一、BLE知识

1.关于BLE

BLE（Bluetooth low energy）蓝牙低功耗是蓝牙4.0新增的子规范，其具有低能耗、低成本、低延迟、传输距离长等特点，自安卓4.3（api level 18）起，安卓开始支持BLE。BLE与经典蓝牙对比如下图（图片来自网络）：

BLE和经典蓝牙对比.png

2.BLE设备间交互方式

• 完全基于广播
  设备间无需连接而只需外设广播数据即可。该方式主要是让外设把自己的信息发送给多个中心设备。使用该方式的应用叫作Beacon。该方式下有Broadcaster（广播者）和Observer（Scanner扫描者）两种角色。使用该方式最典型的应用就是苹果的 iBeacon，可实现广告推送和室内定位
• 基于GATT连接
  设备连接后通过GATT（通用配置文件，下文有详细介绍）来进行通信

GATT 连接是独占的。即一个 外设同时只能被一个中心设备连接。一旦外设被连接，它就会马上停止广播，这样它就对其他设备不可见了。当连接断开，它又开始广播

3.BLE中角色与职责

• Central vs. Peripheral：中心设备-外围设备，中心设备和外围设备的概念针对的是BLE连接本身，中心设备负责扫描广播，而外围设备负责发出广播。

注意：
1.只有一方支持Central另一方支持Peripheral才能通信
2.Android 4.3开始支持BLE，但只支持作为中心设备（Central）模式，
Android 5.0开始两种模式都支持

• GATT server vs. GATT client：这两种角色取决于BLE连接成功后，两个设备间通信的方式。若A需从B请求数据，则A是gatt client，B是gatt server；反之A是gatt server，B是gatt client。通俗来讲就是产生数据的是gatt server，访问数据的设备是gatt client，一个设备既可以是gatt server也可以是gatt client

4.关于BLE广播

• 广播间隔（Advertising interval）
  外围设备会设定一个特定的广播间隔Advertising interval来发送广播数据，每当经过广播间隔时，外设将重新发送广播数据包。广播间隔越长越省电，但也不太容易扫描到。
• 广播数据
  外围设备向外广播数据包：Advertising Data Payload（广播数据） + Scan Response Data Payload（扫描回复），广播数据和扫描回复的数据长度分别可达 31 byte。Advertising Data Payload是强制性的，因为外围设备必需不停向外广播而让其他中心设备感知其存在，而Scan Response Data Payload（扫描回复）是可选的，中心设备可向外围设备请求扫描回复(设备设计者可将更多设备信息如设备名字符串等放置于此)。因此，在含扫描回复的情况下，广播数据包最大可为62byte。自Android 5.0起，系统提供了ScanRecord类来帮助解析设备接收到的BLE广播数据包，可直接通过该类获取有意义的数据如设备连接属性（标识设备支持 的 BLE 模式）、设备名、设备包含的关键 GATT service或 Service data、厂商自定义 数据等。

5.BLE的链接参数

在讲链接参数之前，需要先了解连接事件Connection Events
1）Conection Events（连接事件）
蓝牙设备建立连接后，所有信息的交换都是通过Connetion Events进行的，主设备在Connection Events开始起发送数据包，从属设备在Connection Events期间回复。Connection Events是周期性出现的且时间间隔很短，在一个Connection Events中，器件最大电流为十几mA，平均电流1uA，这便是BLE功耗较低的原因。Connection Events如下图（图片来自网络）

ConnectionEvent.jpg

2）链接参数
在两个蓝牙设备建立连接进入连接状态前，蓝牙设备需要设置一系列的链接参数，链接参数是在中心设备向外围设备发起连接请求时传递的：

• Connection Interval
  两次connection event的时间间隔称Conection Interval，Connection Inetrval为1.25ms的倍数，数值位于6（7.5ms）至3200（4.0s）之间。较长的Connection Interval更节省功耗，但数据相对无法做到及时传输，而较短的Connection Interval 可让数据传输更及时，但由于设备频繁连接，设备功耗较大。由于蓝牙采用了快跳频技术，设备每隔一段时间后都会在一个新频道上进行数据传输，每次数据传输都称为 一次connection event，即使无数据传输，设备也会connection event上交换LL层数据以保持两设备的连接状态

