Android-蓝牙ble（连接通信篇）

前言

前面我们已经了解了蓝牙ble的基本流程，主要分为：扫描发现蓝牙设备、解析蓝牙广播包、建立GATT连接、mtu协商 发现服务、打开服务、进行通信、断开连接。

上篇已经重点讲解了蓝牙ble的扫描和广播解析，本次我们介绍一下蓝牙的连接过程，对于通信过程我们后面再详细讲解。

蓝牙ble连接概念

当目标设备已经被我们用app发现的时候，我们就需要和蓝牙设备建立连接才能通信，建立连接我们通常会先打开设备的GATT连接，那么什么是GATT？为了说明GATT的本质，我们先了解下ATT。

ATT

ATT：Attribute Protocol。它是一种属性协议，它定义了设备如何被发现，以及设备的读写规则。因此，ATT是一种协议规范。（我们上篇提到的蓝牙广播和扫描也是遵循了ATT的协议的，之所以不在上一篇文章提主要是为了突出扫描和广播的的重点）。

ATT定义设备作为服务端（终端设备）提供拥有关联值的属性集（属性集组成了一个集合服务）让作为客户端的设备（手机/平板）来发现、读、写这些属性；同时服务端能主动通知客户端。

ATT定义了两种角色: 服务端(Server)和客户端(Client)

ATT中的属性包含下面三个内容：

- Attribute Type       : 由UUID(Universally Unique IDentifier)来定义 
- Attribute Handle     : 用来访问Attribute Value 
- A set of Permissions : 控制该Attribute是否可读、可写、属性值是否通过加密链路发送

GATT

GATT

GATT（Generic Attribute Profile）是Bluetooth Low Energy（BLE）协议的一部分，它是基于ATT的。它定义了设备如何传输和接收数据。他是一种通讯协议的通用数据格式，在设备端，存储了一份名为gatt profile的文件来存储数据。app和设备的进行通信，本质上就是进行GATT的数据交换。

GATT使用的是客户端（APP）-服务器（Device）架构。在这种架构中，服务器设备拥有可供其他设备访问的数据（称为特性，Characteristics）。客户端设备可以读取、写入或者订阅这些数据的变化。

一个GATT服务包含一个或多个特性，每个特性都有一个唯一的UUID（Universally Unique Identifier）用于标识。每个特性也可以包含一个或多个描述符（Descriptors），用于描述特性的属性。

例如，一个心率监测设备可能提供一个心率服务，这个服务包含一个特性，用于报告当前的心率。手机（作为客户端设备）可以连接到这个设备，读取心率特性的值，或者订阅心率的变化。

MTU

MTU，全称为Maximum Transmission Unit，是数据通信中的一个重要概念，指的是一次可以传输的最大数据单元（单位通常是用：Byte）。在蓝牙通信中，MTU大小决定了一次可以发送或接收的最大字节数。

蓝牙的MTU大小可以在连接建立后进行协商。默认的MTU大小为23字节，但是在许多现代设备中，MTU可以被协商到更大的值，从而提高数据传输效率。我们通常所说的最大payload指的就是mtu。在蓝牙4.0的时候，默认的mtu是23个字节，但是具体的mtu为多少，很大程度取决于设备端的芯片。

Service

顾名思义，指代的是服务。例如：

1. 健康服务（Health Service）：提供心率、血压等特征。
2. 天气服务（Weather Service）：提供温度、湿度、天气等特征。
3. 基础服务（Basic Service）：电量、开关等服务。
4. 状态服务（Status Service）：设备处于待配网、设备处于已配网等等

以下是通过nRF展示的已经连接的设备的提供的services

Services是由

Character：

特征值。他不会独立存在，肯定是依托于某一个Services。他往往代表一个设备特征值，例如电量、开关、亮度、心率等等都是设备等特征，也可以理解为属性。

Descriptor：

是对特征值（Character）的一种描述。例如，我们有一个特征值是心率。那么心率的描述就是：心率是指心脏在一定时间内跳动的次数，通常以每分钟的心跳次数（BPM，即每分钟的跳动次数）来计算。心率是衡量心脏健康和身体活动水平的重要指标。

