【轉】Core Bluetooth架構之一：Central與Peripheral

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原文網址：http://southpeak.github.io/blog/2014/07/29/core-bluetoothkuang-jia-zhi-%5B%3F%5D-:centralyu-peripheral/

iOS和Mac應用使用Core Bluetooth framework來與BLE(低功耗藍芽)裝置通訊。我們的程式可以發現、搜尋並與低功耗外圍(Peripheral)藍牙裝置通訊，如心跳監聽器、數字溫控器、甚至是其它iOS裝置。這個架構抽象了支援藍芽4.0標準低功耗裝置的基本操作，隱藏了4.0標準的底層實現細節，讓我們可以方便的使用BLE裝置。

藍芽通訊中的角色

在BLE通訊中，主要有兩個角色：Central和Peripheral。類似於傳統的用戶端-服務端架構，一個Peripheral端是提供資料的一方(相當於服務端)；而Central是使用Peripheral端提供的資料完成特定任務的一方(相當於用戶端)。以心跳監聽器為例展示了這樣一個架構：

Peripheral端以廣告包的形式來廣播一些資料。一個廣告包(advertising packet)是一小束相關資料，可能包含Peripheral提供的有用的資訊，如Peripheral名或主要功能。在BLE下，廣告是Peripheral裝置表現的主要形式。

Central端可以掃描並監聽其感興趣的任何廣播資訊的Peripheral裝置。

資料的廣播及接收需要以一定的資料結構來表示。而服務就是這樣一種資料結構。Peripheral端可能包含一個或多個服務或提供關於串連訊號強度的有用資訊。一個服務是一個裝置的資料的集合及資料相關的操作。

而服務本身又是由特性或所包含的服務組成的。一個特性提供了關於服務的更詳細的資訊。展示了心率監聽器中的各種資料結構

在一個Central端與Peripheral端成功建立串連後，Central可以發現Peripheral端提供的完整的服務及特性的集合。一個Central也可以讀寫Peripheral端的服務特性的值。我們將會在下面詳細介紹。

Central、Peripherals及Peripheral資料的表示

當我們使用本地Central與Peripheral端互動時，我們會在BLE通訊的Central端執行操作。除非我們設定了一個本地Peripheral裝置，否則大部分藍芽互動都是在Central端進行的。(下文也會講Peripheral端的基本操作)

在Central端，本地Central裝置由CBCentralManager對象表示。這個對象用於管理髮現與串連Peripheral裝置(CBPeripheral對象)的操作，包括掃描、尋找和串連。本地Central端與peripheral對象

當與peripheral裝置互動時，我們主要是在處理它的服務及特性。在Core Bluetooth架構中，服務是一個CBService對象，特性是一個CBCharacteristic對象，示範了Central端的服務與特性的基本結構：

蘋果在OS X 10.9和iOS 6版本後，提供了BLE外設(Peripheral)功能，可以將裝置作為Peripheral來處理。在Peripheral端，本地Peripheral裝置表示為一個CBPeripheralManager對象。這些對象用於管理將服務及特性發布到本地Peripheral裝置資料庫，並廣告這些服務給Central裝置。Peripheral管理器也用於響應來自Central端的讀寫請求。如展示了一個Peripheral端角色：

當在本地Peripheral裝置上設定資料時，我們實際上處理的是服務與特性的可變版本。在Core Bluetooth架構中，本地Peripheral服務由CBMutableService對象表示，而特性由CBMutableCharacteristic對象表示，展示了本地Peripheral端服務與特性的基本結構：

Peripheral(Server)端操作

一個Peripheral端操作主要有以下步驟：

1. 啟動一個Peripheral管理對象
2. 在本地Peripheral中設定服務及特性
3. 將服務及特性發布給裝置的本機資料庫
4. 廣告我們的服務
5. 針對串連的Central端的讀寫請求作出響應
6. 發送更新的特性值到訂閱Central端

我們將在下面結合代碼對每一步分別進行講解

啟動一個Peripheral管理器

要在本地裝置上實現一個Peripheral端，我們需要分配並初始化一個Peripheral管理器執行個體，如下代碼所示

// 建立一個Peripheral管理器// 我們將當前類作為peripheralManager，因此必須實現CBPeripheralManagerDelegate// 第二個參數如果指定為nil，則預設使用主隊列peripheralManager = [[CBPeripheralManager alloc] initWithDelegate:self queue:nil];

建立Peripheral管理器後，Peripheral管理器會調用代理對象的peripheralManagerDidUpdateState:方法。我們需要實現這個方法來確保本地裝置支援BLE。

