低功耗蓝牙（BLE）在 Android APP 中的应用

前言

最近公司接了一个新项目，用户可以把自己的乐器跟Phone或Pad连接起来，当弹奏乐器的时候，会把演奏情况同步反馈到设备上，方便用户练习，有点类似于之前玩过的一款叫 [ 吉他英雄 ]的游戏。不过这次不用插线，直接蓝牙无线连接就可以了。
那么问题来了，因为弹奏的时候数据传输一直在进行，但是如果要一直打开蓝牙的话是很费电的，也许没几首曲子下来设备的电量就耗掉了不少，这当然是无法接受的。那有没有什么好的解决方案呢？
运气真好，Android在4.3之后加入了BLE技术，可以大大节省设备功耗。那么什么是BLE呢？它跟经典蓝牙有什么区别呢？开发中又要注意哪些问题呢？

什么是BLE？

BLE 是Bluetooth Low Energy低功耗蓝牙的缩写，顾名思义，其功耗较低。

跟经典蓝牙的区别

我们知道，现在移动设备上使用的蓝牙大多是4.0，而蓝牙 4.0 有两个分支，经典 4.0 和 BLE4.0，经典 4.0 就是传统的3.0 蓝牙升级而成，向下兼容。而 BLE 4.0 是一个新的分支，不向下兼容。
相较于经典蓝牙，BLE的优点是快速搜索，快速连接，超低功耗保持连接和传输数据，弱点是数据传输速率低，物理带宽只有 1M，实际传输速度在 1～6KB 之间。

BLE开发中要注意的问题

关键术语和概念

• Generic Attribute Profile（GATT）—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。 蓝牙SIG规定了许多低功耗设备的配置文件。配置文件是设备如何在特定的应用程序中工作的规格说明。注意一个设备可以实现多个配置文件。例如，一个设备可能包括心率监测仪和电量检测。

• Attribute Protocol（ATT）—GATT在ATT协议基础上建立，也被称为GATT/ATT。ATT对在BLE设备上运行进行了优化，为此，它使用了尽可能少的字节。每个属性通过一个唯一的的统一标识符（UUID）来标识，每个String类型UUID使用128 bit标准格式。属性通过ATT被格式化为characteristics和services。

• Characteristic 一个characteristic包括一个单一变量和0-n个用来描述characteristic变量的descriptor，characteristic可以被认为是一个类型，类似于类。

• Descriptor Descriptor用来描述characteristic变量的属性。例如，一个descriptor可以规定一个可读的描述，或者一个characteristic变量可接受的范围，或者一个characteristic变量特定的测量单位。

• Service service是characteristic的集合。例如，你可能有一个叫“Heart Rate Monitor(心率监测仪)”的service，它包括了很多characteristics，如“heart rate measurement(心率测量)”等。你可以在bluetooth.org 找到一个目前支持的基于GATT的配置文件和服务列表。

上面一大串专业术语没看懂的，看下面这张图：

怎么样，看完是不是清晰了很多~

角色和职责

Android设备与BLE设备交互有两组角色：

• 中心设备和外围设备（Central vs. peripheral）:
  中心设备和外围设备的概念针对的是BLE连接本身。Central角色负责scan advertisement。而peripheral角色负责make advertisement。

• GATT server vs. GATT client:
  这两种角色取决于BLE连接成功后，两个设备间通信的方式。

举例说明：
现 有一个活动追踪的BLE设备和一个支持BLE的Android设备。Android设备支持Central角色，而BLE设备支持peripheral角 色。创建一个BLE连接需要这两个角色都存在，都仅支持Central角色或者都仅支持peripheral角色则无法建立连接。

当 连接建立后，它们之间就需要传输GATT数据。谁做server，谁做client，则取决于具体数据传输的情况。例如，如果活动追踪的BLE设备需要向 Android设备传输sensor数据，则活动追踪器自然成为了server端；而如果活动追踪器需要从Android设备获取更新信息，则 Android设备作为server端可能更合适。

