BLE技术与Android开发实践指南

BLE技术概述

1. BLE发展历程

BLE（Bluetooth Low Energy）是专为低功耗应用设计的蓝牙技术，起源于蓝牙4.0规范。与传统蓝牙相比，BLE显著降低了能耗，适合功耗敏感的设备。

2. BLE应用场景

BLE技术在健康监测设备、智能家居、物联网等领域广泛应用，因其低功耗特性而备受青睐，能够实现移动设备与低功耗外设间的快速、稳定连接。

3. BLE技术优势

快速建立连接，简化配对过程，支持即连即用。
低功耗，适合长时间运行的便携式设备。
适中的传输距离，一般在0_{10米，最远可达0}100米。

4. BLE技术挑战

与传统蓝牙不兼容，需专门的支持和驱动。
传输速率较低，不适合大数据量传输。

蓝牙GATT协议详解

1. GATT协议概述

GATT（Generic Attribute Profile）基于ATT协议，ATT协议是一种双向的、基于应答的协议。GATT是蓝牙设备间进行数据交换的标准协议之一，用于描述和传输设备之间的数据。

GATT-Based Profile hierarchy

2. GATT协议的核心组件

服务（Service）：表示某个功能，如心率服务，包含多个特征。
特征（Characteristic）：服务中的数据单元，包含数据和权限。
描述符（Descriptor）：描述特征的元数据，如单位、范围等。
角色：Server（服务端）和Client（客户端），分别负责提供数据和读取/写入数据。

3. GATT协议的操作流程

设备连接：Client与Server建立连接。
服务发现：Client查询Server提供的服务。
读取特征：Client从Server读取特征值。
写入特征：Client向Server写入特征值。
启用通知：Client订阅Server的特征通知。

4. GATT协议的常见问题与解决方案

检查特征权限，确保客户端具有读取或写入权限。
优化数据传输频率，减少通知的延迟和丢失。
根据设备性能调整通知频率，避免过载。

Android BLE开发基础

1. BLE概述

BLE是蓝牙4.0规范的一部分，提供低成本、低功耗的无线通信方式。

2. Android BLE API

Android BLE API包括BluetoothAdapter、BluetoothDevice、BluetoothGatt等类，用于扫描设备、连接设备、读取和写入数据。

2.1 BLE连接流程

扫描与广播：BLE设备通过广播发送信息，Android设备扫描这些广播以发现附近的BLE设备。
连接建立：Android设备向发现的BLE设备发送连接请求。
连接参数更新：在连接过程中，可以根据需要更新连接参数。
连接断开：当不再需要数据交互时，可以主动断开连接。

2.2 数据交互机制

GATT服务与特性：服务是一组相关特性的集合，特性是数据的实际表示。
读操作：Android设备可以读取BLE设备上特性中的数据。
写操作：Android设备可以向BLE设备写入数据。
通知与指示：BLE设备可以主动向Android设备发送通知。

2.3 数据安全与隐私

加密与认证：保护数据安全，BLE通信可以采用加密和认证机制。
隐私保护：BLE设备可以采用隐私保护措施，如随机化广播地址。
权限控制：Android设备可以设置权限，限制对BLE设备数据的访问。
安全配对：BLE设备间进行配对时，可以设置安全配对流程。

3. Android BLE开发流程

权限申请：动态申请位置权限以进行BLE扫描。
设备扫描：开启BLE扫描，收集周边设备的广告信息。
设备连接：与用户选择的设备建立连接。
数据交互：根据设备的服务和特征，读取或写入数据。

3.1 权限申请

在Android 6.0及以上版本，需要动态申请位置权限以进行BLE扫描。同时，需要在AndroidManifest.xml中声明ACCESS_COARSE_LOCATION和ACCESS_FINE_LOCATION权限。
在Android 12.0及以上版本，引入了 BLUETOOTH_SCAN、BLUETOOTH_ADVERTISE 和 BLUETOOTH_CONNECT 权限，可让您的应用扫描附近的设备，而无需请求位置权限。

    <uses-feature
        android:name="android.hardware.bluetooth_le"
        android:required="true" />
    <uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH" />
    <uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH_ADMIN" />
    <uses-permissionandroid:name="android.permission.BLUETOOTH_PRIVILEGED"
        tools:ignore="ProtectedPermissions" />
    <!--在Android 12以下 这个权限是必须要的-->
    <uses-permission android:name="android.permission.ACCESS_FINE_LOCATION" />
    <uses-permission android:name="android.permission.ACCESS_COARSE_LOCATION" />
    <!--在Android 12以上 可使用以下权限，考虑兼容都加上-->
    <uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH_SCAN" />
    <uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH_ADVERTISE" />
    <uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH_CONNECT" />

