ios蓝牙开发

styleqiang

已于 2025-07-26 19:18:52 修改

阅读量4.7k

点赞数 31

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签： ios cocoa objective-c

于 2024-03-20 18:41:16 首次发布

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/styleqiang/article/details/136885470

一、蓝牙基本概念

蓝牙：指的是BLE(Bluetooth Low Energy/低功耗蓝牙)，一般应用苹果的官方框架基于 <CoreBluetooth/CoreBluetooth.h> 框架进行开发。

中心设备：用于扫描周边蓝牙外设的设备，比如我们上面所说的中心者模式，此时我们的手机就是中心设备。

外设：被扫描的蓝牙设备，比如我们上面所说的用我们的手机连接小米手环，这时候小米手环就是外设。

广播：外部设备不停的散播的蓝牙信号，让中心设备可以扫描到，也是我们开发中接收数据的入口。

服务(Service)：外部设备在与中心设备连接后会有服务，可以理解成一个功能模块，中心设备可以读取服务，筛选我们想要的服务，并从中获取出我们想要特征。（外设可以有多个服务）

特征(Characteristic)：服务中的一个单位，一个服务可以多个特征，而特征会有一个value，一般我们向蓝牙设备写入数据、从蓝牙设备读取数据就是这个value

UUID：区分不同服务和特征的唯一标识，使用该字端我们可以获取我们想要的服务或者特征

核心类：CBCentralManager 中心设备管理类、CBCentral 中心设备、CBPeripheralManager 外设设备管理类、CBPeripheral 外设设备、CBUUID 外围设备服务特征的唯一标志、CBService 外围设备的服务、CBCharacteristic 外围设备的特征。

二、发展历史

第一代蓝牙主要是指 90 年代的 V1.0～V1.2 版本，是关于短距离通信的早期探索，此时还存在许多问题，应用不是特别广泛
第二代蓝牙主要是 00 年中 V2.0～V2.1 版本，新增了 EDR（Enhanced Data Rate）技术提高传输速率，以及体验及安全
第三代蓝牙主要是 00 年末 V3.0 版本，新增了 802.11 WiFi 协议，引入了 AMP（Generic Alternate MAC/PHY）交替射频技术，极大的提高了传输速率并降低功耗
第四代蓝牙是 10 年以来的 V4.0～V4.2 版本，主推 LE（Low Energy，低功耗），大约仅消耗十分之一，将三种规格，包括经典蓝牙、高速蓝牙、和低功耗蓝牙，集中在一起形成一套综合协议规范
第五代蓝牙是 16 年开始提出的 V5.0 版本，主要是为了支持物联网，在功耗、传输速率、有效传输距离、数据包容量方面都做了极大的提升

蓝牙 4.0 以后的版本分为两种模式，单模蓝牙和双模蓝牙。

单模蓝牙，即低功耗蓝牙模式，是蓝牙 4.0 中的重点技术，低功耗，快连接，长距离。
双模蓝牙，支持低功耗蓝牙的同时还兼容经典蓝牙，经典蓝牙的特点是大数据高速率，例如音频、视频等数据传输。

三、低功耗蓝牙(BLE) vs 经典蓝牙(SPP)

BLE 和 SPP 怎么选？

看应用场景：BLE适用于低功耗、轻量级的应用，例如穿戴设备、传感器网络等。而SPP适用于需要大容量数据传输的应用，例如音频设备、文件传输等。
看功耗需求：如果你的应用对功耗有严格要求，需要长时间运行，并且传输的数据量较小，那么选择BLE是明智的。如果你的应用对功耗要求不高，但需要高速数据传输，那么选择SPP可能更合适。
看连接距离需求：如果你需要在较远距离进行通信，经典蓝牙通常具备更广泛的连接范围。而如果通信是在相对较短的距离内进行，BLE可能是个更好的选择。

