Android 蓝牙BLE开发完全指南

如果你想开发一款能够与周围的蓝牙BLE设备通信的Android应用程序，那么你需要了解如何使用Android提供的Bluetooth Low Energy（BLE）API。本指南将帮助你快速入门BLE开发，并通过两个示例，详细介绍如何使用Android BLE API建立连接、搜索设备、读写数据等操作。

基础概念

BLE简介

Bluetooth Low Energy（BLE），又称为Bluetooth LE、Bluetooth Smart，是一种低功耗的蓝牙协议，用于连接需要节省能源的设备（如智能手表、健康设备等）。BLE设备的最大特点就是低功耗，因此它是智能家居、物联网、移动设备等领域非常重要的技术。

BLE架构

BLE协议栈通常由三个层次构成：应用程序层、核心协议层以及物理层。其中，核心协议层是BLE协议栈的核心部分，主要完成设备的发现、连接、读写等工作。

BLE UUID

UUID（Universally Unique Identifier）是用于唯一标识蓝牙BLE设备及其服务和特征的标识符。一个BLE设备可能包含多个服务和特征，每个服务或特征都有一个唯一的UUID。

BLE GATT

GATT（Generic Attribute Profile）是针对BLE设备的数据交换协议。GATT的基本概念包括服务、特征、描述符等。服务代表一个功能模块，特征则表示一个服务内的数据单元，描述符则用于描述某个特征的属性。

Android BLE API

BLE API概述

Android 4.3以上版本提供了蓝牙低功耗（BLE）API，使得Android应用程序可以直接与BLE设备通信。BLE API包含BluetoothManager、BluetoothAdapter、BluetoothDevice、BluetoothGatt等类，通过这些类可以完成BLE设备的搜索、连接、读写等操作。

BLE权限

在使用BLE API时，需要在AndroidManifest.xml文件中添加蓝牙权限：

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

获取BluetoothManager和BluetoothAdapter对象

在使用BLE API之前，首先需要获取BluetoothManager和BluetoothAdapter对象。获取BluetoothManager对象的方法如下：

final BluetoothManager bluetoothManager =
        (BluetoothManager) getSystemService(Context.BLUETOOTH_SERVICE);

然后可以通过BluetoothManager对象获取BluetoothAdapter对象：

final BluetoothAdapter bluetoothAdapter = bluetoothManager.getAdapter();

搜索BLE设备

使用BluetoothAdapter.startLeScan()方法可以搜索周围的BLE设备并返回它们的BluetoothDevice对象。

bluetoothAdapter.startLeScan(new BluetoothAdapter.LeScanCallback(){
    @Override
    public void onLeScan(final BluetoothDevice device, int rssi, byte[] scanRecord){
        // 处理搜索到的设备
    }
});

在搜索到设备后，可以使用BluetoothDevice.getName()方法获取设备名称，使用BluetoothDevice.getAddress()方法获取设备MAC地址。

建立连接

建立BLE连接需要首先获取BluetoothDevice对象，然后使用该对象的connectGatt()方法建立Gatt连接。

BluetoothGatt gatt = device.connectGatt(context, false, gattCallback);

在建立连接时，需要传入一个BluetoothGattCallback对象，该对象会在连接状态变化、服务发现、特征读写等事件发生时被回调。

发现服务

在BLE连接建立成功后，需要使用BluetoothGatt.discoverServices()方法发现BLE设备中的服务。

gatt.discoverServices();

在服务发现成功后，会回调BluetoothGattCallback.onServicesDiscovered()方法。

@Override
public void onServicesDiscovered(final BluetoothGatt gatt, int status){
    if(status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS){
        // 处理发现的服务
    }
}

收发数据

收发BLE数据主要通过BluetoothGattCharacteristic对象实现，在发现设备的服务和特征后，可以使用BluetoothGatt.readCharacteristic()方法读取数据，使用BluetoothGatt.writeCharacteristic()方法写入数据。

BluetoothGattCharacteristic characteristic = gattCharacteristic.getService().getCharacteristic(UUID);
gatt.readCharacteristic(characteristic);
gatt.writeCharacteristic(characteristic);

在数据读写完成后，会回调BluetoothGattCallback.onCharacteristicRead()或BluetoothGattCallback.onCharacteristicWrite()方法。

示例一

接下来我们通过一个简单的BLE操作示例来说明如何实现BLE设备的搜索、连接、读写。

1. 搜索BLE设备

bluetoothAdapter.startLeScan(new BluetoothAdapter.LeScanCallback(){
    @Override
    public void onLeScan(final BluetoothDevice device, int rssi, byte[] scanRecord){
        if(device.getName().equals("BLE设备名称")){
            bluetoothAdapter.stopLeScan(this);
            connect(device);
        }
    }
});

