUBLIC_TARGET_ADDRESS               0x17 //< Public Target Address. 
#define BLE_GAP_AD_TYPE_RANDOM_TARGET_ADDRESS               0x18 //< Random Target Address. 
#define BLE_GAP_AD_TYPE_APPEARANCE                          0x19 //< Appearance. 
#define BLE_GAP_AD_TYPE_ADVERTISING_INTERVAL                0x1A //< Advertising Interval.  
#define BLE_GAP_AD_TYPE_LE_BLUETOOTH_DEVICE_ADDRESS         0x1B //< LE Bluetooth Device Address. 
#define BLE_GAP_AD_TYPE_LE_ROLE                             0x1C //< LE Role. 
#define BLE_GAP_AD_TYPE_SIMPLE_PAIRING_HASH_C256            0x1D //< Simple Pairing Hash C-256. 
#define BLE_GAP_AD_TYPE_SIMPLE_PAIRING_RANDOMIZER_R256      0x1E //< Simple Pairing Randomizer R-256. 
#define BLE_GAP_AD_TYPE_SERVICE_DATA_32BIT_UUID             0x20 //< Service Data - 32-bit UUID. 
#define BLE_GAP_AD_TYPE_SERVICE_DATA_128BIT_UUID            0x21 //< Service Data - 128-bit UUID. 
#define BLE_GAP_AD_TYPE_3D_INFORMATION_DATA                 0x3D //< 3D Information Data.
#define BLE_GAP_AD_TYPE_MANUFACTURER_SPECIFIC_DATA          0xFF //< Manufacturer Specific Data.

1、TYPE = 0x01：标识设备LE物理连接的功能，占一个字节，各bit为1时定义如下：

bit 0: LE有限发现模式
bit 1: LE普通发现模式
bit 2: 不支持BR/EDR
bit 3: 对Same Device Capable(Controller)同时支持BLE和BR/EDR
bit 4: 对Same Device Capable(Host)同时支持BLE和BR/EDR
bit 5..7: 预留

2、TYPE = 0x02：非完整的16 bit UUID列表
3、TYPE = 0x03：完整的16 bit UUID列表
4、TYPE = 0x04：非完整的32 bit UUID列表
5、TYPE = 0x05：完整的32 bit UUID列表
6、TYPE = 0x06：非完整的128 bit UUID列表
7、TYPE = 0x07：完整的128 bit UUID列表
8、TYPE = 0x08：设备简称
9、TYPE = 0x09：设备全名
10、TYPE = 0x0A：表示设备发送广播包的信号强度
11、TYPE = 0x0D：设备类别
12、TYPE = 0x0E：设备配对的Hash值
13、TYPE = 0x0F：设备配对的随机值
14、TYPE = 0x10：TK安全管理（Security Manager TK Value）
15、TYPE = 0x11：带外安全管理（Security Manager Out of Band），各bit定义如下：

bit 0: OOB Flag，0-表示没有OOB数据，1-表示有
bit 1: 支持LE
bit 2: 对Same Device Capable(Host)同时支持BLE和BR/EDR
bit 3: 地址类型，0-表示公开地址，1-表示随机地址

16、TYPE = 0x12：外设（Slave）连接间隔范围，数据中定义了Slave最大和最小连接间隔，数据包含4个字节：前两字节定义最小连接间隔，取值范围：0x0006 ~ 0x0C80，而0xFFFF表示未定义；后两字节，定义最大连接间隔，取值范围同上，不过需要保证最大连接间隔大于或者等于最小连接间隔。
17、TYPE = 0x14：服务搜寻16 bit UUID列表
18、TYPE = 0x15：服务搜寻128 bit UUID列表
19、TYPE = 0x16：16 bit UUID Service，前两个字节是UUID，后面是Service的数据
20、TYPE = 0x17：公开目标地址，表示希望这个广播包被指定的目标设备处理，此设备绑定了公开地址
21、TYPE = 0x18：随机目标地址，表示希望这个广播包被指定的目标设备处理，此设备绑定了随机地址
22、TYPE = 0x19：表示设备的外观
23、TYPE = 0x1A：广播区间
24、TYPE = 0x1B：LE设备地址
25、TYPE = 0x1C：LE设备角色
26、TYPE = 0x1D：256位设备配对的Hash值
27、TYPE = 0x1E：256位设备配对的随机值
28、TYPE = 0x20：32 bit UUID Service，前4个字节是UUID，后面是Service的数据
29、TYPE = 0x21：128 bit UUID Service，前16个字节是UUID，后面是Service的数据
30、TYPE = 0x3D：3D信息数据
31、TYPE = 0xFF：厂商自定义数据，厂商自定义的数据中，前两个字节表示厂商ID，剩下的是厂商自己按照需求添加，里面的数据内容自己定义。

  • 根据如下数据包，举例说明解析的思路
    搜索设备获取的数据包如下：
02 01 06 14 FF 11 22 00 00 00 01 00 1F 09 01 00 00 00 CE DD 5E 5A 5D 23 06 08 48 45 54 2D 35 09 03 E7 FE 12 FF 0F 18 0A 18 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00

根据解析规则，可分成如下部分：
1、广播数据

02 01 06 14 FF 11 22 00 00 00 01 00 1F 09 01 00 00 00 CE DD 5E 5A 5D 23 06 08 48 45 54 2D 35

2、响应数据

09 03 E7 FE 12 FF 0F 18 0A 18 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3、有效数据

02 01 06 14 FF 11 22 00 00 00 01 00 1F 09 01 00 00 00 CE DD 5E 5A 5D 23 06 08 48 45 54 2D 35 09 03 E7 FE 12 FF 0F 18 0A 18

4、无效数据

00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00

其中的有效数据又可分为如下几个数据单元：
02 01 06
14 FF 11 22 00 00 00 01 00 1F 09 01 00 00 00 CE DD 5E 5A 5D 23
06 08 48 45 54 2D 35
09 03 E7 FE 12 FF 0F 18 0A 18
根据上面定义的AD Type分别解析如下：
第一组数据告诉我们该设备属于LE普通发现模式，不支持BR/EDR；
第二组数据告诉我们该数据为厂商自定义数据，一般是必须解析的，可根据协议规则进行解析获取对应的所需信息；
第三组数据告诉我们该设备的简称为HET-5，其中对应的字符是查找ASSIC表得出的；
第四组数据告诉我们UUID为E7FE-12FF-0F18-0A18.

五、参考链接

1、蓝牙Bluetooth BR/EDR 和 Bluetooth Smart 必需要知道的十个不同点
2、BLE简介和Android BLE编程
3、BLE广播数据解析

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