Android Kotlin&BLE(低功耗蓝牙) 笔记

  • BLE 与经典蓝牙的区别
  • BLE 的 Kotlin 下实践

经典蓝牙(Classic Bluetooth)& 低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy)

  • 经典蓝牙可以用与数据量比较大的传输,如语音,音乐,较高数据量传输等。

  • BLE 特点就如其名,功耗更低的同时,对数据包做出了限制。所以适用于实时性要求比较高,但是数据速率比较低的产品,如鼠标,键盘,传感设备的数据发送等。

蓝牙 4.0 支持单模和双模两种部署方式,其中单模即是我们说的 BLE,而双模指的是 Classic Bluetooth + BLE 。
实际上,BLE 和经典蓝牙的使用等各方面都像是没有关联的两个东西,甚至因为 BLE 的通讯机制不同,所以是不能向下兼容的;经典蓝牙则可以兼容到蓝牙 3.0 / 2.1。

经典蓝牙

参考官方文档(注意科学上网),因为有中文文档,所以只要看这一篇文档就可以应付一般的开发了。

最重要的是这一次项目里的硬件貌似不能支持经典蓝牙,所以并没有实践的机会。

BLE

同样,有条件一定要去看官方文档,然而这一次并没有中文版,或许可以找一些国内大佬们翻译的版本。
还有就是大佬 JBD 写的 Android BLE 蓝牙开发入门 ,而且还用 RxJava 封装成一个库可以直接调用:RxBLE ,是真的厉害,不妨去学习学习。

  • 概念与常用 API

UUID:每个服务和特征都会有唯一的 UUID ,由硬件决定。
服务(Service):蓝牙设备中可以定义多个服务,相当于功能的集合。
特征(Characteristic):一个服务可以包含多个特征,可以通过 UUID 获取到对应的特征的实例,通过这个实例就可以向蓝牙设备发送 / 读取数据。

BluetoothDeivce:调用 startLeScan()获取该实例,用于连接设备。
BluetoothManager:蓝牙管理器,调用 getSystemService() 获取,用于获取蓝牙适配器和管理所有和蓝牙相关的东西。
BluetoothAdapter:蓝牙适配器,通过 BluetoothManager 获取,用于打开蓝牙、开始扫描设备等操作。
BluetoothGatt:通用属性协议, 定义了BLE通讯的基本规则,就是通过把数据包装成服务和特征的约定过程。
BluetoothGattCallback:一个回调类,非常重要而且会频繁使用,用于回调 GATT 通信的各种状态和结果。
BluetoothGattService:服务,通过 BluetoothGatt 实例调用 getService(UUID) 获取
BluetoothGattCharacteristic:特征,通过 BluetoothGattService 实例调用 getCharacteristic(UUID) 获取,是 GATT 通信中的最小数据单元。
BluetoothGattDescriptor:特征描述符,对特征的额外描述,包括但不仅限于特征的单位,属性等。

  • 声明权限
<uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH"/> 
<uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH_ADMIN"/> 
<!-- Android 5.0 及以上需要添加 GPS 权限 -->
<uses-feature android:name="android.hardware.location.gps" />
<!-- Android 6.0 及以上需要添加定位权限 -->
<uses-permission android:name="android.permission.ACCESS_COARSE_LOCATION"/>
  • 初始化
fun initBluetoothAdapter(){
    val bluetoothManager = getSystemService(Context.BLUETOOTH_SERVICE) as BluetoothManager
    val bluetoothAdapter = bluetoothManager.adapter
    //如果蓝牙没有打开则向用户申请
    if (bluetoothAdapter == null || !bluetoothAdapter.isEnabled)
        bluetoothAdapter.enable()
}
  • 扫描设备与停止扫描
var mDevice : BluetoothDevice ?= null
//扫描结果的回调,开始扫描后会多次调用该方法
val mLeScanCallback = BluetoothAdapter.LeScanCallback { device, rssi, scanRecord ->
    //通过对比设备的 mac 地址获取需要的实例
    if(device.address == "50:F1:4A:A1:77:00"){
        mDevice = device
    }
}
//开始扫描之前判断是否开启了蓝牙,enable 为 false 可以停止扫描
fun scanLeDeviceWithBLE(enable:Boolean = true){
    if (mBluetoothAdapter == null)
        initBluetoothAdapter()