- (void)peripheralManagerDidUpdateState:(CBPeripheralManager *)peripheral{    NSLog(@"Peripheral Manager Did Update State");    switch (peripheral.state) {        case CBPeripheralManagerStatePoweredOn:            NSLog(@"CBPeripheralManagerStatePoweredOn");            break;        case CBPeripheralManagerStatePoweredOff:            NSLog(@"CBPeripheralManagerStatePoweredOff");            break;        case CBPeripheralManagerStateUnsupported:            NSLog(@"CBPeripheralManagerStateUnsupported");            break;        default:            break;    }}

設定服務及特性

一個本地Peripheral資料庫以類似樹的結構來組織服務及特性。所以，在設定服務及特性時，我們將其組織成樹結構。

一個Peripheral的服務和特性通過128位的藍芽指定的UUID來標識，該標識是一個CBUUID對象。雖然SIG組織沒的預先定義所有的服務與特性的UUID，但是SIG已經定義並發布了一些通過的UUID，這些UUID被簡化成16位以方便使用。例如，SIG定義了一個16位的UUID作為心跳服務的標識(180D)。

CBUUID類提供了方法，以從字串中產生一個CBUUID對象。當字條串使用的是預定義的16位UUID時，Core Bluetooth使用它時會預先自動補全成128位的標識。

CBUUID *heartRateServiceUUID = [CBUUID UUIDWithString:@"180D"];

當然我們也可以自己產生一個128位的UUID來標識我們的服務與特性。在命令列中使用uuidgen命令會產生一個128位的UUID字串，然後我們可以使用它來產生一個CBUUID對象。

產生UUID對象後，我們就可以用這個對象來建立我們的服務及特性，然後再將它們組織成樹狀結構。

建立特性的代碼如下所示

CBUUID *characteristicUUID1 = [CBUUID UUIDWithString:@"C22D1ECA-0F78-463B-8C21-688A517D7D2B"];CBUUID *characteristicUUID2 = [CBUUID UUIDWithString:@"632FB3C9-2078-419B-83AA-DBC64B5B685A"];CBMutableCharacteristic *character1 = [[CBMutableCharacteristic alloc] initWithType:characteristicUUID1 properties:CBCharacteristicPropertyRead value:nil permissions:CBAttributePermissionsReadable];CBMutableCharacteristic *character2 = [[CBMutableCharacteristic alloc] initWithType:characteristicUUID2 properties:CBCharacteristicPropertyNotify value:nil permissions:CBAttributePermissionsWriteable];

我們需要設定特性的屬性、值及許可權。屬性及許可權值確定了屬性值是可讀的還是可寫的，及串連的Central端是否可以訂閱特性的值。另外，如果我們指定了特性的值，則這個值會被緩衝且其屬性及許可權被設定成可讀的。如果我們要讓特性的值是可寫的，或者期望屬性所屬的服務的生命週期裡這個值可以被修改，則必須指定值為nil。

建立的特性之後，我們便可以建立一個與特性相關的服務，然後將特性關聯到服務上，如下代碼所示:

CBUUID *serviceUUID = [CBUUID UUIDWithString:@"3655296F-96CE-44D4-912D-CD83F06E7E7E"];CBMutableService *service = [[CBMutableService alloc] initWithType:serviceUUID primary:YES];service.characteristics = @[character1, character2];    // 組織成樹狀結構

上例中primary參數傳遞的是YES，表示這是一個主服務，即描述了一個裝置的主要功能且能被其它服務引用。與之相對的是次要服務(secondary service)，其只在引用它的另一個服務的上下文中描述一個服務。

發布服務及特性

建立服務及特性後交將其組織成樹狀結構後，我們需要將這些服務發布到裝置的本機資料庫上。我們可以使用CBPeripheralManager的addService:方法來完成此工作。如下代碼所示：

[peripheralManager addService:service];

在調用些方法發布服務時，CBPeripheralManager對象會調用它的代理的peripheralManager:didAddService:error:方法。如果發布過程中出現錯誤導致無法以布，則可以實現該代理方法來處理錯誤，如下代碼所示：

- (void)peripheralManager:(CBPeripheralManager *)peripheral didAddService:(CBService *)service error:(NSError *)error{    NSLog(@"Add Service");    if (error)    {        NSLog(@"Error publishing service: %@", [error localizedDescription]);    }}

在將服務與特性發布到裝置資料庫後，服務將會被緩衝，且我們不能再修改這個服務。

廣告服務

處理完以上步驟，我們便可以將這些服務廣告給對服務感興趣的Central端。我們可以通過調用CBPeripheralManager執行個體的startAdvertising:方法來完成這一操作，如下代碼所示：