三、BLE 协议栈

BLE 协议栈一般是指芯片厂家，依据 Bluetooth SIG 发布的 Bluetooth Core Specification（核心协议）的实现的代码固件，并提供函数接口，由芯片内部程序调用，可实现上节BLE工作流程等相关功能。

常见的协议栈有德州仪器 TI 的 ble-stack 和 Nordic 的 SoftDevice

TI 的 CC26 系列芯片协议栈结构图：

Nordic 的 nRF52 系列芯片的协议栈结构图

协议栈结构

无论是哪个芯片厂商实现的 BLE 协议栈，其结构都非常的相似，均三个部分：

顶层：Application
中层：Host
底层：Controller

然后每一层又分成若干个子模块。

四、GAP和GATT

蓝牙协议栈分为两类结构：控制器（Controller）和主机（Host）。每个类别都有子类别，这些子类别执行特定的角色。我们将要研究的两个子类别是：通用访问配置文件（GAP）和通用属性配置文件（GATT）

GAP：Generic Access Profile，通用访问配置文件。
GATT：Generic Attribute Profile，通用属性配置文件。

通用访问配置文件（GAP）

BLE 设备可以使用两种机制与外界通信：广播或连接。这些机制受通用访问配置文件（GAP）准则的约束。GAP 定义了启用 BLE 的设备如何使其自身可用，以及两个设备如何直接相互通信。

通用属性配置文件（GATT）

GATT 分为两种类型

客户端（Client）：客户端可以发送请求给 GATT 服务端，客户端可以读（Read）/写（Write）服务端的属性（Attributes ），通过属性可以通信数据。
服务端（Server）：服务端是用来存储属性（Attributes ）的，每当客户端发送请求时，服务端会相应这些请求。

五、ios 中提控4个框架连接蓝牙

1.GameKit.framework

只能用于ios设备间连接，多用于游戏类 ios7以后开始有接口过期

2.MultipeerConnectivity.fremework

用于ios间设备通讯，主要用于沙盒文件共享在iOS7中，引入了一个全新的框架--Multipeer Connectivity（多点连接）。利用Multipeer Connectivity框架，即使在没有连接到WiFi（WLAN）或移动网络（xG）的情况下，距离较近的Apple设备（iMac / iPad / iPhone）之间可基于蓝牙和WiFi（P2P WiFi）技术进行发现和连接实现近场通信。

3.ExternalAccessory.framework

可用于第三方蓝牙设备交互，但是蓝牙设备必须经过苹果MFi认证

4.CoreBluetooth.framework

可用于第三方蓝牙设备交互，必须要支持蓝牙4.0

三、BLE中心模式流程

几个概念：

Central: 中心设备,发起蓝牙连接的设备(一般指手机)
Peripheral: 外设,被蓝牙连接的设备(一般是运动手环/蓝牙模块)
Service:服务,每个设备会提供服务,一个设备有很多服务，比如手环的震动和亮起来的颜色是两个不同服务
Characteristic:特征,每个服务中包含很多个特征,这些特征的权限一般分为:读(read)/写(write)/通知(notice)几种,可以通过特征进行读写数据(重要角色)(中心设备写入数据的时候一定要找到可写入特征才可以写入成功)
Descriptor:描述者,每个特征可以对应一个或者多个描述者,用于描述特征的信息或者属性

建立中心角色
扫描外设(Discover Peripheral)
连接外设(Connect Peripheral)
扫描外设中的服务和特征
获取外设的services
获取外设的Characteristics,获取characteristics的值,,获取Characteristics的Descriptor和Descriptor的值
利用特征与外设做数据交互(Explore And Interact)
订阅Characteristic的通知
断开连接(Disconnect)