    if (mBluetoothAdapter?.isEnabled as Boolean){
        mBluetoothAdapter?.enable()
    }
    if (enable){
        mScanning = true
        mBluetoothAdapter?.startLeScan(mLeScanCallback)
        TimeUtilWithoutKotlin.Delay(8,TimeUnit.SECONDS).setTodo {
            mBluetoothAdapter?.stopLeScan(mLeScanCallback)
            mScanning = false
        }
    }else {
        //停止扫描,在连接设备时最好调用 stopLeScan()
        mBluetoothAdapter?.stopLeScan(mLeScanCallback)
        mScanning = false
    }
}

其实 startLeScan() 已经被声明为过时,所以开始扫描还有其他的方法:

private fun startDiscover() {
    //这种方法需要注册接收广播,获取扫描结果。
    val bluetoothAdapter = BluetoothAdapter.getDefaultAdapter()
    bluetoothAdapter?.startDiscovery()
}
//注册广播,监听 BluetoothDevice.ACTION_FOUND 获取扫描结果
private inner class DeviceReceiver : BroadcastReceiver() {
    override fun onReceive(context: Context, intent: Intent) {
        val action = intent.action
        if (BluetoothDevice.ACTION_FOUND.equals(action)) {
            val device = intent
                    .getParcelableExtra<BluetoothDevice>(BluetoothDevice.EXTRA_DEVICE)
            Log.e("Service","device: ${device.address}")
        }
    }
}
  • 连接蓝牙设备
    此时已经获取到了蓝牙设备的实例:mDevice,开始连接
fun connectWithBluetoothDevice(){
    if (null == mDevice){
        toast("can not find device")
        return
    }
    if(mScanning){
        //如果正在扫描设备,则停止扫描
        scanLeDeviceWithBLE(false)
    }
    mDevice?.connectGatt(this,false,mBluetoothGattCallback)
}

关于 connectGatt() 的几个参数:

public BluetoothGatt connectGatt(Context context, boolean autoConnect,
                                     BluetoothGattCallback callback)

第二个参数,autoConnect 为 true 时,如果设备断开了连接将会不断的尝试连接。
第三个 BluetoothGattCallback 是一个接受回调的对象,也是这一部分的重点。
先看一下完整的 BluetoothGattCallback:

val mBluetoothGattCallback = object :BluetoothGattCallback(){

    override fun onConnectionStateChange(gatt: BluetoothGatt?, status: Int, newState: Int) {
        super.onConnectionStateChange(gatt, status, newState)
        if (newState == BluetoothProfile.STATE_CONNECTED){
            //开始搜索服务
            gatt?.discoverServices()
        }
        if (newState == BluetoothProfile.STATE_DISCONNECTED) {
            gatt?.close()
        }
        if(newState == BluetoothProfile.STATE_CONNECTING){
            //设备在连接中
        }
    }

    //成功发现服务的回调
    override fun onServicesDiscovered(gatt: BluetoothGatt?, status: Int) {
        super.onServicesDiscovered(gatt, status)

        if (gatt == null) {
            return
        }

        //设置回调,打开 Android 端接收通知的开关,用 Descriptor 开启通知的数据开关
        //这里的三个 UUID 都是由硬件决定的
        val bluetoothGattService = gatt.getService(UUID_0)
        val characteristic = bluetoothGattService.getCharacteristic(UUID_1)
        val descriptor = characteristic.getDescriptor(UUID_2)
        if (descriptor == null) {
            gatt.disconnect()
            return
        }

        //打开 Android 端开关
        if (!gatt.setCharacteristicNotification(characteristic, true)) {
            //打开失败
        }

        //假如写入数据成功,则会回调下面的 onDescriptorWrite() 方法
        //所以在 onDescriptorWrite() 方法中向硬件写入数据
        descriptor.value = BluetoothGattDescriptor.ENABLE_NOTIFICATION_VALUE
        if (!gatt.writeDescriptor(descriptor)) {
            //写入失败
        }
      