[peripheralManager startAdvertising:@{CBAdvertisementDataServiceUUIDsKey: @[service.UUID]}];

startAdvertising:的參數是一個字典，Peripheral管理器支援且僅支援兩個key值：CBAdvertisementDataLocalNameKey與CBAdvertisementDataServiceUUIDsKey。這兩個值描述了資料的詳情。key值所對應的value期望是一個表示多個服務的數組。

當廣告服務時，CBPeripheralManager對象會調用代碼對象的peripheralManagerDidStartAdvertising:error:方法，我們可以在此做相應的處理，如下代碼所示：

- (void)peripheralManagerDidStartAdvertising:(CBPeripheralManager *)peripheral error:(NSError *)error{    NSLog(@"Start Advertising");    if (error)    {        NSLog(@"Error advertising: %@", [error localizedDescription]);    }}

廣告服務之後，Central端便可以發現裝置並初始化一個串連。

對Central端的讀寫請求作出響應

在與Central端進行串連後，可能需要從其接收讀寫請求，我們需要以適當的方式作出響應。

當串連的Central端請求讀取特性的值時，CBPeripheralManager對象會調用代理對象的peripheralManager:didReceiveReadRequest:方法，代理方法提供一個CBATTRequest對象以表示Central端的請求，我們可以使用它的屬性來填充請求。下面代碼簡單展示了這樣一個過程：

- (void)peripheralManager:(CBPeripheralManager *)peripheral didReceiveReadRequest:(CBATTRequest *)request{    // 查看請求的特性是否是指定的特性    if ([request.characteristic.UUID isEqual:cha1.UUID])    {        NSLog(@"Request character 1");        // 確保讀請求所請求的位移量沒有超出我們的特性的值的長度範圍        // offset屬性指定的請求所要讀取值的位移位置        if (request.offset > cha1.value.length)        {            [peripheralManager respondToRequest:request withResult:CBATTErrorInvalidOffset];            return;        }        // 如果讀取位置未越界，則將特性中的值的指定範圍賦給請求的value屬性。        request.value = [cha1.value subdataWithRange:(NSRange){request.offset, cha1.value.length - request.offset}];        // 對請求作出成功響應        [peripheralManager respondToRequest:request withResult:CBATTErrorSuccess];    }}

在每次調用代理對象的peripheralManager:didReceiveReadRequest:時調用respondToRequest:withResult:方法以對請求做出響應。

處理寫請求類似於上述過程，此時會調用代理對象的peripheralManager:didReceiveWriteRequests:方法。不同的是代理方法會給我們一個包含一個或多個CBATTRequest對象的數組，每一個都表示一個寫請求。我們可以使用請求對象的value屬性來給我們的特性屬性賦值，如下代碼所示：

- (void)peripheralManager:(CBPeripheralManager *)peripheral didReceiveWriteRequests:(NSArray *)requests{    CBATTRequest *request = requests[0];    cha1.value = request.value;    [peripheralManager respondToRequest:request withResult:CBATTErrorSuccess];}

響應處理與請求類似。

發送更新的特性值給訂閱的Central端

如果有一個或多個Central端訂閱了我們的服務的特性時，當特性發生變化時，我們需要通知這些Central端。為此，代理對象需要實現peripheralManager:central:didSubscribeToCharacteristic:方法。如下所示：

- (void)peripheralManager:(CBPeripheralManager *)peripheral central:(CBCentral *)central didUnsubscribeFromCharacteristic:(CBCharacteristic *)characteristic{    NSLog(@"Central subscribed to characteristic %@", characteristic);    NSData *updatedData = characteristic.value;    // 擷取屬性更新的值並調用以下方法將其發送到Central端    // 最後一個參數指定我們想將修改發送給哪個Central端，如果傳nil，則會發送給所有串連的Central    // 將方法返回一個BOOL值，表示修改是否被成功發送，如果用於傳送更新值的隊列被填充滿，則方法返回NO    BOOL didSendValue = [peripheralManager updateValue:updatedData forCharacteristic:(CBMutableCharacteristic *)characteristic onSubscribedCentrals:nil];    NSLog(@"Send Success ? %@", (didSendValue ? @"YES" : @"NO"));}

在上述代碼中，當傳輸隊列有可用的空間時，CBPeripheralManager對象會調用代碼對象的peripheralManagerIsReadyToUpdateSubscribers:方法。我們可以在這個方法中調用updateValue:forCharacteristic:onSubscribedCentrals:來重新發送值。