小结

蓝牙通信主要是通过gatt制定的数据通用格式进行的，这些数据的通用格式是由一个或多个services组成的，其中一个services又由一个或多个character组成的。因此，蓝牙的物理连接主要就是为了打开设备的gatt通道。 这才具备了后续进行通信的充分必要条件。

Android 连接实战

首先，经过上一篇文章的了解，我们已经通过扫描，拿到了蓝牙的扫描结果ScanResult，接下来，我们使用android API来打开GATT通道。

连接API

package android.bluetooth;

public final class BluetoothDevice implements Parcelable, Attributable {
    public BluetoothGatt connectGatt(Context context, boolean autoConnect,
        BluetoothGattCallback callback, int transport,
        boolean opportunistic, int phy, Handler handler){...}
}

蓝牙ble连接的connectGatt是存在多个重载的。我们这里直接介绍参数最多的，因为其余的函数最终还是走这里的。好了。废话不多说，我们来直接看下连接的参数分别有什么作用；

• context（Context）：android赖以生存的上下文。

• autoConnect（Boolean）：如果此参数为 true，系统会在蓝牙设备可用时自动尝试连接。如果为 false，系统会立即尝试连接。

• callback (BluetoothGattCallback) : 用于接收异步操作的结果，如连接状态改变和服务发现等。

• transport 参数用于指定用于此连接的传输类型。取值可以是以下几种：

  • TRANSPORT_AUTO (int): 这是默认的传输层模式。系统会自动根据设备和可用的硬件选择最佳的传输模式。

  • TRANSPORT_BREDR (int): 该模式指定使用基本速率/增强数据速率 (BR/EDR) 传输，这是传统的蓝牙连接方式，通常用于较远的距离和较高的数据传输速率。

  • TRANSPORT_LE (int): 该模式指定使用低功耗 (LE) 传输，这是一种针对短距离、低数据传输速率和低功耗的蓝牙连接方式。

  选择哪种传输模式取决于你的应用需要和远程设备的支持。例如，如果你正在开发一个需要长时间运行且电池寿命重要的应用，那么可能会选择 TRANSPORT_LE。相反，如果你需要在较远的距离传输大量数据，那么可能会选择 TRANSPORT_BREDR。

• BluetoothGattCallback 是一个抽象类，用于接收来自 BluetoothGatt 对象的异步操作的回调,这个回调十分重要，后续所有和设备相关的回调都会通过该回调返回结果。以下是一些主要的回调方法及其含义：

  • onConnectionStateChange(BluetoothGatt gatt, int status, int newState): 当远程设备的连接状态发生更改时，会回调此方法。

  • onServicesDiscovered(BluetoothGatt gatt, int status): 当远程设备的服务被发现时，会回调此方法。

  • onCharacteristicRead(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattCharacteristic characteristic, int status): 当读取特性操作完成时，会回调此方法。

  • onCharacteristicWrite(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattCharacteristic characteristic, int status): 当写入特性操作完成时，会回调此方法。

  • onCharacteristicChanged(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattCharacteristic characteristic): 当启用特性通知并且特性的值发生更改时，会回调此方法。

  • onDescriptorRead(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattDescriptor descriptor, int status): 当读取描述符操作完成时，会回调此方法。

  • onDescriptorWrite(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattDescriptor descriptor, int status): 当写入描述符操作完成时，会回调此方法。

  • onReliableWriteCompleted(BluetoothGatt gatt, int status): 当可靠写入操作完成时，会回调此方法。

  • onReadRemoteRssi(BluetoothGatt gatt, int rssi, int status): 当读取远程设备的 RSSI 完成时，会回调此方法。