    }

    //调用 writeDescriptor 的回调
    override fun onDescriptorWrite(gatt: BluetoothGatt?, descriptor: BluetoothGattDescriptor?, status: Int) {
        super.onDescriptorWrite(gatt, descriptor, status)

        val bluetoothGattService = gatt?.getService(UUID_SERVICE_CHANNEL)
        val characteristic = bluetoothGattService?.getCharacteristic(UUID_CHARACTERISTIC_CHANNEL)
        if (characteristic == null){
            //获取特征失败,直接断开连接
            gatt?.disconnect()
            return
        }
        //mSendValue 即要往硬件发送的数据
        //如果这里写入数据成功会回调下面的 onCharacteristicWrite() 方法
        characteristic.value = mSendValue
        if (!gatt.writeCharacteristic(characteristic)){
            //写入数据失败,断开连接
            gatt.disconnect()
        }
    }

    //调用 writeCharacteristic 的回调
    override fun onCharacteristicWrite(gatt: BluetoothGatt?, characteristic: BluetoothGattCharacteristic?, status: Int) {
        super.onCharacteristicWrite(gatt, characteristic, status)

        val stringBuilder = StringBuilder()
        characteristic?.value
                ?.filter  { it > 0 }
                ?.forEach { stringBuilder.append(String.format("%c", it)) }
        //这时候 stringBuilder 应该和上面 mSendValue 是一样的
   }

    //硬件返回数据的回调,由于设置了回调,所以当硬件返回数据时会调用这个方法
    override fun onCharacteristicChanged(gatt: BluetoothGatt?, characteristic: BluetoothGattCharacteristic?) {
        super.onCharacteristicChanged(gatt, characteristic)

        val stringBuilder = StringBuilder()
        characteristic?.value?.forEach {
            val b = it
            hexStringBuilder.append(Integer.toHexString(b.toInt()))
            stringBuilder.append(String.format("%c",b))
        }
        runOnUiThread { toast("$stringBuilder") }
        //接受到数据之后就可以断开连接了
        gatt?.disconnect()
    }
}

首先是 onConnectionStateChange(gatt,status,newState)
这个方法在成功连接、断开连接等状态改变的时候回调,所以一开始会先进入这个方法。
参数中, newState 代表当前设备的连接的状态:

/** The profile is in disconnected state */
public static final int STATE_DISCONNECTED  = 0;
/** The profile is in connecting state */
public static final int STATE_CONNECTING    = 1;
/** The profile is in connected state */
public static final int STATE_CONNECTED     = 2;
/** The profile is in disconnecting state */
public static final int STATE_DISCONNECTING = 3;

所以当 newState 为 2 的时候就是刚连上设备的时候,这时候可以调用
gatt.discoverServices() 开始异步的查找蓝牙服务:

if (newState == BluetoothProfile.STATE_CONNECTED){
      //发现服务
      gatt?.discoverServices()
} 

执行了discoverServices()后,若找到可用的服务,系统又会回调 mBluetoothGattCallback 里的onServicesDiscovered() 方法,所以添加:

override fun onServicesDiscovered(gatt: BluetoothGatt?, status: Int) {

    val bluetoothGattService = gatt?.getService(UUID_0)
    val characteristic = bluetoothGattService?.getCharacteristic(UUID_1)
    if (characteristic == null){
        //获取特征的实例失败,断开连接
        gatt?.disconnect()
        return
    }
    //向硬件写入数据
    characteristic.value = mSendValue
    if (!gatt.writeCharacteristic(characteristic)){
        //当上面的方法返回 false 时,写入数据失败
        gatt.disconnect()
    }
}

如果成功写入数据,系统回调mBluetoothGattCallbackonCharacteristicWrite()方法:

override fun onCharacteristicWrite(gatt: BluetoothGatt?, characteristic: BluetoothGattCharacteristic?, status: Int) {
    super.onCharacteristicWrite(gatt, characteristic, status)
    