建立连接的流程

1.使用BluetoothAdapter.startLeScan来扫描BLE设备；
2.在扫描到设备的回调函数onLeScan中会得到BluetoothDevice对象；
3.使用BluetoothDevice.connectGatt(参数之一BluetoothGattCallback用于传递一些连接状态及结果)
来获取到BluetoothGatt对象，BluetoothGatt.connect建立连接；
4.上面的BluetoothGattCallback参数为BluetoothGattCallback的匿名内部类，     
通过重写一些方法来对客户端进行操作，例如读取BluetoothGattService与BluetoothGattCharacteristic。

下面结合Google官方的 Sample：BluetoothLeGatt，来讲讲具体的流程。

BLE权限

和经典蓝牙一样，app使用BLE，需要声明BLUETOOTH权限。利用这个权限去执行蓝牙通信，例如请求连接、接受连接、和传输数据。
如果想让你的app启动设备发现或操纵蓝牙设置，必须声明BLUETOOTH_ADMIN权限。注意：如果你使用BLUETOOTH_ADMIN权限，你也必须声明BLUETOOTH权限。
在你的app manifest文件中声明蓝牙权限：

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

如果想声明你的app只为具有BLE的设备提供，在manifest文件中包括：

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

但是如果想让你的app提供给那些不支持BLE的设备，需要在manifest中包括上面代码并设置required=”false”，然后在运行时可以通过使用PackageManager.hasSystemFeature()确定BLE的可用性：

// 使用此检查确定BLE是否支持在设备上，然后你可以有选择性禁用BLE相关的功能
  if (!getPackageManager().hasSystemFeature(PackageManager.FEATURE_BLUETOOTH_LE)) {
    Toast.makeText(this, R.string.ble_not_supported, Toast.LENGTH_SHORT).show();
    finish();
}   

启动蓝牙

你的app与BLE通信之前，你需要确认设备是否支持BLE，如果支持，确认已经启用。注意如果<uses-feature.../>设置为false，这个检查才是必需的。
如果不支持BLE，那么你应该适当地禁用部分BLE功能。如果支持BLE但被禁用，你可以无需离开应用程序而要求用户启动蓝牙。使用BluetoothAdapter两步完成该设置。

1.获取 BluetoothAdapter
BluetoothAdapter是Android系统中所有蓝牙操作都需要的，它对应本地Android设备的蓝牙模块，在整个系统中BluetoothAdapter是单例的。当你获取到它的示例之后，就能进行相关的蓝牙操作了。下面的代码片段显示了如何得到适配器。注意该方法使用getSystemService()返回BluetoothManager，然后将其用于获取适配器的一个实例。Android 4.3（API 18）引入BluetoothManager。

// 初始化蓝牙适配器
 final BluetoothManager bluetoothManager =
                (BluetoothManager) getSystemService(Context.BLUETOOTH_SERVICE);
        mBluetoothAdapter = bluetoothManager.getAdapter();

2.开启蓝牙
接下来，你需要确认蓝牙是否开启。调用isEnabled()去检测蓝牙当前是否开启。如果该方法返回false,蓝牙被禁用。下面的代码检查蓝牙是否开启，如果没有开启，将显示错误提示用户去设置开启蓝牙。

// 确保蓝牙在设备上可以开启
if (mBluetoothAdapter == null || !mBluetoothAdapter.isEnabled()) {
   Intent enableBtIntent = new Intent(BluetoothAdapter.ACTION_REQUEST_ENABLE);
   startActivityForResult(enableBtIntent, REQUEST_ENABLE_BT);
}

搜索BLE设备

通过调用BluetoothAdapter的startLeScan()搜索BLE设备。调用此方法时需要传入 BluetoothAdapter.LeScanCallback参数。
因此你需要实现 BluetoothAdapter.LeScanCallback接口，BLE设备的搜索结果将通过这个callback返回。
因为扫描BLE设备是电源密集型操作，浪费电量，因此要保证以下原则：
1、当找到对应的设备后，立即停止扫描；
2、不要循环搜索设备，为每次搜索设置适合的时间限制。避免设备不在可用范围的时候持续不停扫描，消耗电量。

