Bluetooth Low Energy——藍芽低功耗

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Android4.3（API層級18）引入內建平台支援BLE的central角色，同時提供API和app應用程式用來發現裝置，查詢服務，和讀/寫characteristics。與傳統藍芽（ClassicBluetooth）不同，藍芽低功耗（BLE）的目的是提供更顯著的低功耗。這使得Android應用程式可以和具有低功耗的要求BLE裝置，如接近感應器，心臟速率監視器，健身裝置等進行通訊。

 關鍵術語和概念

下面是關鍵BLE術語和概念的總結：

通用屬性規範（GATT）—GATTprofile是一個通用規範用於在BLE鏈路發送和接收被稱為“屬性（attributes）”的資料片。目前所有的低功耗應用 profile都是基於GATT。

藍芽SIG定義了許多profile用於低功耗裝置。Profile（設定檔）是一個規範，規範了裝置如何工作在一個特定的應用情境。注意：一個裝置可以實現多個profile。例如，一個裝置可以包含一個心臟監測儀和電池電平檢測器。

 屬性協議（ ATT ）—GATT是建立在屬性協議（ ATT ）的頂層，通常也被稱為GATT/ ATT 。 ATT進行了最佳化用於在BLE裝置上運行。為此，它採用儘可能少的位元組越好。每個attribute屬性被UUID（通用唯一識別碼）唯一標識 ，UUID是標準128-bit格式的ID用來唯一標識資訊。attributes 被 ATT 格式化characteristics和services形式進行傳送。

特徵（Characteristics）— 一個characteristics包含一個單獨的value值和0 –n個用來描述characteristic 值（value）的descriptors。一個characteristics可以被認為是一種類型的，類似於一個類。

描述符(descriptor)—descriptor是被定義的attributes，用來描述一個characteristic的值。例如，一個descriptor可以指定一個人類可讀的描述中，在可接受的範圍裡characteristic值，或者是測量單位，用來明確characteristic的值。

服務（service）—service是characteristic的集合。例如，你可以有一個所謂的“Heart RateMonitor”service，其中包括characteristic，如“heart rate measurement ”。你可以在 bluetooth.org找到關於一系列基於GATT的profile和service。

 角色和職責

以下是適用於當一個Android裝置與BLE裝置互動的角色和責任：

中心裝置（central）與外圍裝置（peripheral）。這也適用於BLE串連本身。Central裝置進行掃描，尋找advertisenment，peripheral裝置發出advertisement。

GATT server（伺服器）與GATTclient（用戶端）。這決定了兩個裝置建立串連後如何互相互動。 

 

要瞭解它們的區別，假設你有一個Android手機和活動追蹤器，活動追蹤器是一個BLE裝置。這款手機扮演central角色;活動追蹤器扮演peripheral角色（建立一個BLE串連，必須具備兩者。如果兩個裝置只支援central角色或peripheral角色，不能跟對方建立一個BLE串連）。

 一旦手機與活動追蹤器已經建立串連，他們開始相互傳送GATT資料。根據它們傳送資料的種類，其中一個可能作為 GATT server。例如，如果該活動追蹤器將感應器資料彙報到手機上，活動追蹤器作為server。如果活動追蹤器想要從手機接收更新，那麼手機作為server。

 在本文檔中使用的樣本中，Android應用程式（在Android裝置上運行）是GATT client。該應用從GATT server 擷取資料，server是一款支援 HeartRate Profile的BLE心臟速率監測儀。但你可以設計??你的Andr??oid應用程式，作為GATT server角色。見BluetoothGattServer 擷取更多資訊。

 

BLE許可權

為了使用應用程式中的藍芽功能，你必須聲明藍芽許可權BLUETOOTH。你需要這個許可權執行任意藍芽通訊，如請求串連，接受串連，傳輸資料。

如果你希望你的應用程式啟動裝置發現或操縱藍芽設定，還必須聲明BLUETOOTH_ADMIN許可權。注意：如果您使用BLUETOOTH_ADMIN許可權，那麼你還必須有BLUETOOTH許可權。

 聲明藍芽許可權在你的應用程式資訊清單（manifest）檔案。例如：

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

如果你想聲明，你的應用程式是只提供給BLE功能的裝置，在您的應用程式的清單包括如下語句：

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

不過，如果你想使你的應用程式提供給那些不支援BLE裝置，你仍然應該在您的應用程式的清單包含這個上述語句，但設定required="false"。然後在運行時可以通過使用 PackageManager.hasSystemFeature()確定BLE可用性：