3.2 设备扫描

通过BluetoothAdapter.startLeScan扫码低功耗蓝牙设备

BluetoothAdapter bluetoothAdapter = BluetoothAdapter.getDefaultAdapter();
if (bluetoothAdapter == null) {
    // Device does not support Bluetooth
} else {
    bluetoothAdapter.startLeScan(new BluetoothAdapter.LeScanCallback() {
        @Override
        public void onLeScan(final BluetoothDevice device, int rssi, byte[] scanRecord) {
            runOnUiThread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    // UI操作，显示扫描到的设备
                }
            });
        }
    });
}

通过BluetoothLeScanner.startScan扫码低功耗蓝牙设备

BluetoothAdapter bluetoothAdapter = BluetoothAdapter.getDefaultAdapter();
if (bluetoothAdapter == null || !bluetoothAdapter.isEnabled()) {
    Toast.makeText(this, "蓝牙未开启", Toast.LENGTH_SHORT).show();
    return;
}
BluetoothLeScanner scanner = bluetoothAdapter.getBluetoothLeScanner();
if (scanner != null) {
    scanner.startScan(new ScanCallback() {
        @Override
        public void onScanResult(int callbackType, ScanResult result) {
            super.onScanResult(callbackType, result);
            BluetoothDevice device = result.getDevice();
            // 处理扫描到的设备，如果你需要实时处理每个扫描到的设备，可以使用onScanResult。
            Log.i("TAG", "发现设备: " + device.getName() + " - " + device.getAddress());
        }
        @Override
        public void onBatchScanResults(List < ScanResult > results) {
            super.onBatchScanResults(results);
            for (ScanResult result: results) {
                BluetoothDevice device = result.getDevice();
                // 处理扫描到的设备，如果你希望减少回调次数，提高处理效率，可以使用onBatchScanResults。
                Log.i("TAG", "发现设备: " + device.getName() + " - " + device.getAddress());
            }
        }
        @Override
        public void onScanFailed(int errorCode) {
            super.onScanFailed(errorCode);
            Log.e("TAG", "扫描失败: " + errorCode);
        }
    });
} else {
    Log.e("TAG", "无法获取BluetoothLeScanner");
}

3.3 设备连接

BluetoothGatt gatt = device.connectGatt(context, false, new BluetoothGattCallback() {
    @Override
    public void onConnectionStateChange(BluetoothGatt gatt, int status, int newState) {
        if (newState == BluetoothProfile.STATE_CONNECTED) {
            gatt.discoverServices();
        }
    }
    @Override
    public void onServicesDiscovered(BluetoothGatt gatt, int status) {
        if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
            // 获取服务和特性，这里具体根据实际设备情况处理
           BluetoothGattService linkLossService = mBluetoothGatt.getService(UUID.fromString("EA3A9D7C-9F3A-4BE5-A1B1-7BF0C7E01A5D"));
           if (linkLossService != null){
               BluetoothGattCharacteristic characteristicNotify = linkLossService.getCharacteristic(UUID.fromString("EA3A9D7C-9F3A-4BE5-A1B2-7BF0C7E01A5D"));
               BluetoothGattCharacteristic characteristicWrite = linkLossService.getCharacteristic(UUID.fromString("EA3A9D7C-9F3A-4BE5-A1B3-7BF0C7E01A5D"));
           }
        }
    }
});

3.4 数据交互

读取和写入特性

BluetoothGattService service = gatt.getService(serviceUUID);
if (service != null) {
    BluetoothGattCharacteristic characteristic = service.getCharacteristic(characteristicUUID);
    if (characteristic != null) {
        gatt.readCharacteristic(characteristic); // 读取数据
        // 写入数据
        characteristic.setValue(data);
        gatt.writeCharacteristic(characteristic);
    }
}

设置通知和写入数据

// 启用通知
mBluetoothGatt.setCharacteristicNotification(characteristicNotify, true);
// 设置通知的客户端描述符
BluetoothGattDescriptor descriptor = characteristicNotify.getDescriptor(UUID.fromString("00002902-0000-1000-8000-00805f9b34fb"));
if (descriptor != null) {
    descriptor.setValue(BluetoothGattDescriptor.ENABLE_NOTIFICATION_VALUE);
    mBluetoothGatt.writeDescriptor(descriptor);
}
// 写入数据
boolean resultSet = characteristicWrite.setValue(data);
if (resultSet) {
    boolean resultWrite = mBluetoothGatt.writeCharacteristic(characteristicWrite);
    if (!resultWrite) {
        // 处理写入失败
    }
}