  • onMtuChanged(BluetoothGatt gatt, int mtu, int status): 当 MTU 更改时，会回调此方法。

以上每个方法的 status 参数都是一个表示操作成功或失败的状态代码。如果操作成功， status 将是 BluetoothGatt.GATT_SUCCESS。否则，它将是一个错误代码。

调用示例

fun openGatt(scanResult: ScanResult){
    if (ActivityCompat.checkSelfPermission(
            context,
            Manifest.permission.BLUETOOTH_CONNECT
        ) != PackageManager.PERMISSION_GRANTED
    ) {
        // TODO: No permission
        return
    }
    // 打开gatt连接
    val bleGatt = scanResult.device.connectGatt(context, false, object : BluetoothGattCallback() {
        override fun onConnectionStateChange(
            gatt: BluetoothGatt?, status: Int,
            newState: Int
        ) {
            // 设备连接状态回调
            // 具体参数含义见下文
        }
    })
}

这个回调方法 onConnectionStateChange 在 BluetoothGattCallback 中用于处理与远程设备的连接状态改变相关的事件。以下是每个参数的详细解释：

• gatt: BluetoothGatt? - 这是当前连接的 GATT 客户端。你可以使用这个对象来读取、写入、和接收特性的通知。

• status: Int - 这是连接或操作的状态。如果连接或操作成功，状态将是 BluetoothGatt.GATT_SUCCESS。否则，它将是一个错误代码，表示连接或操作失败的原因。

• newState: Int - 这是设备的新连接状态。可能的值有：

  • BluetoothProfile.STATE_CONNECTED（值为 2）表示设备已连接。

  • BluetoothProfile.STATE_DISCONNECTED（值为 0）表示设备已断开连接。

  • BluetoothProfile.STATE_CONNECTING（值为 1）表示设备正在连接。

  • BluetoothProfile.STATE_DISCONNECTING（值为 3）表示设备正在断开连接。

当设备的连接状态发生更改时（例如，从未连接状态变为已连接状态），将调用此回调方法。

Bluetooth Gatt的状态

public final class BluetoothGatt implements BluetoothProfile {
    private static final int CONN_STATE_IDLE = 0;  // 初始化
    private static final int CONN_STATE_CONNECTING = 1; // 正在连接
    private static final int CONN_STATE_CONNECTED = 2;  // 已经连接
    private static final int CONN_STATE_DISCONNECTING = 3;// 正在断连
    private static final int CONN_STATE_CLOSED = 4;// 蓝牙GATT已关闭

断开连接和关闭资源

android的断开链接和关闭资源是两个不同的API，他们分别是

class BluetoothDevice{
    public void disconnect();
}

和

class BluetoothGatt{
    public void close();
}

那这两个方法有什么作用呢？前者仅仅是断开和蓝牙设备的连接。后者是关闭的整个蓝牙在系统内的资源占用。因此，如果有些场景，需要暂时断开蓝牙，后续你是需要重新连接的，那么我们仅调用BluetoothDevice#disconnect即可，如果我们不再使用该蓝牙资源了，那么在调用disconnect之后，必要调用调用BluetoothGatt#close来关闭资源。

打开Gatt通道之后

当我们调用了gatt连接之后，并且设备的newState为BluetoothProfile.STATE_CONNECTED，按理来说我们应该已经可以通信了。

我们前面说过，连接的目的是为了通信，通信的数据是为了交换service-character的数据。所以在正式通信之前，我们还得保证我们要通信的service是存在的。

因此在真正进行通信之前，mtu协商、发现服务、打开服务也成了通信之前的必要准备。

mtu 协商

后面我们来看看mtu协商的API

package android.bluetooth;


public final class BluetoothGatt implements BluetoothProfile {
    // 和设备进行mtu的协商
    public boolean requestMtu(int mtu){...}
    ...
}

API很简单，就是通过上述连接成功拿到的BluetoothGatt对象直接调用requestMtu(int mtu)即可。mtu协商的结果是通过BluetoothGattCallback#onMtuChanged(BluetoothGatt gatt, int mtu, int status)返回的，这个比较简单，就不再多做叙述了。