    //这里遍历 characteristic 中的 value,拼接在一起后成为一个 stringBuilder
    //stringBuilder 应该和发送给硬件的数据是一样的
    val stringBuilder = StringBuilder()
    characteristic?.value
            ?.filter  { it > 0 }
            ?.forEach { stringBuilder.append(String.format("%c", it)) }

     //断开连接,这一句最好延迟几秒后执行
     gatt?.disconnect()
}

上面的代码可以成功往硬件发送数据,但是不能接受硬件返回的数据。
如果想要接受硬件返回的数据,需要在 onServicesDiscovered(),也就是连上服务后,先不发送数据而是设置硬件返回数据的开关:

//设置回调:打开 Android 端接收通知的开关;并且向 Descriptor 写入数据来开启通知
val bluetoothGattService = gatt.getService(UUID_SERVICE_CHANNEL)
val characteristic = bluetoothGattService.getCharacteristic(UUID_CHARACTERISTIC_CHANNEL)
val descriptor = characteristic.getDescriptor(CLIENT_CHARACTERISTIC_CONFIG_DESCRIPTOR_UUID)
val descriptors = characteristic.descriptors
if (descriptors == null) {
    //获取特征描述符失败,断开连接
    gatt.disconnect()
    return
}
//打开 Android 端开关
if (!gatt.setCharacteristicNotification(characteristic, true)) {
    //失败的处理
}
//向硬件写入一些数据,打开硬件返回数据的开关
descriptor.value = BluetoothGattDescriptor.ENABLE_NOTIFICATION_VALUE
if (!gatt.writeDescriptor(descriptor)) {
    //写入数据失败
}

实际上向硬件写入数据这一段代码有时候是可以省略的,只需要打开 Android 段的开关即可接收到返回的数据,可能是和硬件有关。
这样一来,就不能继续在 onServicesDiscovered() 执行写入数据的代码,改为在 onDescriptorWrite() 中执行。

如果写过经典蓝牙的就知道,如果说两者的搜索操作还差不多的话,连接操作和写入操作就是完全不同的东西了。

经典蓝牙可以获取到一个类似 TCP 中 Socket 的对象,然后获取 InputStreamOutputStream,二者分别通过套接字以及 getInputStream()getOutputStream()来处理数据传输。

而 BLE 中需要通过不同的 UUID 获取对应的服务、特征才可以写入数据。

以上就是 BLE 最简单的实现,进一步的封装等就去看上面介绍的 RxBLE 吧。

还有就是用 Kotlin 写的 MainActivity 部分,放在这里其实感觉很奇怪,奈何尽量不做标题党还是贴上来:

class MainActivity : AppCompatActivity() {
    
    override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
        super.onCreate(savedInstanceState)

        verticalLayout {
            gravity = CENTER
            linearLayout {
                orientation = LinearLayout.VERTICAL
                button("搜索设备"){
                    setOnClickListener {
                        mBinder?.startScanLeDevice()
                    }
                }.lparams(width = matchParent,height = wrapContent){
                    padding = dip(5)
                    margin = dip(10)
                }

                button("发送开锁指令"){
                    padding = dip(10)
                    setOnClickListener{
                        mBinder?.connect()
                    }
                }.lparams(width = matchParent,height = wrapContent){
                    padding = dip(5)
                    margin = dip(10)
                }
            }

        }
        val intent = Intent(this, BluetoothService::class.java)
        bindService(intent,mConnect,Context.BIND_AUTO_CREATE)
    }

    override fun onDestroy() {
        super.onDestroy()
        mDisposable?.dispose()
    }

    var mBinder : BluetoothService.MBinder ?= null
    var mDisposable : Disposable ?= null
    val mConnect = object : ServiceConnection {
        override fun onServiceConnected(name: ComponentName, service: IBinder) {
            mBinder = service as BluetoothService.MBinder
        }
        override fun onServiceDisconnected(name: ComponentName) {

        }
    }
}

BLE 相关的代码是写在了 Service 中,通过绑定时返回的 mBinder 来调用 Service 中的方法。

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