Android BLE开发

最近入职一家公司做物联网模块，我负责手机蓝牙和设备通信模块。经过几天的摸索与实践，做一下笔记和分享。

一、理解BLE，先上理论

1.1简介

蓝牙是一种近距离无线通信技术。它的特性就是近距离通信，典型距离是 10 米以内，传输速度最高可达 24 Mbps，支持多连接，安全性高，非常适合用智能设备上。

1.2 蓝牙技术的版本演进

1999年发布1.0版本，目前市面上已很少见到；
2002年发布1.1版本，目前市面上已很少见到；
2004年发布2.0版本，目前市面上已很少见到；
2007年发布的2.1版本，是之前使用最广的，也是我们所谓的经典蓝牙。
2009年推出蓝牙 3.0版本，也就是所谓的高速蓝牙，传输速率理论上可高达24 Mbit/s；
2010年推出蓝牙4.0版本，它是相对之前版本的集大成者，它包括经典蓝牙、高速蓝牙和蓝牙低功耗协议。经典蓝牙包括旧有蓝牙协议，高速蓝牙基于Wi-Fi，低功耗蓝牙就是BLE。
2016年蓝牙技术联盟提出了新的蓝牙技术标准，即蓝牙5.0版本。蓝牙5.0针对低功耗设备速度有相应提升和优化，结合wifi对室内位置进行辅助定位，提高传输速度，增加有效工作距离，主要是针对物联网方向的改进。

1.3Android上BLE功能的逐步演进

在Android开发过程中，版本的碎片化一直是需要考虑的问题，再加上厂商定制及蓝牙本身也和Android一样一直在发展过程中，所以对于每一个版本支持什么功能，是我们需要知道的。

Android 4.3 开始，开始支持BLE功能，但只支持Central Mode（中心模式）
Android 5.0开始，开始支持Peripheral Mode（外设模式）

中心模式和外设模式是什么意思？

Central Mode： Android端作为中心设备，连接其他外围设备。
Peripheral Mode：Android端作为外围设备，被其他中心设备连接。在Android 5.0支持外设模式之后，才算实现了两台Android手机通过BLE进行相互通信。

1.4 理解GATT协议

大部分情况下，外设通过广播自己来让中心设备发现自己，并建立 GATT 连接，从而进行更多的数据交换。这里有且仅有两个角色，发起连接的一方，叫做中心设备—Central，被连接的设备，叫做外设—Peripheral。

外围设备：这一般就是非常小或者简单的低功耗设备，用来提供数据，并连接到一个更加相对强大的中心设备，例如小米手环。
中心设备：中心设备相对比较强大，用来连接其他外围设备，例如手机等。

GATT 连接需要特别注意的是：GATT 连接是独占的。也就是一个 BLE 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。当设备断开，它又开始广播。中心设备和外设需要双向通信的话，唯一的方式就是建立 GATT 连接。

GATT 通信的双方是 C/S 关系。外设作为 GATT 服务端（Server），它维持了 ATT 的查找表以及 service 和 characteristic 的定义。中心设备是 GATT 客户端（Client），它向 Server 发起请求。需要注意的是，所有的通信事件，都是由客户端发起，并且接收服务端的响应。

1.5BLE通信基础

BLE通信的基础有两个重要的概念，ATT和GATT。

ATT
全称 attribute protocol，中文名“属性协议”。它是 BLE 通信的基础。ATT 把数据封装，向外暴露为“属性”，提供“属性”的为服务端，获取“属性”的为客户端。ATT 是专门为低功耗蓝牙设计的，结构非常简单，数据长度很短。
GATT
全称 Generic Attribute Profile，中文名“通用属性配置文件”。它是在ATT 的基础上，对 ATT 进行的进一步逻辑封装，定义数据的交互方式和含义。GATT是我们做 BLE 开发的时候直接接触的概念。
GATT 层级
GATT按照层级定义了4个概念：配置文件（Profile）、服务（Service）、特征（Characteristic）和描述（Descriptor）。他们的关系是这样的：Profile 就是定义了一个实际的应用场景，一个 Profile包含若干个 Service，一个 Service 包含若干个 Characteristic，一个 Characteristic 可以包含若干 Descriptor。

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Profile
Profile 并不是实际存在于 BLE 外设上的，它只是一个被 Bluetooth SIG 或者外设设计者预先定义的 Service 的集合。例如心率Profile（Heart Rate Profile）就是结合了 Heart Rate Service 和 Device Information Service。所有官方通过 GATT Profile 的列表可以从这里找到。
Service
Service 是把数据分成一个个的独立逻辑项，它包含一个或者多个 Characteristic。每个 Service 有一个 UUID 唯一标识。 UUID 有 16 bit 的，或者 128 bit 的。16 bit 的 UUID 是官方通过认证的，需要花钱购买，128 bit 是自定义的，这个就可以自己随便设置。官方通过了一些标准 Service，完整列表在这里。以 Heart Rate Service为例，可以看到它的官方通过 16 bit UUID 是 0x180D，包含 3 个 Characteristic：Heart Rate Measurement, Body Sensor Location 和 Heart Rate Control Point，并且定义了只有第一个是必须的，它是可选实现的。
Characteristic
需要重点提一下Characteristic，它定义了数值和操作，包含一个Characteristic声明、Characteristic属性、值、值的描述(Optional)。通常我们讲的 BLE 通信，其实就是对 Characteristic 的读写或者订阅通知。比如在实际操作过程中，我对某一个Characteristic进行读，就是获取这个Characteristic的value。
UUID
Service、Characteristic 和 Descriptor 都是使用 UUID 唯一标示的。

UUID 是全局唯一标识，它是 128bit 的值，为了便于识别和阅读，一般以 “8位-4位-4位-4位-12位”的16进制标示，比如“12345678-abcd-1000-8000-123456000000”。

但是，128bit的UUID 太长，考虑到在低功耗蓝牙中，数据长度非常受限的情况，蓝牙又使用了所谓的 16 bit 或者 32 bit 的 UUID，形式如下：“0000XXXX-0000-1000-8000-00805F9B34FB”。除了 “XXXX” 那几位以外，其他都是固定，所以说，其实 16 bit UUID 是对应了一个 128 bit 的 UUID。这样一来，UUID 就大幅减少了，例如 16 bit UUID只有有限的 65536（16的四次方）个。与此同时，因为数量有限，所以 16 bit UUID 并不能随便使用。蓝牙技术联盟已经预先定义了一些 UUID，我们可以直接使用，比如“00001011-0000-1000-8000-00805F9B34FB”就一个是常见于BLE设备中的UUID。当然也可以花钱定制自定义的UUID。

1.6通讯原理

是一步步的通过uuid找到服务、在服务中通过uuid找Characteristic、再通过uuid找到Descriptor。

二、制定自己的通讯协议

Android要和设备通讯，要有自己的通讯协议，其实也是符合自己的传输规则。因为设备数据量特别小，都是以字节来衡量的。我们的制定的协议是参考“以太网”，当然没有它们那么复杂，具体确定要和嵌入式软件工程师协商确定，也是根据项目的业务。参考以太网：