物聯網入口之一Android藍牙4.0

轉載請註明本文出自Cym的博客（http://blog.csdn.net/cym492224103），謝謝支持！

如果還有同學不知道藍牙4.0可以做什麼請查看Android+藍牙 4.0 將帶來什麼？，現在可以穿戴設備也大多用的是藍牙4.0，如 智能體質秤，智能手環，智能血壓計等等。

原文地址：http://developer.android.com/guide/topics/connectivity/bluetooth-le.html

安卓4.3(API 18)爲BLE的核心功能提供平臺支持和API，App可以利用它來發現設備、查詢服務和讀寫特性。相比傳統的藍牙，BLE更顯著的特點是低功耗。這一優點使android App可以與具有低功耗要求的BLE設備通信，如近距離傳感器、心臟速率監視器、健身設備等。

關鍵術語和概念

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• Generic Attribute Profile（GATT）—GATT配置文件是一個通用規範，用於在BLE鏈路上發送和接收被稱爲“屬性”的數據塊。目前所有的BLE應用都基於GATT。 藍牙SIG規定了許多低功耗設備的配置文件。配置文件是設備如何在特定的應用程序中工作的規格說明。注意一個設備可以實現多個配置文件。例如，一個設備可能包括心率監測儀和電量檢測。
• Attribute Protocol（ATT）—GATT在ATT協議基礎上建立，也被稱爲GATT/ATT。ATT對在BLE設備上運行進行了優化，爲此，它使用了儘可能少的字節。每個屬性通過一個唯一的的統一標識符（UUID）來標識，每個String類型UUID使用128 bit標準格式。屬性通過ATT被格式化爲characteristics和services。
• Characteristic 一個characteristic包括一個單一變量和0-n個用來描述characteristic變量的descriptor，characteristic可以被認爲是一個類型，類似於類。
• Descriptor Descriptor用來描述characteristic變量的屬性。例如，一個descriptor可以規定一個可讀的描述，或者一個characteristic變量可接受的範圍，或者一個characteristic變量特定的測量單位。
• Service service是characteristic的集合。例如，你可能有一個叫“Heart Rate Monitor(心率監測儀)”的service，它包括了很多characteristics，如“heart rate measurement(心率測量)”等。你可以在bluetooth.org 找到一個目前支持的基於GATT的配置文件和服務列表。

角色和責任

以下是Android設備與BLE設備交互時的角色和責任：

• 中央 VS 外圍設備。 適用於BLE連接本身。中央設備掃描，尋找廣播；外圍設備發出廣播。
• GATT 服務端 VS GATT 客戶端。決定了兩個設備在建立連接後如何互相交流。

爲了方便理解，想象你有一個Android手機和一個用於活動跟蹤BLE設備，手機支持中央角色，活動跟蹤器支持外圍（爲了建立BLE連接你需要注意兩件事，只支持外圍設備的兩方或者只支持中央設備的兩方不能互相通信）。

當手機和運動追蹤器建立連接後，他們開始向另一方傳輸GATT數據。哪一方作爲服務器取決於他們傳輸數據的種類。例如，如果運動追蹤器想向手機報告傳感器數據，運動追蹤器是服務端。如果運動追蹤器更新來自手機的數據，手機會作爲服務端。

在這份文檔的例子中，android app(運行在android設備上）作爲GATT客戶端。app從gatt服務端獲得數據，gatt服務端即支持Heart Rate Profile(心率配置）的BLE心率監測儀。但是你可以自己設計android app去扮演GATT服務端角色。更多信息見BluetoothGattServer。

BLE權限

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爲了在app中使用藍牙功能，必須聲明藍牙權限BLUETOOTH。利用這個權限去執行藍牙通信，例如請求連接、接受連接、和傳輸數據。

如果想讓你的app啓動設備發現或操縱藍牙設置，必須聲明BLUETOOTH_ADMIN權限。注意：如果你使用BLUETOOTH_ADMIN權限，你也必須聲明BLUETOOTH權限。

在你的app manifest文件中聲明藍牙權限。

<uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH"/>
<uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH_ADMIN"/>