另：推荐LightBlue App，基于CoreBluetooth。是BLE开发的调试利器，该App上能获取的数据，你就能用代码实现，软硬件工程师蓝牙开发必备。

四、开发过程中遇到的问题

问题1.调用搜索函数时，搜索不到设备的问题，返回的nil。

答：当首次调用函数搜索设备外设时，无法获取外设设备信息的原因是central的state为CBCentralManagerStateUnknown,这个状态表示手机设备的蓝牙状态为未开启。解决方法：需要在此委托方法中监听蓝牙状态的状态改变为ON时，去开启扫描操作。

问题2.外设蓝牙名称被修改后可能搜索不到的问题

答：在测试的过程中正常获取蓝牙名称是通过peripheral.name获取，但是可能存在这种情况是当修改连接过的蓝牙名称后，可能存在搜索不到的情况。解决方法：在蓝牙的广播数据中根据@"kCBAdvDataLocalName"这个key 便可获得准确的蓝牙名称。

问题3.调用断开蓝牙的接口，手机蓝牙并没有马上与外设断开连接，而是等待5秒左右的时间后才真正断开。

答：可以与硬件开发的同事沟通，从设备收到数据后主动断开连接即可。

问题4.是否能长时间处于后台？

答：可以，后台长时间执行需要开启Background Modes。后台扫描设备跟前台扫描周围设备有一点不同：也许是考虑到功耗的原因，在后台只能搜索特定的设备，所以必须要传Service UUID。不传的话一台设备都搜不到。而这时就需要外设在广播包中有Service UUID。

问题5.蓝牙允许连接的最大距离支持是多少？

答：iOS 蓝牙允许连接的最大距离的限制是10m。

问题6.蓝牙连接成功需要多长时间

答：正常连接周围的蓝牙外设一般时在5秒内

问题7.多台设备是否能同时连接？

答：官方文档，以及蓝牙底层协议，说明理论上可以支持到同时连接 7 个，但这 7 个能同时正常工作么？貌似不能（三个蓝牙耳机测试的结果）

问题8.如何保证发送数据的完整性

答：做一个分包发送的操作，保证了数据的完整性。

问题9.如何实现重连机制？

答：自动重连函数被调用之后，会设置一个全局标识为_isAutoConnect=YES，然后判断手机设备的蓝牙是否开启，若开启，则重连扫描外设设备，当扫到上一次连接的蓝牙设备后就会调用连接的代理函数，并停止扫描。

如果手动杀掉APP，那么再次打开APP的时候APP是不会自动连接设备的，但是由于系统蓝牙此时还是与手表连接中的，所以需要重新扫描设备（因为在扫描的代理函数中添加了自动连接的逻辑），经过测试，当扫描到上次连接上的蓝牙外设后就会停止。
方式一: 直接扫描重连

方式二： 通过系统提供的函数retrieveConnectedPeripheralsWithServices

方式三： 通过系统提供的函数retrievePeripheralsWithIdentifiers

问题10：如何获取已经配对过的蓝牙外设？

答：系统一共提供了两个函数来获取已经配对过的蓝牙外设,NSArray *[_centralManager retrieveConnectedPeripheralsWithServices:<#(nonnull NSArray<CBUUID *> *)#>];( CBUUID指的是ServiceUUID)、[_centralManager retrievePeripheralsWithIdentifiers:<#(nonnull NSArray<NSUUID *> *)#>]; 参数是个已连接的ServiceUUID或Identifiers的数组，是个必填项，若传@[]空数组，则返回值是nil。

问题11：开发蓝牙 APP，有什么工具可以协助蓝牙测试？

答：首先测试蓝牙必须时真机，其次安装了蓝牙调试助手或LightBlue等第三方App来调试蓝牙的开发。

问题12：App作为中心设备端，连接到蓝牙设备之后，如何获取外设设备的Mac地址？

答：iOS端是无法直接获取设备的Mac地址，但是可以间接获取，但都需要和硬件工程师进行沟通。

1，将蓝牙外设广播里，提供Mac地址，这样中心设备端在扫描阶段，可以直接读取广播里的值，从而获取到外设设备的Mac地址。
2，可以在外设设备的某个服务的特征中，提供Mac地址，但是前提是要确定是读取哪个特征，UUID是多少。

