Android 蓝牙/Wi-Fi通信协议之：低功耗蓝牙（BLE 4.0+）介绍

追光者、Z

已于 2025-03-28 09:26:01 修改

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分类专栏：蓝牙 android 文章标签： android 蓝牙

于 2025-03-28 09:00:40 首次发布

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介绍：蓝牙通信协议详解

1. 蓝牙协议分层

Android主要支持**经典蓝牙（Bluetooth Classic）和低功耗蓝牙（BLE）**两种模式：

经典蓝牙（BT 2.1/3.0+）
低功耗蓝牙（BLE 4.0+）
- 协议栈：GATT（通用属性协议）、ATT（属性协议）、L2CAP（逻辑链路控制）。
- 用途：IoT设备（传感器、手环）、间歇性数据传输。
- 带宽：约100 kbps，功耗极低。

——————————————————————————————————————————

一、BLE基础概念

低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy, BLE)是蓝牙4.0规范的核心部分，专为低功耗设备设计，具有以下特点：

低功耗：工作电流在微安级别，纽扣电池可工作数月甚至数年
快速连接：建立连接仅需几毫秒
简化协议栈：相比经典蓝牙更简单
有限数据传输：适合小数据量、间歇性传输场景

二、Android BLE支持情况

Android 4.3(API 18)开始支持BLE中心设备(Central)角色
Android 5.0(API 21)增加了外围设备(Peripheral)角色支持
Android 6.0(API 23)引入了更精细的位置权限控制
Android 8.0(API 26)优化了后台扫描限制

三、关键类与接口

BluetoothAdapter：代表本地蓝牙适配器
BluetoothLeScanner (API 21+)：用于BLE设备扫描
ScanCallback：扫描结果回调
BluetoothDevice：代表远程蓝牙设备
BluetoothGatt：BLE连接和通信的核心类
BluetoothGattCallback：GATT操作回调
BluetoothGattService：GATT服务
BluetoothGattCharacteristic：GATT特征值
BluetoothGattDescriptor：GATT描述符

四、开发流程详解

1. 权限声明

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

<!-- Android 6.0+需要位置权限用于扫描 -->
<uses-permission android:name="android.permission.ACCESS_FINE_LOCATION"/>
<uses-permission android:name="android.permission.ACCESS_COARSE_LOCATION"/>

<!-- Android 12+需要明确声明蓝牙权限 -->
<uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH_SCAN" 
                 android:usesPermissionFlags="neverForLocation" />
<uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH_CONNECT"/>

2. 检查BLE支持

// 检查设备是否支持BLE
if (!getPackageManager().hasSystemFeature(PackageManager.FEATURE_BLUETOOTH_LE)) {
    Toast.makeText(this, "BLE Not Supported", Toast.LENGTH_SHORT).show();
    finish();
}

// 获取BluetoothAdapter
BluetoothManager bluetoothManager = (BluetoothManager) getSystemService(Context.BLUETOOTH_SERVICE);
BluetoothAdapter bluetoothAdapter = bluetoothManager.getAdapter();

// 检查蓝牙是否开启
if (bluetoothAdapter == null || !bluetoothAdapter.isEnabled()) {
    Intent enableBtIntent = new Intent(BluetoothAdapter.ACTION_REQUEST_ENABLE);
    startActivityForResult(enableBtIntent, REQUEST_ENABLE_BT);
}

3. 扫描BLE设备

// Android 5.0+推荐使用BluetoothLeScanner
BluetoothLeScanner scanner = bluetoothAdapter.getBluetoothLeScanner();

// 扫描设置
ScanSettings settings = new ScanSettings.Builder()
        .setScanMode(ScanSettings.SCAN_MODE_LOW_LATENCY)
        .build();

// 扫描过滤器(可选)
List<ScanFilter> filters = new ArrayList<>();
filters.add(new ScanFilter.Builder()
        .setServiceUuid(ParcelUuid.fromString(SERVICE_UUID))
        .build());

// 开始扫描
scanner.startScan(filters, settings, scanCallback);

