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android蓝牙BLE(二) —— 通信

android BLE系列:

android蓝牙BLE(一) —— 扫描

android蓝牙BLE(二) —— 通信

android蓝牙BLE(三) —— 广播

android蓝牙BLE(四) —— 实战

一、蓝牙基础协议

    想了解蓝牙通信之前,需要先了解蓝牙两个最基本的协议:GAP 和 GATT。

1、GAP(Generic Access Profile)简介

    GAP是通用访问配置文件的首字母缩写,主要控制蓝牙连接和广播。GAP使蓝牙设备对外界可见,并决定设备是否可以或者怎样与其他设备进行交互。

    GAP定义了多种角色,但主要的两个是:中心设备 和 外围设备。

        中心设备:可以扫描并连接多个外围设备,从外设中获取信息。

        外围设备:小型,低功耗,资源有限的设备。可以连接到功能更强大的中心设备,并为其提供数据。

2、GAP广播数据

    GAP 中外围设备通过两种方式向外广播数据:广播数据 和 扫描回复。 每种数据最长可以包含 31 byte。

    广播数据是必需的,因为外设必需不停的向外广播,让中心设备知道它的存在。

    扫描回复是可选的,中心设备可以向外设请求扫描回复,这里包含一些设备额外的信息。

    外围设备会设定一个广播间隔。每个广播间隔中,它会重新发送自己的广播数据。广播间隔越长,越省电,同时也不太容易扫描到。

3. 广播的网络拓扑结构

    外设通过广播自己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。但有些情况是不需要连接的,只要外设广播自己的数据即可。目的是让外围设备,把自己的信息发送给多个中心设备。因为基于 GATT 连接的方式的,只能是一个外设连接一个中心设备。

4. GATT(Generic Attribute Profile)简介

    GATT配置文件是一个通用规范,用于在BLE链路上发送和接收被称为“属性”的数据块。目前所有的BLE应用都基于GATT。

    BLE设备通过叫做 ServiceCharacteristic 的东西进行通信

    GATT使用了 ATT(Attribute Protocol)协议,ATT 协议把 Service, Characteristic对应的数据保存在一个查询表中,次查找表使用 16 bit ID 作为每一项的索引。

    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。当外设与中心设备断开,外设又开始广播,让其他中心设备感知该外设的存在。而中心设备可同时与多个外设进行连接。

5.GATT 通信

    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 外设(Server) 发起请求来获取数据。

6.GATT 结构

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。

Service:包含一个或者多个 Characteristic。每个 Service 有一个 UUID 唯一标识。

Characteristic: 是最小的逻辑数据单元。一个Characteristic包括一个单一value变量和0-n个用来描述characteristic变量的Descriptor。与 Service 类似,每个 Characteristic 用 16 bit 或者 128 bit 的 UUID 唯一标识。

    实际开发中,和 BLE 外设打交道,主要是通过 Characteristic。可以从 Characteristic 读取数据,也可以往 Characteristic 写数据,从而实现双向的通信。

     UUID 有 16 bit 、32bit 和 128 bit 的。16 bit 的 UUID 是官方通过认证的,需要花钱购买。 Bluetooth_Base_UUID定义为 00000000-0000-1000-8000-00805F9B34FB

    若16 bit UUID为xxxx,转换为128 bit UUID为0000xxxx-0000-1000-8000-00805F9B34FB
    若32 bit UUID为xxxxxxxx,转换为128 bit UUID为xxxxxxxx-0000-1000-8000-00805F9B34FB

二、中心设备与外设通讯

简单介绍BLE开发当中各种主要类和其作用:

        BluetoothDeivce:蓝牙设备,代表一个具体的蓝牙外设。
        BluetoothGatt:通用属性协议,定义了BLE通讯的基本规则和操作
        BluetoothGattCallback:GATT通信回调类,用于回调的各种状态和结果。
        BluetoothGattService:服务,由零或多个特征组构成。
        BluetoothGattCharacteristic:特征,里面包含了一组或多组数据,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。

1、连接

    对扫描到的蓝牙可以用集合形式进行缓存,也可只保存其mac地址,存储到字符集合中,用于后续的连接。

1.1、根据mac地址获取到BluetoothDeivce用于连接

BluetoothManager bluetoothmanager = (BluetoothManager)context.getSystemService(Context.BLUETOOTH_SERVICE);
 mBluetoothAdapter = bluetoothmanager.getAdapter();
 //获取蓝牙设备对象进行连接
mBluetoothDevice = mBluetoothAdapter.getRemoteDevice(macAddressStr)
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1.2、蓝牙gatt回调

    实现BluetoothGattCallBack类,监听蓝牙连接过程中各种回调的监听。

    蓝牙Gatt回调方法中都不可以进行耗时操作,需要将其方法内进行的操作丢进另一个线程,尽快返回。

//定义子线程handle,用于在BluetoothGattCallback中回调方法中的操作抛到该线程工作。
private Handler mHandler;
//定义handler工作的子线程
private HandlerThread mHandlerThread;