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) {
            // 经过预定扫描期后停止扫描
            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);
        }
    }

如果你只想扫描指定类型的外围设备，可以改为调用startLeScan(UUID[], BluetoothAdapter.LeScanCallback)),需要提供你的app支持的GATT services的UUID对象数组。
作为BLE扫描结果的接口，下面是BluetoothAdapter.LeScanCallback的实现。

// 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();
                        }
                    });
                }
            };

亲测，使用这种方式智能搜索到BLE设备，经典蓝牙设备搜不到的。

连接到GATT服务端

与一个BLE设备交互的第一步就是连接它——更具体的，连接到BLE设备上的GATT服务端。为了连接到BLE设备上的GATT服务端，需要使用connectGatt( )方法。这个方法需要三个参数：一个Context对象，autoConnect（boolean值,表示只要BLE设备可用是否自动连接到它），和BluetoothGattCallback调用。
mBluetoothGatt = device.connectGatt(this, false, mGattCallback);
连接到GATT服务端时，由BLE设备做主机，并返回一个BluetoothGatt实例，然后你可以使用这个实例来进行GATT客户端操作。请求方（Android app)是GATT客户端。BluetoothGattCallback用于传递结果给用户，例如连接状态，以及任何进一步GATT客户端操作。

    // Implements callback methods for GATT events that the app cares about.  For example,
    // connection change and services discovered.
    private final BluetoothGattCallback mGattCallback = new BluetoothGattCallback() {
        @Override
        public void onConnectionStateChange(BluetoothGatt gatt, int status, int newState) {
            String intentAction;
            Log.i(TAG, "oldStatus=" + status + " NewStates=" + newState);
            if(status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS)
            {

            if (newState == BluetoothProfile.STATE_CONNECTED) {
                intentAction = ACTION_GATT_CONNECTED;

                broadcastUpdate(intentAction);
                Log.i(TAG, "Connected to GATT server.");
                // Attempts to discover services after successful connection.
                Log.i(TAG, "Attempting to start service discovery:" +
                mBluetoothGatt.discoverServices());
            } else if (newState == BluetoothProfile.STATE_DISCONNECTED) {
                intentAction = ACTION_GATT_DISCONNECTED;
                mBluetoothGatt.close();
                mBluetoothGatt = null;
                Log.i(TAG, "Disconnected from GATT server.");
                broadcastUpdate(intentAction);
            }
            }
        }

        @Override
        public void onServicesDiscovered(BluetoothGatt gatt, int status) {
            if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
                Log.w(TAG, "onServicesDiscovered received: " + status);
                findService(gatt.getServices());
            } else {
                if(mBluetoothGatt.getDevice().getUuids() == null)
                Log.w(TAG, "onServicesDiscovered received: " + status);

            }
        }

        @Override
        public void onCharacteristicRead(BluetoothGatt gatt,
                                         BluetoothGattCharacteristic characteristic,
                                         int status) {
            Log.i(TAG, "onCharacteristicRead: ");
            if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
                broadcastUpdate(ACTION_DATA_AVAILABLE, characteristic);
                Log.i(TAG, "onCharacteristicRead: ");
            }
        }

        @Override
        public void onCharacteristicChanged(BluetoothGatt gatt,
                                            BluetoothGattCharacteristic characteristic) {
            Log.e(TAG, "OnCharacteristicChanged");
            broadcastUpdate(ACTION_DATA_AVAILABLE, characteristic);
            Log.e(TAG, "OnCharacteristicChanged");
        }

        @Override
        public void onCharacteristicWrite(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattCharacteristic characteristic,
                                        int status)
        {
            Log.e(TAG, "OnCharacteristicWrite");
        }

        @Override
        public void onDescriptorRead(BluetoothGatt gatt,
                                         BluetoothGattDescriptor bd,
                                         int status) {
            Log.e(TAG, "onDescriptorRead");
        }

        @Override
        public void onDescriptorWrite(BluetoothGatt gatt,
                                         BluetoothGattDescriptor bd,
                                         int status) {
            Log.e(TAG, "onDescriptorWrite");
        }