如果想聲明你的app只爲具有BLE的設備提供，在manifest文件中包括：

<uses-feature android:name="android.hardware.bluetooth_le" android:required="true"/>

但是如果想讓你的app提供給那些不支持BLE的設備，需要在manifest中包括上面代碼並設置required="false"，然後在運行時可以通過使用PackageManager.hasSystemFeature()確定BLE的可用性。

<span style="font-size:14px;font-weight: normal;">// 使用此檢查確定BLE是否支持在設備上，然後你可以有選擇性禁用BLE相關的功能
if (!getPackageManager().hasSystemFeature(PackageManager.FEATURE_BLUETOOTH_LE)) {
    Toast.makeText(this, R.string.ble_not_supported, Toast.LENGTH_SHORT).show();
    finish();
}</span>

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設置BLE

你的app能與BLE通信之前，你需要確認設備是否支持BLE，如果支持，確認已經啓用。注意如果<uses-feature.../>設置爲false，這個檢查纔是必需的。

如果不支持BLE，那麼你應該適當地禁用部分BLE功能。如果支持BLE但被禁用，你可以無需離開應用程序而要求用戶啓動藍牙。使用BluetoothAdapter兩步完成該設置。

1. 獲取 BluetoothAdapter

   所有的藍牙活動都需要藍牙適配器。BluetoothAdapter代表設備本身的藍牙適配器(藍牙無線）。整個系統只有一個藍牙適配器，而且你的app使用它與系統交互。下面的代碼片段顯示瞭如何得到適配器。注意該方法使用getSystemService（）]返回BluetoothManager，然後將其用於獲取適配器的一個實例。Android 4.3（API 18）引入BluetoothManager。

// 初始化藍牙適配器
final BluetoothManager bluetoothManager =
        (BluetoothManager) getSystemService(Context.BLUETOOTH_SERVICE);
mBluetoothAdapter = bluetoothManager.getAdapter();

1. 開啓藍牙

   接下來，你需要確認藍牙是否開啓。調用isEnabled())去檢測藍牙當前是否開啓。如果該方法返回false,藍牙被禁用。下面的代碼檢查藍牙是否開啓，如果沒有開啓，將顯示錯誤提示用戶去設置開啓藍牙。

// 確保藍牙在設備上可以開啓
if (mBluetoothAdapter == null || !mBluetoothAdapter.isEnabled()) {
   Intent enableBtIntent = new Intent(BluetoothAdapter.ACTION_REQUEST_ENABLE);
   startActivityForResult(enableBtIntent, REQUEST_ENABLE_BT);
}

發現BLE設備

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爲了發現BLE設備，使用startLeScan())方法。這個方法需要一個參數BluetoothAdapter.LeScanCallback。你必須實現它的回調函數，那就是返回的掃描結果。因爲掃描非常消耗電量，你應當遵守以下準則：

• 只要找到所需的設備，停止掃描。
• 不要在循環裏掃描，並且對掃描設置時間限制。以前可用的設備可能已經移出範圍，繼續掃描消耗電池電量。

下面代碼顯示瞭如何開始和停止一個掃描：

/**
 * 掃描和顯示可以提供的藍牙設備.
 */
public class DeviceScanActivity extends ListActivity {
    private BluetoothAdapter mBluetoothAdapter;
    private boolean mScanning;
    private Handler mHandler;
    // 10秒後停止尋找.
    private static final long SCAN_PERIOD = 10000;
    ...
    private void scanLeDevice(final boolean enable) {
        if (enable) {
            // 經過預定掃描期後停止掃描
            mHandler.postDelayed(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    mScanning = false;
                    mBluetoothAdapter.stopLeScan(mLeScanCallback);
                }
            }, SCAN_PERIOD);
            mScanning = true;
            mBluetoothAdapter.startLeScan(mLeScanCallback);
        } else {
            mScanning = false;
            mBluetoothAdapter.stopLeScan(mLeScanCallback);
        }
        ...
    }
...
}