我們使用通知來將單個資料包發送給訂閱的Central。當我們更新訂閱的Central時，我們應該通過調用一次updateValue:forCharacteristic:onSubscribedCentrals:方法將整個更新的值放在一個通知中。

由於特性的值大小不一，所以不是所有值都會被通知傳輸。如果發生這種情況，需要在Central端調用CBPeripheral執行個體的readValueForCharacteristic:方法來處理，該方法可以擷取整個值。

Central(Client)端操作

一個Central端主要包含以下操作：

1. 啟動一個Central端管理器對象
2. 搜尋並串連正在廣告的Peripheral裝置
3. 在串連到Peripheral端後查詢資料
4. 發送一個對特性值的讀寫請求到Peripheral端
5. 當Peripheral端特性值改變時接收通知

我們將在下面結合代碼對每一步分別進行講解

啟動一個Central管理器

CBCentralManager對象在Core Bluetooth中表示一個本地Central裝置，我們在執行任何BLE互動時必須分配並初始化一個Central管理器對象。建立代碼如下所示：

// 指定當前類為代理對象，所以其需要實現CBCentralManagerDelegate協議// 如果queue為nil，則Central管理器使用主隊列來發送事件centralManager = [[CBCentralManager alloc] initWithDelegate:self queue:nil options:nil];

建立Central管理器時，管理器對象會調用代理對象的centralManagerDidUpdateState:方法。我們需要實現這個方法來確保本地裝置支援BLE。

- (void)centralManagerDidUpdateState:(CBCentralManager *)central{    NSLog(@"Central Update State");    switch (central.state) {        case CBCentralManagerStatePoweredOn:            NSLog(@"CBCentralManagerStatePoweredOn");            break;        case CBCentralManagerStatePoweredOff:            NSLog(@"CBCentralManagerStatePoweredOff");            break;        case CBCentralManagerStateUnsupported:            NSLog(@"CBCentralManagerStateUnsupported");            break;        default:            break;    }}

發現正在廣告的Peripheral裝置

Central端的首要任務是發現正在廣告的Peripheral裝置，以備後續串連。我們可以調用CBCentralManager執行個體的scanForPeripheralsWithServices:options:方法來發現正在廣告的Peripheral裝置。如下代碼所示：

// 尋找Peripheral裝置// 如果第一個參數傳遞nil，則管理器會返回所有發現的Peripheral裝置。// 通常我們會指定一個UUID對象的數組，來尋找特定的裝置[centralManager scanForPeripheralsWithServices:nil options:nil];

在調用上述方法後，CBCentralManager對象在每次發現裝置時會調用代理對象的centralManager:didDiscoverPeripheral:advertisementData:RSSI:方法。

- (void)centralManager:(CBCentralManager *)central didDiscoverPeripheral:(CBPeripheral *)peripheral advertisementData:(NSDictionary *)advertisementData RSSI:(NSNumber *)RSSI{    NSLog(@"Discover name : %@", peripheral.name);    // 當我們尋找到Peripheral端時，我們可以停止尋找其它裝置，以節省電量    [centralManager stopScan];    NSLog(@"Scanning stop");}

串連Peripheral裝置

在尋找到Peripheral裝置後，我們可以調用CBCentralManager執行個體的connectPeripheral:options:方法來串連Peripheral裝置。如下代碼所示

[centralManager connectPeripheral:peripheral options:nil];

如果串連成功，則會調用代碼對象的centralManager:didConnectPeripheral:方法，我們可以實現該方法以做相應處理。另外，在開始與Peripheral裝置互動之前，我們需要設定peripheral對象的代理，以確保接收到合適的回調。

- (void)centralManager:(CBCentralManager *)central didConnectPeripheral:(CBPeripheral *)peripheral{    NSLog(@"Peripheral Connected");    peripheral.delegate = self;}

尋找所串連Peripheral裝置的服務

建立到Peripheral裝置的串連後，我們就可以開始查詢資料了。首先我們需要尋找Peripheral裝置中可用的服務。由於Peripheral裝置可以廣告的資料有限，所以Peripheral裝置實際的服務可能比它廣告的服務要多。我們可以調用peripheral對象的discoverServices:方法來尋找所有的服務。如下代碼所示：

[peripheral discoverServices:nil];

參數傳遞nil可以尋找所有的服務，但一般情況下我們會指定感興趣的服務。

當調用上述方法時，peripheral會調用代理對象的peripheral:didDiscoverServices:方法。Core Bluetooth建立一個CBService對象的數組，數組中的元素是peripheral中找到的服務。