初始化handler
mHandlerThread = new HandlerThread("daqi");
mHandlerThread.start();
//将handler绑定到子线程中
mHandler = new Handler(mHandlerThread.getLooper());


//定义蓝牙Gatt回调类
public class daqiBluetoothGattCallback extends BluetoothGattCallback{

        //连接状态回调
        @Override
        public void onConnectionStateChange(BluetoothGatt gatt, int status, int newState) {
            super.onConnectionStateChange(gatt, status, newState);
            // status 用于返回操作是否成功,会返回异常码。
            // newState 返回连接状态,如BluetoothProfile#STATE_DISCONNECTED、BluetoothProfile#STATE_CONNECTED
            
            //操作成功的情况下
            if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS){
                //判断是否连接码
                if (newState == BluetoothProfile.STATE_CONNECTED) {
                
                }else if(newState == BluetoothProfile.STATE_DISCONNECTED){
                    //判断是否断开连接码
                    
                }
            }else{
                //异常码
                
            }
        }
        
        //服务发现回调
        @Override
        public void onServicesDiscovered(BluetoothGatt gatt, int status) {
            super.onServicesDiscovered(gatt, status);
        }

        //特征写入回调
        @Override
        public void onCharacteristicWrite(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattCharacteristic characteristic, int status) {
            super.onCharacteristicWrite(gatt, characteristic, status);
        }
        
        //外设特征值改变回调
        @Override
        public void onCharacteristicChanged(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattCharacteristic characteristic) {
            super.onCharacteristicChanged(gatt, characteristic);
        }
        
        //描述写入回调
        @Override
        public void onDescriptorWrite(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattDescriptor descriptor, int status) {
            super.onDescriptorWrite(gatt, descriptor, status);
        }
    }
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1.3、连接设备

    调用BluetoothDevice#connectGatt()进行ble连接,第二个参数默认选择false,不自动连接。并定义BluetoothGatt变量,存储BluetoothDevice#connectGatt()返回的对象。

//定义Gatt实现类
private BluetoothGatt mBluetoothGatt; 

//创建Gatt回调
private BluetoothGattCallback mGattCallback = new daqiBluetoothGattCallback();
//连接设备
if (Build.VERSION.SDK_INT >= Build.VERSION_CODES.M) {
    mBluetoothGatt = mBluetoothDevice.connectGatt(mContext,
            false, mGattCallback, BluetoothDevice.TRANSPORT_LE);
} else {
    mBluetoothGatt = mBluetoothDevice.connectGatt(mContext, false, mGattCallback);
}
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1.4、连接异常处理
    蓝牙连接时,不一定百分百连接成功。连接出错时,会返回异常码进行错误描述。
    对于大多数异常码,可以通过重连来达到连接成功的目的。

错误代码:
    133 :连接超时或未找到设备。
    8 : 设备超出范围
    22 :表示本地设备终止了连接

//定义重连次数
private int reConnectionNum = 0;
//最多重连次数
private int maxConnectionNum = 3;

public class daqiBluetoothGattCallback extends BluetoothGattCallback{

    //连接状态回调
    @Override
    public void onConnectionStateChange(BluetoothGatt gatt, int status, int newState) {
        super.onConnectionStateChange(gatt, status, newState);
        // status 用于返回操作是否成功,会返回异常码。
        //操作成功的情况下
        if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS){
            
        }else{
            //重连次数不大于最大重连次数
            if(reConnectionNum < maxConnectionNum){
                //重连次数自增
                reConnectionNum++
                //连接设备
                if (Build.VERSION.SDK_INT >= Build.VERSION_CODES.M) {
                    mBluetoothGatt = mBluetoothDevice.connectGatt(mContext,
                            false, mGattCallback, BluetoothDevice.TRANSPORT_LE);
                } else {
                    mBluetoothGatt = mBluetoothDevice.connectGatt(mContext, false, mGattCallback);
                }
            }else{
                //断开连接,返回连接失败回调
                
            }
        }
    }
    
    //其他回调方法
}
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2、发现服务

连接成功后,触发BluetoothGattCallback#onConnectionStateChange()方法。

2.1、发现服务

public class daqiBluetoothGattCallback extends BluetoothGattCallback{

    //连接状态回调
    @Override
    public void onConnectionStateChange(BluetoothGatt gatt, int status, int newState) {
        super.onConnectionStateChange(gatt, status, newState);
        // status 用于返回操作是否成功,会返回异常码。
        //操作成功的情况下
        if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS){
            //判断是否连接码
                if (newState == BluetoothProfile.STATE_CONNECTED) {
                    //可延迟发现服务,也可不延迟
                    mHandler.post(() ->
                        //发现服务
                        mBluetoothGatt.discoverServices();
                    );
                }else if(newState == BluetoothProfile.STATE_DISCONNECTED){
                    //判断是否断开连接码
                    