• Slave Latency
  Slave Latency代表外围设备最多可以忽略的connection events数目，数值可以位于0~499之间，但最大值必须保证 effective connectioninterval不得大于16.0s，为外围设备设置该参数可使外围设备在无数据传输时灵活地跳过connection events保持睡眠状态以节省更多的功耗。有效连接间隔计算公式如下：
  Effective Connectioninterval = ConnectionInterval * ( 1 + SlaveLatency)

• Supervision Timeout
  Supervision Timeout表示两次成功完成connection events的最大时间间隔。若时间超过Supervision Timeout时两设备仍无成功完成的connection event，设备将认为链接丢失并回归未连接状态。Supervision Timeout为10ms的倍数，其值在10（100ms）至3200（32.0s）；Supervision Timeout 必须大于effective connectioninterval

当外围设备认为中心设备请求的链接参数不合适时，外围设备可在连接期间发送一个Connetion Parameter UpdateRequest 请求中心设备更改链接参数。当中心设备收到请求时可接受或拒绝外围设备的链接参数更新请求

在Android中未提供修改链接参数具体值的api，只提供了一个修改连接优先级的方法BluetoothGatt#requestConnectionPriority(int connectionPriority)，该方法参数为以下三者之一CONNECTION_PRIORITY_BALANCED （默认值）、CONNECTION_PRIORITY_HIGH、CONNECTION_PRIORITY_LOW_POWER，该方法不同的参数对应有不同的链接参数，具体使用参见方法说明

6.GATT及相关概念

• GATT： Generic Attribute Profile（通用属性配置文件），GATT是一种用于收发短片段数据（属性）的通用规范，其被用于在BLE连接后数据的收发，当前所有的BLE应用配置文件都是基于GATT

对于BLE，蓝牙SIG组织(Special Interest Group)已定义并采纳了很多基于GATT的配置文件。配置文件（Profile）是一种规定设备在一个特定应用中如何工作的规范，当然，一个设备可实现多种配置文件，比如一台设备可包含心率监测与电量监控等

• ATT: Attribute Profile，属性协议，GATT就建立在ATT之上。通常二者合称为GATT/ATT。ATT使用尽可能少的字节且每一个属性都被UUID唯一标志
• Chracteristic：特征，可理解成一种类型，BLE设备间通信主要就使用它。Chracteristic包含一个值（Value）、0-n个描述符（Descriptor）、一系列属性（Property，表明该特征所支持的操作）、一些列与安全相关的Permission等。
• Descriptor：描述符，描述特征值（Chracteristic中的value）的定义属性。比如特征值的范围、单位等
• Service：服务，包含一系列Chracteristic。比如心率服务，包含心跳检测特征一个profile可包含n个服务

GATT层级图如下(图片来自蓝牙官网)

GATT Profile Hierarchy.png

7.关于BLE的MTU

MTU（Maximum Transmission Unit）： 即数据的最大传输单元。具体是指一个Chracteristic一次性可传输的数据大小。
蓝牙核心规范（core spec）中定义了ATT的默认MTU为23byte，除去ATT的opcode一个字节以及ATT的handle2个字节之后，剩下的20个字节便是留给GATT的了。由于ATT的最大长度为512byte，故一般认为MTU的最大长度为512个byte。
注：core spec规定每一个设备都必须支持MTU为23。

二、安卓BLE通信开发

用系统api开发参见安卓BLE开发官方文档
这里介绍使用第三方库EasyBle快速开发BLE

1.Gradle依赖

在项目根gradle中添加

allprojects {
    repositories {
        maven { url 'https://jitpack.io' }
    }
}

在具体module的gradle中添加

dependencies {
    implementation 'com.github.Ficat:EasyBle:v2.0.1'
}

2.使用

1)判断设备是否支持BLE并打开蓝牙

    //是否支持BLE
    BleManager.supportBle(context);

    //蓝牙是否打开
    BleManager.isBluetoothOn();
        
    //若蓝牙未打开则首先使用该方法请求用户打开蓝牙，需在传入的activity的onActivityResult中处理请求结果
    BleManager.enableBluetooth(activity,requestCode);

2)获取BleManager并初始化

    //scan/connection不是必须的，若不设置，那么扫描或连接就
    //会使用默认参数
    BleManager.ScanOptions scanOptions = BleManager.ScanOptions
            .newInstance()
            .scanPeriod(10000)
            .scanDeviceName(null);

    BleManager.ConnectOptions connectOptions = BleManager.ConnectOptions
            .newInstance()
            .connectTimeout(12000);