- (void)peripheral:(CBPeripheral *)peripheral didDiscoverServices:(NSError *)error{    NSLog(@"Discover Service");    for (CBService *service in peripheral.services)    {        NSLog(@"Discovered service %@", service);    }}

尋找服務中的特性

假設我們已經找到感興趣的服務，接下來就是查詢服務中的特性了。為了尋找服務中的特性，我們只需要調用CBPeripheral類的discoverCharacteristics:forService:方法，如下所示：

NSLog(@"Discovering characteristics for service %@", service);[peripheral discoverCharacteristics:nil forService:service];

當發現特定服務的特性時，peripheral對象會調用代理對象的peripheral:didDiscoverCharacteristicsForService:error:方法。在這個方法中，Core Bluetooth會建立一個CBCharacteristic對象的數組，每個元素表示一個尋找到的特性對象。如下代碼所示：

- (void)peripheral:(CBPeripheral *)peripheral didDiscoverCharacteristicsForService:(CBService *)service error:(NSError *)error{    NSLog(@"Discover Characteristics");    for (CBCharacteristic *characteristic in service.characteristics)    {        NSLog(@"Discovered characteristic %@", characteristic);    }}

擷取特性的值

一個特性包含一個單一的值，這個值包含了Peripheral服務的資訊。在擷取到特性之後，我們就可以從特性中擷取這個值。只需要調用CBPeripheral執行個體的readValueForCharacteristic:方法即可。如下所示：

NSLog(@"Reading value for characteristic %@", characteristic);[peripheral readValueForCharacteristic:characteristic];

當我們讀取特性中的值時，peripheral對象會調用代理對象的peripheral:didUpdateValueForCharacteristic:error:方法來擷取該值。如果擷取成功，我們可以通過特性的value屬性來訪問它，如下所示：

- (void)peripheral:(CBPeripheral *)peripheral didUpdateValueForCharacteristic:(CBCharacteristic *)characteristic error:(NSError *)error{    NSData *data = characteristic.value;    NSLog(@"Data = %@", data);}

訂閱特性的值

雖然使用readValueForCharacteristic:方法讀取特性值對於一些使用情境非常有效，但對於擷取改變的值不太有效。對於大多數變動的值來講，我們需要通過訂閱來擷取它們。當我們訂閱特性的值時，在值改變時，我們會從peripheral對象收到通知。

我們可以調用CBPeripheral類的setNotifyValue:forCharacteristic:方法來訂閱感興趣的特性的值。如下所示：

[peripheral setNotifyValue:YES forCharacteristic:characteristic];

當我們嘗試訂閱特性的值時，會調用peripheral對象的代理對象的peripheral:didUpdateNotificationStateForCharacteristic:error: 方法。如果訂閱失敗，我們可以實現該代理方法來訪問錯誤，如下所示：

- (void)peripheral:(CBPeripheral *)peripheral didUpdateValueForCharacteristic:(CBCharacteristic *)characteristic error:(NSError *)error{    ...    if (error)    {        NSLog(@"Error changing notification state: %@", [error localizedDescription]);    }}

在成功訂閱特性的值後，當特性值改變時，peripheral裝置會通知我們的應用。

寫入特性的值

一些情境下，我們需要寫入特性的值。例如我們需要與BLE數字恒溫器互動時，可能需要給恒溫器提供一個值來設定房間的溫度。如果特性的值是可寫的，我們可以通過調用CBPeripheral執行個體的writeValue:forCharacteristic:type:方法來寫入值。

NSData *data = [NSData dataWithBytes:[@"test" UTF8String] length:@"test".length];[peripheral writeValue:data forCharacteristic:characteristic type:CBCharacteristicWriteWithResponse];

當嘗試寫入特性值時，我們需要指定想要執行的寫入類型。上例指定了寫入類型是CBCharacteristicWriteWithResponse，表示peripheral讓我們的應用知道是否寫入成功。

指定寫入類型為CBCharacteristicWriteWithResponse的peripheral對象，在響應請求時會調用代理對象的peripheral:didWriteValueForCharacteristic:error:方法。如果寫入失敗，我們可以在這個方法中處理錯誤資訊。

小結

Core Bluetooth架構已經為我們封裝了藍芽通訊的底層實現，我們只需要做簡單的處理就可以在程式中實現基於藍芽的通訊。不過在遊戲中，一般使用Game Kit中內建的藍芽處理功能，以實現大資料量的通訊。Core Bluetooth架構還是比較適合小資料量的通訊。

【轉】Core Bluetooth架構之一：Central與Peripheral