1. 连接BLE设备

BluetoothGatt gatt;

private void connect(BluetoothDevice device){
    gatt = device.connectGatt(context, false, gattCallback);
}

private final BluetoothGattCallback gattCallback = new BluetoothGattCallback(){
    @Override
    public void onConnectionStateChange(final BluetoothGatt gatt, int status, int newState){
        if(newState == BluetoothProfile.STATE_CONNECTED){
            gatt.discoverServices();
        } else if(newState == BluetoothProfile.STATE_DISCONNECTED){
            gatt.close();
        }
    }
};

1. 发现服务

@Override
public void onServicesDiscovered(final BluetoothGatt gatt, int status){
    if(status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS){
        BluetoothGattService service = gatt.getService(UUID_SERVICE);
        BluetoothGattCharacteristic characteristic = service.getCharacteristic(UUID_CHARACTERISTIC);
        gatt.setCharacteristicNotification(characteristic, true);
    }
}

1. 读取/写入数据

@Override
public void onCharacteristicRead(final BluetoothGatt gatt, final BluetoothGattCharacteristic characteristic, int status) {
    if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
        byte[] data = characteristic.getValue();
        // 处理读取到的数据
    }
}

public void writeData(byte[] data){
    BluetoothGattService service = gatt.getService(UUID_SERVICE);
    BluetoothGattCharacteristic characteristic = service.getCharacteristic(UUID_CHARACTERISTIC);
    characteristic.setValue(data);
    gatt.writeCharacteristic(characteristic);
}

示例二

这个示例通过一个心率监测器来说明如何使用BLE API与BLE设备通信。

1. 搜索心率监测器

bluetoothAdapter.startLeScan(new BluetoothAdapter.LeScanCallback(){
    @Override
    public void onLeScan(final BluetoothDevice device, int rssi, byte[] scanRecord){
        if(device.getName().equals("Heart Rate Monitor")){
            bluetoothAdapter.stopLeScan(this);
            connect(device);
        }
    }
});

1. 连接心率监测器

BluetoothGatt gatt;

private void connect(BluetoothDevice device){
    gatt = device.connectGatt(context, false, gattCallback);
}

private final BluetoothGattCallback gattCallback = new BluetoothGattCallback(){
    @Override
    public void onConnectionStateChange(final BluetoothGatt gatt, int status, int newState){
        if(newState == BluetoothProfile.STATE_CONNECTED){
            gatt.discoverServices();
        } else if(newState == BluetoothProfile.STATE_DISCONNECTED){
            gatt.close();
        }
    }
};

1. 发现服务

@Override
public void onServicesDiscovered(final BluetoothGatt gatt, int status){
    if(status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS){
        BluetoothGattService service = gatt.getService(UUID_SERVICE);
        BluetoothGattCharacteristic characteristic = service.getCharacteristic(UUID_CHARACTERISTIC);
        gatt.setCharacteristicNotification(characteristic, true);
        BluetoothGattDescriptor descriptor = characteristic.getDescriptor(UUID_DESCRIPTOR);
        descriptor.setValue(BluetoothGattDescriptor.ENABLE_NOTIFICATION_VALUE);
        gatt.writeDescriptor(descriptor);
    }
}

1. 接收心率数据

@Override
public void onCharacteristicChanged(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattCharacteristic characteristic) {
    if (UUID_CHARACTERISTIC.equals(characteristic.getUuid())) {
        byte[] data = characteristic.getValue();
        int flags = data[0] & 0xFF;
        int format = (flags & 0x01) == 0 ? BluetoothGattCharacteristic.FORMAT_UINT8 : BluetoothGattCharacteristic.FORMAT_UINT16;
        int heartRate = characteristic.getIntValue(format, 1);
        // 处理心率数据
    }
}

FQA

什么是支持BLE的Android设备？

Android 4.3以上版本支持BLE API，但即使设备支持BLE，也有可能会遇到兼容性问题。因此，在开发使用BLE的应用程序前需要了解设备的具体BLE特性。

为什么我搜索不到BLE设备？

搜索BLE设备需要打开蓝牙，并且设备的蓝牙需要处于可检测状态。如果搜索BLE设备时不成功，请确认蓝牙是否已经打开，并且设备是否处于可检测状态。

如何重新连接已连接的BLE设备？

通过调用BluetoothDevice.connectGatt()方法并传递false作为autoConnect参数可以重新连接已连接的BLE设备。另外，也可以使用BluetoothGatt.connect()方法重新连接。

如何处理蓝牙连接中断？

BLE设备的连接可能会由于信号中断、蓝牙关闭等原因而中断。当连接中断时，Android会回调BluetoothGattCallback.onConnectionStateChange()方法，并发送一个断开连接的广播。在收到此广播后，应用程序可以尝试重新连接设备。

结论

本指南介绍了如何使用Android BLE API进行BLE设备的搜索、连接、读写数据等操作。通过这些API，我们可以轻松地与BLE设备通信，并将BLE技术应用到各种智能设备中，为用户提供更好的产品和服务。