// Use this check to determine whether BLE is supported on the device. Then// you can selectively disable BLE-related features.if (!getPackageManager().hasSystemFeature(PackageManager.FEATURE_BLUETOOTH_LE)) {Toast.makeText(this, R.string.ble_not_supported, Toast.LENGTH_SHORT).show();    finish();}

設定BLE

在你的應用程式可以進行BLE通訊之前 ，你需要驗證這個裝置上BLE是否被支援，如果支援，請確保它已啟用。請注意，如果<uses-feature.../>設定為false，這個檢查才是必需的。

如果不支援BLE ，那麼你應該適當地禁用任何BLE功能。如果BLE支援，但被禁用，那麼你可以要求使用者啟動藍芽時不要離開應用程式。這種設定兩個步驟完成，使用 BluetoothAdapter.

 

1.擷取BluetoothAdapter

該BluetoothAdapter是所有的藍芽活動所必需的。該BluetoothAdapter代表裝置自身的藍芽適配器（藍芽無線電）。只有一個藍芽適配器用於整個系統，並且你的應用程式可以使用該對象進行互動。下面的程式碼片段顯示了如何擷取適配器。注意，該方法使用getSystemService() 返回BluetoothManager的一個執行個體, 用於擷取適配器。Android 4.3 （ API層級18 ）引入BluetoothManager：

// Initializes Bluetooth adapter. final BluetoothManager bluetoothManager=        (BluetoothManager) getSystemService(Context.BLUETOOTH_SERVICE);mBluetoothAdapter = bluetoothManager.getAdapter();

2. 啟用藍芽

接下來，你需要確保藍芽已啟用。用isEnabled() 來檢查藍芽當前是否啟用。如果此方法返回false，那麼藍芽被禁用。下面的程式碼片段檢查藍芽是否開啟。如果不是，該片段將顯示錯誤提示使用者去設定以啟用藍芽：

private BluetoothAdapter mBluetoothAdapter;...// Ensures Bluetooth is available on the device and it is enabled. If not,// displays a dialog requesting user permission to enable Bluetooth.if (mBluetoothAdapter == null || !mBluetoothAdapter.isEnabled()) {Intent enableBtIntent = new Intent(BluetoothAdapter.ACTION_REQUEST_ENABLE);    startActivityForResult(enableBtIntent,REQUEST_ENABLE_BT); }

尋找BLE裝置

為了找到BLE裝置，您可以使用startLeScan() 方法。此方法需要一個BluetoothAdapter.LeScanCallback作為參數。你必須實現這個回調，因為它決定掃描結果如何返回。因為掃描耗電量大，你應當遵守以下準則：

1）只要你找到所需的裝置，停止掃描。

2）不要掃描一個迴圈，並設定您的掃描時間限制。以前可用的裝置可能已經移出範圍，繼續掃描消耗電池電量。

下面的程式碼片段顯示了如何啟動和停止掃描：

/** * Activity for scanning and displaying available BLE devices. */public class DeviceScanActivity extends ListActivity {    private BluetoothAdapter mBluetoothAdapter;    private boolean mScanning;    private Handler mHandler;    // Stops scanning after 10 seconds.    private static final long SCAN_PERIOD = 10000;    ...    private void scanLeDevice(final boolean enable) {        if (enable) {            // Stops scanning after a pre-defined scan period.            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);        }        ...    }...}

如何你想要掃描指定類型的peripheral裝置，你可以用 startLeScan(UUID[],BluetoothAdapter.LeScanCallback)取代, 它提供了一組UUID對象用於說明你的應用程式支援的GATT services .