    BleManager manager = BleManager
            .getInstance()
            .setScanOptions(scanOptions)//非必须设置项
            .setConnectionOptions(connectOptions)
            .setLog(true, "TAG")
            .init(this.getApplication());//这里需要Context，但注意不要传Activity

3)扫描

安卓版本不小于6.0的，扫描必须要有定位权限，若版本为Android10及以上，则需精确定位权限(即Manifest.permission.ACCESS_FINE_LOCATION)

    bleManager.startScan(new BleScanCallback() {
        @Override
        public void onLeScan(BleDevice device, int rssi, byte[] scanRecord) {
            String name = device.name;
            String address = device.address;
        }

        @Override
        public void onStart(boolean startScanSuccess, String info) {
            if (startScanSuccess) {
                //开始扫描成功
            } else {
                //未能成功开始扫描，可通过info查看详情
                String failReason = info;
            }
        }

        @Override
        public void onFinish() {
               
        }
    });
    //使用指定扫描参数扫描
    bleManager.startScan(scanOptions, bleScanCallback);

当需要结束扫描时用以下方法结束扫描，建议在扫描到目标设备后停止扫描

    bleManager.stopScan();

4)连接

   BleConnectCallback bleConnectCallback = new BleConnectCallback() {
        @Override
        public void onStart(boolean startConnectSuccess, String info, BleDevice device) {
            if (startConnectSuccess) {
                //开始连接
            } else {
                //未能成功开始连接，可通过info查看详情
                String failReason = info;
            }
        }

        @Override
        public void onFailure(int failCode, String info, BleDevice device) {
            if(failCode == BleConnectCallback.FAIL_CONNECT_TIMEOUT){
                //连接超时
            }else{
                //其他原因导致的连接失败
            }

        }

        @Override
        public void onConnected(BleDevice device) {

        }

        @Override
        public void onDisconnected(String info, int status, BleDevice device) {

        }
    };

   bleManager.connect(bleDevice, bleConnectCallback);
   //使用指定连接选项参数进行连接
   bleManager.connect(bleDevice, connectOptions, bleConnectCallback);

   //使用mac地址连接
   bleManager.connect(address, bleConnectCallback);
   bleManager.connect(address, connectOptions, bleConnectCallback);

当需要断开与设备的连接时可使用以下任一方法断开设备连接

   //断开与指定设备的连接
   bleManager.disconnect(bleDevice);
       
   //传入目标的mac地址断开与该设备的连接
   bleManager.disconnect(address);

   //断开所有已连接设备
   bleManager.disconnectAll();

5)设置通知（notify或indicate）

notify和indicate都使用以下方法

   bleManager.notify(bleDevice, serviceUuid, notifyUuid, new BleNotifyCallback() {
        @Override
        public void onCharacteristicChanged(byte[] data, BleDevice device) {
              
        }
            
        @Override
        public void onNotifySuccess(String notifySuccessUuid, BleDevice device) {

        }

        @Override
        public void onFailure(int failCode, String info, BleDevice device) {
            switch (failCode) {
                case BleCallback.FAIL_DISCONNECTED://连接断开
                    break;
                case BleCallback.FAIL_OTHER://其他原因
                    break;
                default:
                    break;
            }

        }
    });

当需要取消notify或indicate时调用以下方法

   bleManager.cancelNotify(bleDevice, notifyUuid);

6)写入特征数据

    bleManager.write(bleDevice, serviceUuid, writeUuid, data, new BleWriteCallback() {
        @Override
        public void onWriteSuccess(byte[] data, BleDevice device) {

        }

        @Override
        public void onFailure(int failCode, String info, BleDevice device) {

        }
    });

如果一次性写入的数据长度大于MTU即最大传输单元（默认是20字节），则可以使用下列方法进行分批写入

   bleManager.writeByBatch(bleDevice, serviceUuid, writeUuid, data, lengthPerPackage, new  BleWriteByBatchCallback() {
        @Override
        public void writeByBatchSuccess(byte[] data, BleDevice device) {

        }

        @Override
        public void onFailure(int failCode, String info, BleDevice device) {

        }
    });

7)Destroy

当结束BLE通信时不要忘了调用destroy

   bleManager.destroy();

其他api

本文参考：
1.https://www.bluetooth.com/specifications/gatt
2.https://blog.csdn.net/tracy_luffy/article/details/4166263