发现服务

发现服务就是查看，当前设备提供的服务，有没有符合我们要求的service。

发现服务的service API如下：

package android.bluetooth;


public final class BluetoothGatt implements BluetoothProfile {
    // 发现设备里面所有的服务
    public boolean discoverServices();
    // 发现制定UUID的服务
    public boolean discoverServiceByUuid(UUID uuid);
    ...
}

结果是通过BluetoothGattCallback#onServicesDiscovered(BluetoothGatt gatt, int status)返回的，这个比较简单，就不再多做叙述了。

打开服务

我们在发现服务之后，就需要打开特定服务的character的通道，来确保我们的数据通道是正常可用的。

package android.bluetooth;

public final class BluetoothGatt implements BluetoothProfile {
    @RequiresLegacyBluetoothPermission
    @RequiresBluetoothConnectPermission
    @RequiresPermission(android.Manifest.permission.BLUETOOTH_CONNECT)
    public boolean setCharacteristicNotification(BluetoothGattCharacteristic characteristic,boolean enable) {}

结果是通过BluetoothGattCallback#onCharacteristicChanged(@NonNull BluetoothGatt gatt, @NonNull BluetoothGattCharacteristic characteristic, @NonNull byte[] value)返回的。

BluetoothGattCharacteristic是根据Service和Character确定下来的。 在 Bluetooth GATT 中，每个服务、特性和描述符都由一个 UUID 来唯一标识。这些 UUID 可以是标准的，也可以是自定义的。

以下是一些标准的 UUID 示例：

• 心率服务：0000180d-0000-1000-8000-00805f9b34fb
• 心率测量特性：00002a37-0000-1000-8000-00805f9b34fb
• 设备名称特性：00002a00-0000-1000-8000-00805f9b34fb

这些 UUID 都是按照 Bluetooth SIG 提供的规范定义的。

如果你正在开发自己的设备和服务，你可能需要自定义 UUID。自定义 UUID 通常是随机生成的，例如：

• 自定义服务：12345678-1234-5678-1234-567812345678
• 自定义特性：9abcdef0-1234-5678-1234-567812345678

请注意，自定义 UUID 应该避免与标准 UUID 冲突，并且在同一设备或服务中应该是唯一的。

有了Service和Character，我们就可以通过以下方式得到BluetoothGattCharacteristic

val characteristic : BluetoothGattCharacteristic? = gatt?.services?.filter {
    it.uuid == myService // 比较uuid的内容
}?.get(0)?.getCharacteristic(myCharacteristic)

使用注意点

我们发现，上面的mtu协商、发现服务、打开服务的函数返回值都是boolean，包括后面通信要说的writeXXX()的方法。那么这个boolean的值代表什么含义呢？这个比较好理解，首先，蓝牙的通信其实本质上和HTTP是一样的，是一种异步IO。我们看下从我们调用以上API到设备收到数据再回复消息的过程是怎么样的。

上述的过程有点像寄快递一样，只不过这个快递需要一个回执。

1. 首先我们调用系统的API将数据给到系统。（将我们的快递给到快递公司）
2. 系统通过手机上的蓝牙驱动将数据发送到外界。（快递公司将快递的打包之后装车开始运输），然后告诉我们包裹已经顺利寄出去了
3. 外界的蓝牙目标设备发现这个是发送给他的消息开始处理（收件人收到快递）
4. 最后处理的结果返回给手机

上述的boolean变量就代表了我们发送的数据是否正确发出，但是不代表设备是否有收到（丢数据就跟丢包裹一样）。

对于蓝牙连接的使用建议

蓝牙的连接是比较耗费资源的。因此，我们在实际开发当中势必要对蓝牙的连接进行一个管理。如果管理不当，内存泄漏、资源浪费、耗费电量等等都是会影响我们app的性能和用户体验的。