                }
        }
    }
    
    //其他回调方法
}
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当发现服务成功后,会触发BluetoothGattCallback#onServicesDiscovered()回调:

//定义需要进行通信的ServiceUUID
private UUID mServiceUUID = UUID.fromString("0000xxxx-0000-1000-8000-00805f9b34fb");

//定义蓝牙Gatt回调类
public class daqiBluetoothGattCallback extends BluetoothGattCallback{

    //服务发现回调
    @Override
    public void onServicesDiscovered(BluetoothGatt gatt, int status) {
        super.onServicesDiscovered(gatt, status);
        if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
            mHandler.post(() ->
                //获取指定uuid的service
                BluetoothGattService gattService = mBluetoothGatt.getService(mServiceUUID);
                //获取到特定的服务不为空
                if(gattService != null){
                    
                }else{
                    //获取特定服务失败
                    
                }
            );
        }
    }
}
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2.2、发现服务失败

    发现服务时,会存在发现不了特定服务的情况。或者说,整个BluetoothGatt对象中的服务列表为空。
    BluetoothGatt类中存在一个隐藏的方法refresh(),用于刷新Gatt的服务列表。当发现不了服务时,可以通过反射去调用该方法。

3、修改特征值并监听外设特征值改变

3.1、读写特定特征

//定义需要进行通信的ServiceUUID
private UUID mServiceUUID = UUID.fromString("0000xxxx-0000-1000-8000-00805f9b34fb");
//定义需要进行通信的CharacteristicUUID
private UUID mCharacteristicUUID = UUID.fromString("0000yyyy-0000-1000-8000-00805f9b34fb");


//定义蓝牙Gatt回调类
public class daqiBluetoothGattCallback extends BluetoothGattCallback{

    //服务发现回调
    @Override
    public void onServicesDiscovered(BluetoothGatt gatt, int status) {
        super.onServicesDiscovered(gatt, status);
        if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
            mHandler.post(() ->
                //获取指定uuid的service
                BluetoothGattService gattService = mBluetoothGatt.getService(mServiceUUID);
                //获取到特定的服务不为空
                if(gattService != null){
                    //获取指定uuid的Characteristic
                    BluetoothGattCharacteristic gattCharacteristic = gattService.getCharacteristic(mCharacteristicUUID);
                    //获取特定特征成功
                    if(gattCharacteristic != null){
                        //写入你需要传递给外设的特征值(即传递给外设的信息)
                        gattCharacteristic.setValue(bytes);
                        //通过GATt实体类将,特征值写入到外设中。
                        mBluetoothGatt.writeCharacteristic(gattCharacteristic);
                        
                        //如果只是需要读取外设的特征值:
                        //通过Gatt对象读取特定特征(Characteristic)的特征值
                        String readValue = mBluetoothGatt.readCharacteristic(gattCharacteristic);
                    }
                }else{
                    //获取特定服务失败
                    
                }
            );
        }
    }
}
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    当成功读取特征值时,会触发BluetoothGattCallback#onCharacteristicRead()回调。

@Override
public void onCharacteristicRead(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattCharacteristic characteristic, int status) {
    super.onCharacteristicRead(gatt, characteristic, status);
    if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
        //获取读取到的特征值
        characteristic.getValue()
    }
}
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    当成功写入特征值到外设时,会触发BluetoothGattCallback#onCharacteristicWrite()回调。

@Override
public void onCharacteristicWrite(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattCharacteristic characteristic, int status) {
    super.onCharacteristicWrite(gatt, characteristic, status);
    if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
        //获取写入到外设的特征值
        characteristic.getValue()
    }
}
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    当写入完特征值后,外设会修改自己的特征值,手机会触发BluetoothGattCallback#onCharacteristicChanged()方法,进行双向通信

@Override
public void onCharacteristicChanged(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattCharacteristic characteristic) {
     if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
        //获取外设修改的特征值
        String value = characteristic.getValue()
        //对特征值进行解析
        
    }
}
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4、断开连接

    断开连接的操作分为两步:

        1、mBluetoothGatt.disconnect();
        2、mBluetoothGatt.close();

    调用disconnect()后,会触发手机会触发BluetoothGattCallback#onConnectionStateChange()的回调,回调断开连接信息,newState = BluetoothProfile.STATE_DISCONNECTED。但接着马上调用close(),会终止BluetoothGattCallback#onConnectionStateChange()的回调,可以看情况将两个进行拆分调用,但一般都是成对出现。
    例如:
        需要在外设修改特征值触发BluetoothGattCallback#onCharacteristicChanged()时,断开连接。可以先在BluetoothGattCallback#onCharacteristicChanged()中调用disconnect(),并等调用BluetoothGattCallback#onConnectionStateChange()回调,返回断开连接信息后,再调用close()对Gatt资源进行关闭。

    当和外设进行ble通信时,如出现任何意外情况,马上调用断开连接操作。

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