        @Override
        public void onReadRemoteRssi(BluetoothGatt gatt, int a, int b)
        {
            Log.e(TAG, "onReadRemoteRssi");
        }

        @Override
        public void onReliableWriteCompleted(BluetoothGatt gatt, int a)
        {
            Log.e(TAG, "onReliableWriteCompleted");
        }

    };

上面的代码中，主要看4个方法：

onConnectionStateChange(BluetoothGatt gatt, int status, int newState){...};
onServicesDiscovered(BluetoothGatt gatt, int status){...}; 
onCharacteristicRead(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattCharacteristic characteristic,
                                     int status){...};
onCharacteristicWrite(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattCharacteristic 
                                     characteristic,int status){...}

我们的GATT客户端连接到GATT服务端后，由于连接状态的改变，首先触发onConnectionStateChange() 方法，我们看到在这里有一个判断，如果状态为BluetoothProfile.STATE_CONNECTED，说明连接成功。接下来有两个动作：broadcastUpdate()
与BluetoothGatt.discoverServices()。broadcastUpdate()，这个是自己封装的方法，因为要一直保持连接状态并接收数据，所以把上面这些写到一个Service里，Activity与用户交互，这样就避免了APP处于后台时断开连接了。broadcastUpdate() 负责在连接状态改变或收到数据时，将信息发送给Activity，改变界面状态通知用户。

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:
        // http://developer.bluetooth.org/gatt/characteristics/Pages/CharacteristicViewer.aspx?  u=org.bluetooth.characteristic.heart_rate_measurement.xml
            // For all other profiles, writes the data formatted in HEX.
        final byte[] data = characteristic.getValue();
        Log.i(TAG, "broadcastUpdate: "+ 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());
            intent.putExtra(EXTRA_DATA, new String(data));
            Log.i(TAG, "broadcastsend: ");
        }
        sendBroadcast(intent);
    }

BluetoothGatt.discoverServices() 搜索GATT服务端发送过来的service，找到后触发onServicesDiscovered() ，我们看到里面有一个自己封装的findService() 方法，这个方法会遍历搜索到的所有service，根据UUID找到需要的service，接着遍历里面的所有Characteristic，根据UUID找到需要的Characteristic，读取数据的话，主要靠BluetoothGatt.setCharacteristicNotification这个方法，在Characteristic状态发生变化时，会触发onCharacteristicChanged() 这个方法，我们可以在里面再次调用broadcastUpdate() 通知用户。
注意：在调用完BluetoothGatt.setCharacteristicNotification，要加上这么一段：

         //属性时一定要写的，否则会收不到通知
        List<BluetoothGattDescriptor> descriptors = characteristic.getDescriptors();
        for (BluetoothGattDescriptor bgp : descriptors) {
            Log.i(TAG, "setCharacteristicNotification: " + bgp);
            bgp.setValue(BluetoothGattDescriptor.ENABLE_NOTIFICATION_VALUE);
            mBluetoothGatt.writeDescriptor(bgp);
        }

不然会收不到通知，在这里坑了很久…..
那有人就问了，onCharacteristicRead() 是做什么的？在我们调用BluetoothGatt.readCharacteristic(mNotifyCharacteristic); 的时候，会触发onCharacteristicRead()，但是一般用不上。因为我们没法知道数据什么时候传过来，所以大部分情况下还是用BluetoothGatt.setCharacteristicNotification 多一点。
写数据的话，要用
Characteristic.setValue(strValue.getBytes());
BluetoothGatt.writeCharacteristic(mNotifyCharacteristic);
然后会触发onCharacteristicWrite() ，我们可以再次调用broadcastUpdate() 通知用户。

关闭BLE

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

就先说这么多吧，发现遗漏再往上加。

参考文章：
http://blog.csdn.net/hellogv/article/details/24267685
http://www.cnblogs.com/savagemorgan/p/3722657.html
http://my.oschina.net/tingzi/blog/215008
http://blog.csdn.net/chaoyue0071/article/details/43450091/