// 扫描回调
private ScanCallback scanCallback = new ScanCallback() {
    @Override
    public void onScanResult(int callbackType, ScanResult result) {
        super.onScanResult(callbackType, result);
        BluetoothDevice device = result.getDevice();
        // 处理发现的设备
    }
    
    @Override
    public void onScanFailed(int errorCode) {
        super.onScanFailed(errorCode);
        // 处理扫描失败
    }
};

// 停止扫描
scanner.stopScan(scanCallback);

4. 连接设备与发现服务

// 连接GATT服务
BluetoothGatt gatt = device.connectGatt(context, false, gattCallback);

// GATT回调
private BluetoothGattCallback gattCallback = new BluetoothGattCallback() {
    @Override
    public void onConnectionStateChange(BluetoothGatt gatt, int status, int newState) {
        if (newState == BluetoothProfile.STATE_CONNECTED) {
            // 连接成功，开始发现服务
            gatt.discoverServices();
        } else if (newState == BluetoothProfile.STATE_DISCONNECTED) {
            // 连接断开
        }
    }
    
    @Override
    public void onServicesDiscovered(BluetoothGatt gatt, int status) {
        if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
            // 服务发现完成，可以开始读写操作
            List<BluetoothGattService> services = gatt.getServices();
            for (BluetoothGattService service : services) {
                // 处理服务
            }
        }
    }
    
    @Override
    public void onCharacteristicRead(BluetoothGatt gatt, 
                                    BluetoothGattCharacteristic characteristic, 
                                    int status) {
        // 特征值读取完成
    }
    
    @Override
    public void onCharacteristicWrite(BluetoothGatt gatt, 
                                     BluetoothGattCharacteristic characteristic, 
                                     int status) {
        // 特征值写入完成
    }
    
    @Override
    public void onCharacteristicChanged(BluetoothGatt gatt, 
                                      BluetoothGattCharacteristic characteristic) {
        // 特征值变化通知
    }
};

5. 读写操作

// 读取特征值
boolean readSuccess = gatt.readCharacteristic(characteristic);

// 写入特征值
characteristic.setValue(data);
boolean writeSuccess = gatt.writeCharacteristic(characteristic);

// 启用通知
gatt.setCharacteristicNotification(characteristic, true);
BluetoothGattDescriptor descriptor = characteristic.getDescriptor(
        UUID.fromString(CLIENT_CHARACTERISTIC_CONFIG));
descriptor.setValue(BluetoothGattDescriptor.ENABLE_NOTIFICATION_VALUE);
gatt.writeDescriptor(descriptor);

6. 断开连接与资源释放

// 断开连接
gatt.disconnect();

// 释放资源
gatt.close();

五、最佳实践与注意事项

权限处理：
- Android 6.0+需要运行时请求位置权限
- Android 12+需要明确请求BLUETOOTH_SCAN和BLUETOOTH_CONNECT权限
扫描优化：
- 避免长时间连续扫描，会消耗大量电量
- 使用适当的扫描模式(SCAN_MODE_LOW_POWER/LOW_LATENCY/BALANCED)
- 在找到目标设备后立即停止扫描
连接管理：
- 连接超时处理(约30秒)
- 实现自动重连机制
- 正确处理连接状态变化
资源管理：
- 及时调用BluetoothGatt.close()释放资源
- 避免同时进行多个GATT操作
MTU协商：
- 在连接后协商最大传输单元(MTU)以提高吞吐量
```
gatt.requestMtu(MTU_SIZE);
```
后台限制：
- Android 8.0+对后台扫描有限制
- 考虑使用前台服务进行长时间BLE操作

六、常见问题解决

扫描不到设备：
- 检查权限是否已授予
- 确认设备在广播
- 尝试不同的扫描模式
连接失败：
- 确保设备未被其他应用连接
- 检查设备是否支持BLE
- 尝试重置蓝牙适配器
数据传输不稳定：
- 缩短连接间隔(Connection Interval)
- 减少单次传输数据量
- 检查信号强度
Android 12兼容性：
- 更新权限声明
- 如果不需要定位，添加android:usesPermissionFlags="neverForLocation"