作爲BLE掃描結果的接口，下面是BluetoothAdapter.LeScanCallback的實現。如果你只想掃描指定類型的外圍設備，可以改爲調用startLeScan(UUID[], BluetoothAdapter.LeScanCallback)),需要提供你的app支持的GATT services的UUID對象數組。

private LeDeviceListAdapter mLeDeviceListAdapter;
...
// Device scan callback.
private BluetoothAdapter.LeScanCallback mLeScanCallback =
        new BluetoothAdapter.LeScanCallback() {
    @Override
    public void onLeScan(final BluetoothDevice device, int rssi,
            byte[] scanRecord) {
        runOnUiThread(new Runnable() {
           @Override
           public void run() {
               mLeDeviceListAdapter.addDevice(device);
               mLeDeviceListAdapter.notifyDataSetChanged();
           }
       });
   }
};

連接到GATT服務端注意：只能掃描BLE設備或者掃描傳統藍牙設備，不能同時掃描BLE和傳統藍牙設備。

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與一個BLE設備交互的第一步就是連接它——更具體的，連接到BLE設備上的GATT服務端。爲了連接到BLE設備上的GATT服務端，需要使用connectGatt( )方法。這個方法需要三個參數：一個Context對象，自動連接（boolean值,表示只要BLE設備可用是否自動連接到它），和BluetoothGattCallback調用。

mBluetoothGatt = device.connectGatt(this, false, mGattCallback);

在這個例子中，這個BLE APP提供了一個activity（DeviceControlActivity)來連接，顯示數據，顯示該設備支持的GATT services和characteristics。根據用戶的輸入，這個activity與BluetoothLeService通信，通過Android BLE API實現與BLE設備交互。連接到GATT服務端時，由BLE設備做主機，並返回一個BluetoothGatt實例，然後你可以使用這個實例來進行GATT客戶端操作。請求方（Android app)是GATT客戶端。BluetoothGattCallback用於傳遞結果給用戶，例如連接狀態，以及任何進一步GATT客戶端操作。

//通過BLE API服務端與BLE設備交互
public class BluetoothLeService extends Service {
    private final static String TAG = BluetoothLeService.class.getSimpleName();
    private BluetoothManager mBluetoothManager; //藍牙管理器
    private BluetoothAdapter mBluetoothAdapter; //藍牙適配器
    private String mBluetoothDeviceAddress; //藍牙設備地址
    private BluetoothGatt mBluetoothGatt;
    private int mConnectionState = STATE_DISCONNECTED;
    private static final int STATE_DISCONNECTED = 0; //設備無法連接
    private static final int STATE_CONNECTING = 1;  //設備正在連接狀態
    private static final int STATE_CONNECTED = 2;   //設備連接完畢
    public final static String ACTION_GATT_CONNECTED =
            "com.example.bluetooth.le.ACTION_GATT_CONNECTED";
    public final static String ACTION_GATT_DISCONNECTED =
            "com.example.bluetooth.le.ACTION_GATT_DISCONNECTED";
    public final static String ACTION_GATT_SERVICES_DISCOVERED =
            "com.example.bluetooth.le.ACTION_GATT_SERVICES_DISCOVERED";
    public final static String ACTION_DATA_AVAILABLE =
            "com.example.bluetooth.le.ACTION_DATA_AVAILABLE";
    public final static String EXTRA_DATA =
            "com.example.bluetooth.le.EXTRA_DATA";
    public final static UUID UUID_HEART_RATE_MEASUREMENT =
            UUID.fromString(SampleGattAttributes.HEART_RATE_MEASUREMENT);
    //通過BLE API的不同類型的回調方法
    private final BluetoothGattCallback mGattCallback =
            new BluetoothGattCallback() {
        @Override
        public void onConnectionStateChange(BluetoothGatt gatt, int status,
                int newState) {//當連接狀態發生改變
            String intentAction;
            if (newState == BluetoothProfile.STATE_CONNECTED) {//當藍牙設備已經連接
                intentAction = ACTION_GATT_CONNECTED;
                mConnectionState = STATE_CONNECTED;
                broadcastUpdate(intentAction);
                Log.i(TAG, "Connected to GATT server.");
                Log.i(TAG, "Attempting to start service discovery:" +
                        mBluetoothGatt.discoverServices());
            } else if (newState == BluetoothProfile.STATE_DISCONNECTED) {//當設備無法連接
                intentAction = ACTION_GATT_DISCONNECTED;
                mConnectionState = STATE_DISCONNECTED;
                Log.i(TAG, "Disconnected from GATT server.");
                broadcastUpdate(intentAction);
            }
        }
        @Override
        // 發現新服務端
        public void onServicesDiscovered(BluetoothGatt gatt, int status) {
            if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
                broadcastUpdate(ACTION_GATT_SERVICES_DISCOVERED);
            } else {
                Log.w(TAG, "onServicesDiscovered received: " + status);
            }
        }
        @Override
        // 讀寫特性
        public void onCharacteristicRead(BluetoothGatt gatt,
                BluetoothGattCharacteristic characteristic,
                int status) {
            if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
                broadcastUpdate(ACTION_DATA_AVAILABLE, characteristic);
            }
        }
     ...
    };
...
}