问题13：为什么两个 iPhone 手机的都打开蓝牙之后，却相互搜不到彼此手机上的同个蓝牙Demo？

答：在蓝牙通信中，分为中心端和设备端。而通常手机蓝牙Demo都处在中心端状态，也就是只能接收广播，而自己没有向周围发送广播。所以两台手机之间一般是无法发现对方的（因为大家都是中心端）

问题14：蓝牙外设设备升级等，大数据传输，耗时操作，数据发送时选择CBCharacteristicWriteWithResponse，会影响总交互时间，使用CBCharacteristicWriteWithoutResponse又回出现丢包的现象。

答：

[self.peripheral writeValue:data forCharacteristic:self.characteristic type:CBCharacteristicWriteWithResponse];
[self.peripheral writeValue:data forCharacteristic:self.characteristic type:CBCharacteristicWriteWithResponse];

如果交互的总时间我们不能接受，可以选用CBCharacteristicWriteWithoutResponse模式每包20字节循环发，但注意每发12包延迟100毫秒（经验值，12包240字节小于250），即可加快大数据传输速率。

问题15：蓝牙设备的五种工作状态

准备（standby）

广播（advertising）

监听扫描（Scanning

发起连接（Initiating）

已连接（Connected）

问题16：在 iOS 蓝牙开发中，实现安全的数据传输需要结合硬件层、协议层和应用层的加密机制

一、协议层加密（推荐方案）

1. 使用 BLE 的内置加密（DTLS）

通过配对（Pairing）和绑定（Bonding）机制实现：

// 在连接设备时启用安全连接
let options: [String: Any] = [
    CBConnectPeripheralOptionVerifyServiceKeys: true,
    CBConnectPeripheralOptionNotifyOnEncryptionChange: true
]

centralManager.connect(peripheral, options: options)

// 监听加密状态变化
func centralManager(_ central: CBCentralManager, didUpdatePeripheralState peripheral: CBPeripheral) {
    if peripheral.isEncrypted {
        print("连接已加密")
    } else {
        print("连接未加密，可能需要配对")
    }
}

2. 配对与密钥交换过程

Just Works：零交互配对（默认）
数字比较：用户确认两端显示的数字是否一致
Passkey Entry：用户手动输入 6 位数字密码

3. 密钥管理

iOS 自动处理长期密钥（LTK）的存储和交换，开发者无需手动干预。

二、应用层加密（补充方案）

1. 使用 AES-256 加密

import CryptoKit

func encryptData(_ data: Data, withKey key: SymmetricKey) -> Data? {
    do {
        let sealedBox = try AES.GCM.seal(data, using: key)
        return sealedBox.combined
    } catch {
        print("加密失败: \(error)")
        return nil
    }
}

func decryptData(_ encryptedData: Data, withKey key: SymmetricKey) -> Data? {
    do {
        let sealedBox = try AES.GCM.SealedBox(combined: encryptedData)
        return try AES.GCM.open(sealedBox, using: key)
    } catch {
        print("解密失败: \(error)")
        return nil
    }
}

// 生成随机密钥
let encryptionKey = SymmetricKey(size: .bits256)

2. 密钥交换机制

使用椭圆曲线 Diffie-Hellman（ECDH）算法交换对称密钥：

// 生成密钥对
let localPrivateKey = P256.KeyAgreement.PrivateKey()
let localPublicKey = localPrivateKey.publicKey

// 将公钥发送给外设
func sendPublicKey() {
    let publicKeyData = localPublicKey.rawRepresentation
    // 通过蓝牙发送publicKeyData
}