使用单例模式统一管理所有的连接资源

object BleConnectManager {
    // 定义连接任务对象
    data class ConnectModule(
        val gatt : BluetoothGatt,
        val gattCallback: BluetoothGattCallback,
        val bluetoothDevice: BluetoothDevice
    )
    
    // 用于管理所有已经连接的gatt,K = mac, V = BluetoothGatt
    private val gattMap : MutableMap<String, ConnectModule> = ConcurrentHashMap()
    
    // 根据mac的物理地址获取已存在的gatt，若无则返回空
    fun obtainBluetoothGatt(mac : String) : ConnectModule? = gattMap[mac]
    
    // 获取一个Gatt
    fun getBluetoothGatt(context : Context, autoConnect: Boolean,device: BluetoothDevice) : ConnectModule{
        var connectModule = obtainBluetoothGatt(device.address)
        if (connectModule != null) {
            return connectModule
        }
        val gattCallback = object : BluetoothGattCallback() {
            // ... 省略
        }
        val connectGatt = device.connectGatt(context, autoConnect, gattCallback)
        // 存储gatt
        connectModule = ConnectModule(
            gatt = connectGatt,
            gattCallback = gattCallback,
            bluetoothDevice =  device
        )
        gattMap[device.address] = connectModule
        return connectModule
    }
    
    // 断开连接
    fun disconnect(mac : String){
        gattMap[mac]?.disconnect()
    }
    
    // 断开并且释放gatt资源
    fun disconnectAndCloseGatt(mac : String){
        gattMap.remove(mac)?.let {
            it.disconnect()
            it.close()
        }
    }
}

以上的代码仅仅用来表达对于连接资源管理的重要性，实际代码当中，需要根据业务需求进行改造。

通信

发送数据（Write）

蓝牙写数据的API：

public final class BluetoothGatt implements BluetoothProfile{
    public boolean writeCharacteristic(BluetoothGattCharacteristic characteristic)
}

使用示例：

// 获取要通信的characteristic
val characteristic : BluetoothGattCharacteristic? 
    = gatt?.services?.filter { 
        it.uuid == myService // 比较uuid的内容 }?
        .get(0)?.getCharacteristic(myCharacteristic)
// 准备好下发的数据
val data : ByteArray? = assemableData()
// 设置数据
characteristic?.setValue(data)
// 发送数据
val sendResult = bluetoothGatt.writeCharacteristic(characteristic)

结果是通过BluetoothGattCallback#onCharacteristicWrite(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattCharacteristic characteristic, int status)返回的，这个比较简单，就不再多做叙述了。

读取数据（Read）

蓝牙读数据的API：

public final class BluetoothGatt implements BluetoothProfile{
    public boolean readCharacteristic(BluetoothGattCharacteristic characteristic)
}

使用示例：

// 获取要通信的characteristic
val characteristic : BluetoothGattCharacteristic? 
    = gatt?.services?.filter { 
        it.uuid == myService // 比较uuid的内容 }?
        .get(0)?.getCharacteristic(myCharacteristic)
// 发送数据
val sendResult = bluetoothGatt.readCharacteristic(characteristic)

结果是通过BluetoothGattCallback#onCharacteristicRead(@NonNull BluetoothGatt gatt, @NonNull BluetoothGattCharacteristic characteristic, @NonNull byte[] value, int status) 返回的，这个比较简单，就不再多做叙述了。

数据的吞吐量

我们知道，数据的发送和接收都伴随着处理的。手机的数据处理目前的性能是比较过剩的，我们这里讨论的主要是设备接收的。通常情况下，设备的处理是FIFO的队列形式，如果我们发送的数据超过数据的吞吐量，那么会导致数据处理不过来。因此，最好在正式通信之前，先和设备进行吞吐量的协商，通常是决定1s内，设备能处理多少的数据包。

总结

以上就是蓝牙的连接和通信相关的分享了。下一篇我们来聊聊，app发送蓝牙广播包要如何使用？