當一個特定的回調被觸發的時候，它會調用相應的broadcastUpdate()輔助方法並且傳遞給它一個action。注意在該部分中的數據解析按照藍牙心率測量配置文件規格進行。

private void broadcastUpdate(final String action) {
    final Intent intent = new Intent(action);
    sendBroadcast(intent);
}
private void broadcastUpdate(final String action,
                             final BluetoothGattCharacteristic characteristic) {
    final Intent intent = new Intent(action);
    // 這是心率測量配置文件。
    if (UUID_HEART_RATE_MEASUREMENT.equals(characteristic.getUuid())) {
        int flag = characteristic.getProperties();
        int format = -1;
        if ((flag & 0x01) != 0) {
            format = BluetoothGattCharacteristic.FORMAT_UINT16;
            Log.d(TAG, "Heart rate format UINT16.");
        } else {
            format = BluetoothGattCharacteristic.FORMAT_UINT8;
            Log.d(TAG, "Heart rate format UINT8.");
        }
        final int heartRate = characteristic.getIntValue(format, 1);
        Log.d(TAG, String.format("Received heart rate: %d", heartRate));
        intent.putExtra(EXTRA_DATA, String.valueOf(heartRate));
    } else {
        // 對於所有其他的配置文件，用十六進制格式寫數據
        final byte[] data = characteristic.getValue();
        if (data != null && data.length > 0) {
            final StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder(data.length);
            for(byte byteChar : data)
                stringBuilder.append(String.format("%02X ", byteChar));
            intent.putExtra(EXTRA_DATA, new String(data) + "\n" +
                    stringBuilder.toString());
        }
    }
    sendBroadcast(intent);
}

返回DeviceControlActivity, 這些事件由一個BroadcastReceiver來處理:

// 通過服務控制不同的事件
// ACTION_GATT_CONNECTED: 連接到GATT服務端
// ACTION_GATT_DISCONNECTED: 未連接GATT服務端.
// ACTION_GATT_SERVICES_DISCOVERED: 未發現GATT服務.
// ACTION_DATA_AVAILABLE: 接受來自設備的數據，可以通過讀或通知操作獲得。
private final BroadcastReceiver mGattUpdateReceiver = new BroadcastReceiver() {
    @Override
    public void onReceive(Context context, Intent intent) {
        final String action = intent.getAction();
        if (BluetoothLeService.ACTION_GATT_CONNECTED.equals(action)) {
            mConnected = true;
            updateConnectionState(R.string.connected);
            invalidateOptionsMenu();
        } else if (BluetoothLeService.ACTION_GATT_DISCONNECTED.equals(action)) {
            mConnected = false;
            updateConnectionState(R.string.disconnected);
            invalidateOptionsMenu();
            clearUI();
        } else if (BluetoothLeService.
                ACTION_GATT_SERVICES_DISCOVERED.equals(action)) {
            // 在用戶接口上展示所有的services and characteristics
            displayGattServices(mBluetoothLeService.getSupportedGattServices());
        } else if (BluetoothLeService.ACTION_DATA_AVAILABLE.equals(action)) {
            displayData(intent.getStringExtra(BluetoothLeService.EXTRA_DATA));
        }
    }
};