// 接收外设公钥并生成共享密钥
func receiveRemotePublicKey(_ remotePublicKeyData: Data) {
    do {
        let remotePublicKey = try P256.KeyAgreement.PublicKey(rawRepresentation: remotePublicKeyData)
        let sharedSecret = try localPrivateKey.sharedSecretFromKeyAgreement(with: remotePublicKey)
        
        // 派生对称加密密钥
        let encryptionKey = sharedSecret.hkdfDerivedSymmetricKey(
            using: SHA256.self,
            salt: Data("BluetoothData".utf8),
            outputByteCount: 32
        )
        
        // 使用encryptionKey进行数据加密
    } catch {
        print("密钥交换失败: \(error)")
    }
}

三、端到端加密（E2EE）实现

1. 消息结构设计

2. 安全传输流程

建立 BLE 连接（启用加密）
通过 ECDH 交换对称密钥
使用 AES-GCM 加密应用数据
添加时间戳和序列号防止重放攻击
实现消息认证确保数据完整性

问题17：在 iOS 蓝牙开发中，发送大数据（如文件、图像）需要解决 MTU 限制、数据包丢失和传输效率等问题

一、核心挑战与限制

MTU（最大传输单元）限制
- 默认 MTU 为 23 字节（有效载荷 20 字节）
- 可通过CBPeripheral.requestMtu(_:)扩展至 512 字节
传输可靠性
- BLE 采用不可靠传输，需应用层实现确认机制
内存管理
- 避免一次性加载大文件到内存，应分块处理

二、解决方案实现

1. 扩展 MTU

// 连接成功后立即请求扩展MTU
func centralManager(_ central: CBCentralManager, didConnect peripheral: CBPeripheral) {
    peripheral.requestMtu(512) // 请求最大MTU
}

// MTU变更回调
func peripheral(_ peripheral: CBPeripheral, didModifyServices invalidatedServices: [CBService]) {
    // 检查MTU变更结果
    print("当前MTU: \(peripheral.maximumWriteValueLength(for: .withResponse))")
}

2. 数据分块、编号与重组

3. 实现可靠传输协议

4. 优化传输效率

问题18：在 iOS 蓝牙开发中，如何保证数据的完整性

添加 CRC 校验确保数据完整性
实现序列号机制检测乱序包

蓝牙与硬件交互，比如：在 iOS 开发中实现通过蓝牙控制新能源汽车的开关门功能，需要结合CoreBluetooth 框架和汽车厂商提供的蓝牙协议。以下是完整的实现方案：

一、核心技术栈

CoreBluetooth：iOS 原生框架，用于蓝牙低功耗（BLE）设备通信。
协议解析：需与汽车厂商合作获取私有通信协议（如指令格式、加密方式）。
后台模式：申请bluetooth-central后台模式，支持在后台保持连接。

二、开发流程

1. 权限配置

Capabilities 中启用 Background Modes → Uses Bluetooth LE accessories。
Info.plist 中添加蓝牙权限描述

2.蓝牙中心管理器初始化

3. 扫描与连接车辆蓝牙设备

4. 发现服务与特征

5. 发送开关门指令

6. 接收车辆状态反馈

三、安全与加密

1.数据加密

实际应用中，指令通常需经过加密（如 AES、RSA）。
密钥可能通过设备配对或用户认证获取。

2.身份验证

需实现设备配对流程（如 PIN 码验证）。
每次连接时验证车辆身份，防止中间人攻击。

2.指令格式

实际协议可能包含指令头、校验和、时间戳等。

// 示例指令格式（伪代码）
[指令头][命令类型][数据长度][加密数据][校验和]

四、实际应用注意事项

1.权限申请：

需向汽车厂商申请 API 访问权限。
部分功能可能需通过官方 App 间接实现。

2.错误处理：

网络中断、蓝牙断开时的重连逻辑。
超时处理和错误提示。

3.后台运行：

使用 CBCentralManager 的 retrieveConnectedPeripherals 恢复连接。
通过 CBPeripheralManager 实现后台广告。