蓝牙BluetoothGattCallback中的结果处理

@Override
public void onCharacteristicRead(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattCharacteristic characteristic, int status) {
    if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
        // 处理读取到的数据
    }
}
@Override
public void onCharacteristicWrite(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattCharacteristic characteristic, int status) {
    if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
        // 处理写入成功
        if (characteristic.getValue() != null && characteristic.getValue().length > 0){
            byte[] bytes = characteristic.getValue();
        }
    } else {
        // 处理写入失败
    }
}
@Override
public void onDescriptorWrite(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattDescriptor descriptor, int status) {
    if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
        // 处理描述符写入成功
    } else {
        // 处理描述符写入失败
    }
}
@Override
public void onCharacteristicChanged(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattCharacteristic characteristic) {
    if (characteristic.getValue() != null && characteristic.getValue().length > 0){
        byte[] bytes = characteristic.getValue();
    }
}

4. BLE开发注意事项

4.1 开发环境问题

环境搭建：确保Android SDK版本与BLE支持版本匹配。
SDK选择：选择适合BLE开发的SDK，确保其稳定性和兼容性。
权限设置：确保AndroidManifest.xml中添加了必要的BLE相关权限。

4.2 扫描与连接问题

扫描性能优化：使用合适的扫描周期和窗口，避免长时间扫描导致的资源消耗。
连接稳定性：在连接过程中处理各种异常情况，如连接超时、设备丢失等。
数据传输效率：优化数据包大小，避免过大的数据包导致的传输效率低下。

4.3 服务与特性交互问题

服务发现：在连接后及时发现设备上的服务。
特性读取与写入：注意处理权限问题，有些特性可能需要特定的权限才能操作。
特性通知：确保正确设置通知，以便中央设备能够及时获取更新。

4.4 安全性与隐私问题

数据加密：对敏感数据使用加密机制，确保数据传输的安全性。
设备配对与绑定：在设备配对时，使用适当的配对模式和加密级别。
隐私保护：尊重用户隐私，不收集无关个人信息。

4.5 BLE设备扫描与连接

设备扫描流程：分为主动扫描和被动扫描，主动扫描会请求设备发送完整的广告包。
设备连接机制：连接过程涉及GATT协议，设备间通过交换GATT服务进行通信。
扫描过滤与优化：设置扫描过滤条件可以提高扫描效率。
断开连接与重连策略：应用程序需要处理设备断开连接的情况，并实施重连策略。

4.5 BLE数据传输

数据读取与写入：数据读取通常涉及读取设备上的特征值，可能需要处理权限和配对过程。
Notify与Indicate机制：Notify机制允许设备主动发送数据给应用程序，Indicate机制用于确保数据传输的可靠性。
数据加密与安全：在BLE通信中，可以使用加密算法来保护数据传输的安全。
数据传输错误处理：在数据传输过程中，可能会出现错误，需要实施错误处理策略。

4.6 最大传输单位MTU

此选项指定此选项的发送方能够为通道接受的最大SDU大小。
指定小于通道最小MTU的MTU的请求可能会被拒绝。

基本MTU交换

4.7 点对点连接和点对多点连接

一般只需要点对点连接即可

具有单个外设操作(a)、多外设操作(b)和分散网操作(c)

4.8 数据分包处理

由于部分产品不支持MTU修改，默认只能传输20字节，为兼容需要分包发送，防止数据丢失。
因为手动分包，Android数据延时不可控，需要在产品端加长延时

public static byte[][] splitByteArray(byte[] input, int chunkSize) {
    if (input == null || chunkSize <= 0) {
        throw new IllegalArgumentException("Invalid input: input cannot be null and chunkSize must be > 0");
    }
    int chunks = (input.length + chunkSize - 1) / chunkSize;
    byte[][] result = new byte[chunks][];
    for (int i = 0, start = 0; i < chunks; i++) {
        int length = Math.min(input.length - start, chunkSize);
        result[i] = new byte[length];
        System.arraycopy(input, start, result[i], 0, length);
        start += length;
    }
    return result;
}

5. Android BLE开发工具与库

Android BLE API：Android提供了官方的BLE API，用于简化BLE设备的开发过程。
第三方BLE库：第三方库如BluetoothLe库，FastBle库，提供了更易用的API和更完善的错误处理机制。
BLE调试工具：使用BLE调试宝，nRF Connect，可以帮助开发者快速定位和解决问题。
蓝牙核心文档下载
https://www.bluetooth.com/specifications/specs/ 搜索Core Specification，即可下载文档

Android低功耗蓝牙通讯原理简介