下面是用於傳送BLE掃描結果的介面函數BluetoothAdapter.LeScanCallback的具體實現：

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();           }       });   }};

注意：你可以只掃描BLE裝置或傳統藍牙裝置，就像Bluetooth描述那樣。你不可以同時掃描BLE裝置和傳統藍牙裝置。

 

串連到GATT server

在和一個BLE裝置互動的第一步是串連到它，更具體地，串連到所述裝置上的GATT server。要串連到一個BLE裝置上的GATT server，您可以使用connectGatt()方法。這個方法有三個參數：一個Context 對象，一個autoConnect（布爾值，表示是否自動連接到BLE裝置）和BluetoothGattCallback:

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

 

這個函數串連到由BLE裝置上的GATTserver，並返回一個BluetoothGatt執行個體，您可以使用它來進行GATT client操作。調用者（Android應用程式）是GATT client。該BluetoothGattCallback是用來提供結果給client，如串連狀態，以及任何進一步的GATT client操作。

 

在這個例子中，BLE應用程式提供了一個活動（DeviceControlActivity）串連，顯示資料，和顯示該裝置支援的GATTservices和characteristics。根據使用者的輸入，這一活動與一個叫BluetoothLeService的Service互動，BluetoothService通過Android BLE的API與 BLE裝置進行互動：

// A service that interacts with the BLE device via the Android BLE API.public class BluetoothLeService extends Service {    private final static String TAG = BluetoothLeService.class.getSimpleName();    private BluetoothManager mBluetoothManager;    private BluetoothAdapter mBluetoothAdapter;    private String mBluetoothDeviceAddress;    private BluetoothGatt mBluetoothGatt;    private int mConnectionState = STATE_DISCONNECTED;    private static final int STATE_DISCONNECTED = 0;    private static final int STATE_CONNECTING = 1;    private static final int STATE_CONNECTED = 2;    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);    // Various callback methods defined by the BLE API.    private final BluetoothGattCallback mGattCallback =            new BluetoothGattCallback() {        @Override        public void onConnectionStateChange(BluetoothGatt gatt, int status,                int newState) {            String intentAction;            if (newState == BluetoothProfile.STATE_CONNECTED) {                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) {                intentAction = ACTION_GATT_DISCONNECTED;                mConnectionState = STATE_DISCONNECTED;                Log.i(TAG, "Disconnected from GATT server.");                broadcastUpdate(intentAction);            }        }        @Override        // New services discovered        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        // Result of a characteristic read operation        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時，它會調用相應的broadcastUpdate（）輔助方法並傳遞給它一個動作。注意，在該部分中的資料解析參照 Bluetooth Heart Rate Measurement profilespecifications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);    // This is special handling for the Heart Rate Measurement profile. Data    // parsing is carried out as per profile specifications.    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 {        // For all other profiles, writes the data formatted in HEX.        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);}

早在DeviceControlActivity, 這些事件由一個BroadcastReceiver處理:

// Handles various events fired by the Service.// ACTION_GATT_CONNECTED: connected to a GATT server.// ACTION_GATT_DISCONNECTED: disconnected from a GATT server.// ACTION_GATT_SERVICES_DISCOVERED: discovered GATT services.// ACTION_DATA_AVAILABLE: received data from the device. This can be a// result of read or notification operations.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)) {            // Show all the supported services and characteristics on the            // user interface.            displayGattServices(mBluetoothLeService.getSupportedGattServices());        } else if (BluetoothLeService.ACTION_DATA_AVAILABLE.equals(action)) {            displayData(intent.getStringExtra(BluetoothLeService.EXTRA_DATA));        }    }};

讀取BLE屬性

一旦你的Android應用程式已串連到GATTserver和discoveriable service，它可以讀取和寫入支援的attributes。例如，通過server的service和characteristic這個片段進行迭代，在UI上顯示它們：

public class DeviceControlActivity extends Activity {    ...    // Demonstrates how to iterate through the supported GATT    // Services/Characteristics.    // In this sample, we populate the data structure that is bound to the    // ExpandableListView on the UI.    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>>();        // Loops through available 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>();           // Loops through available 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 （Notifications）

這是常見的裝置上的BLE應用程式要求被通知，當一個特定characteristic改變時。這段代碼顯示了如何使用 setCharacteristicNotification()方法設定一個Notifications用於characteristic：

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);

一旦啟動了屬性通知（ notifications for acharacteristic）,如果在遠程裝置上characteristic 發生改變，onCharacteristicChanged() 回呼函數將被啟動。

@Override// Characteristic notificationpublic void onCharacteristicChanged(BluetoothGatt gatt,        BluetoothGattCharacteristic characteristic) {    broadcastUpdate(ACTION_DATA_AVAILABLE, characteristic);}

關閉Client應用程式

一旦你的應用程式已經使用BLE裝置完成後，應該調用close()，這樣系統就可以適當地釋放資源：

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

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