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讀取BLE變量

你的android app完成與GATT服務端連接和發現services後，就可以讀寫支持的屬性。例如，這段代碼通過服務端的services和 characteristics迭代，並且將它們顯示在UI上。

public class DeviceControlActivity extends Activity {
    ...
    // 演示如何遍歷支持GATT Services/Characteristics
    // 這個例子中，我們填充綁定到UI的ExpandableListView上的數據結構
    private void displayGattServices(List<BluetoothGattService> gattServices) {
        if (gattServices == null) return;
        String uuid = null;
        String unknownServiceString = getResources().
                getString(R.string.unknown_service);
        String unknownCharaString = getResources().
                getString(R.string.unknown_characteristic);
        ArrayList<HashMap<String, String>> gattServiceData =
                new ArrayList<HashMap<String, String>>();
        ArrayList<ArrayList<HashMap<String, String>>> gattCharacteristicData
                = new ArrayList<ArrayList<HashMap<String, String>>>();
        mGattCharacteristics =
                new ArrayList<ArrayList<BluetoothGattCharacteristic>>();
        // 循環可用的GATT Services.
        for (BluetoothGattService gattService : gattServices) {
            HashMap<String, String> currentServiceData =
                    new HashMap<String, String>();
            uuid = gattService.getUuid().toString();
            currentServiceData.put(
                    LIST_NAME, SampleGattAttributes.
                            lookup(uuid, unknownServiceString));
            currentServiceData.put(LIST_UUID, uuid);
            gattServiceData.add(currentServiceData);
            ArrayList<HashMap<String, String>> gattCharacteristicGroupData =
                    new ArrayList<HashMap<String, String>>();
            List<BluetoothGattCharacteristic> gattCharacteristics =
                    gattService.getCharacteristics();
            ArrayList<BluetoothGattCharacteristic> charas =
                    new ArrayList<BluetoothGattCharacteristic>();
           // 循環可用的Characteristics.
            for (BluetoothGattCharacteristic gattCharacteristic :
                    gattCharacteristics) {
                charas.add(gattCharacteristic);
                HashMap<String, String> currentCharaData =
                        new HashMap<String, String>();
                uuid = gattCharacteristic.getUuid().toString();
                currentCharaData.put(
                        LIST_NAME, SampleGattAttributes.lookup(uuid,
                                unknownCharaString));
                currentCharaData.put(LIST_UUID, uuid);
                gattCharacteristicGroupData.add(currentCharaData);
            }
            mGattCharacteristics.add(charas);
            gattCharacteristicData.add(gattCharacteristicGroupData);
         }
    ...
    }
...
}

接收GATT通知

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當設備上的特性改變時會通知BLE應用程序。這段代碼顯示瞭如何使用setCharacteristicNotification( )給一個特性設置通知。

private BluetoothGatt mBluetoothGatt;
BluetoothGattCharacteristic characteristic;
boolean enabled;
...
mBluetoothGatt.setCharacteristicNotification(characteristic, enabled);
...
BluetoothGattDescriptor descriptor = characteristic.getDescriptor(
        UUID.fromString(SampleGattAttributes.CLIENT_CHARACTERISTIC_CONFIG));
descriptor.setValue(BluetoothGattDescriptor.ENABLE_NOTIFICATION_VALUE);
mBluetoothGatt.writeDescriptor(descriptor);

如果對一個特性啓用通知,當遠程藍牙設備特性發送變化，回調函數onCharacteristicChanged( ))被觸發。

@Override
// 廣播更新
public void onCharacteristicChanged(BluetoothGatt gatt,
        BluetoothGattCharacteristic characteristic) {
    broadcastUpdate(ACTION_DATA_AVAILABLE, characteristic);
}

關閉客戶端App

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當你的app完成BLE設備的使用後，應該調用close( ))，系統可以合理釋放佔用資源。

public void close() {
    if (mBluetoothGatt == null) {
        return;
    }
    mBluetoothGatt.close();
    mBluetoothGatt = null;
}