Android与BLE设备通信实战：带有蓝牙4.0的手机通信源码解析

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简介：本源码实例展示了Android设备如何通过蓝牙4.0与BLE(Bluetooth Low Energy)终端进行通信。蓝牙4.0技术专为低功耗通信设计，非常适合IoT设备。源码详细解析了如何发现、连接BLE设备以及进行服务和特征值的交互。同时，讲解了数据的读取和写入、广播通知的接收、连接状态的管理，以及性能优化和权限要求等关键知识点，为开发者提供了开发蓝牙物联网应用的宝贵参考。

1. 蓝牙4.0与BLE技术概述

概述蓝牙4.0技术

蓝牙技术作为无线通信领域的重要成员之一，一直致力于提升无线数据传输的效率和降低能耗。蓝牙4.0版本的出现，标志着蓝牙技术的一个巨大进步，它引入了蓝牙低功耗（BLE，Bluetooth Low Energy）标准。BLE是专为低功耗设备设计的，能够在极低的电力消耗下，实现设备间的短距离通信，这使得BLE特别适合应用于物联网（IoT）和可穿戴设备等场景。

BLE的关键特性

BLE的关键特性之一是其极低的能耗，这得益于其高效的通信协议和省电模式。另外，BLE的连接建立时间非常短，可以快速实现设备间的配对和数据交换。此外，BLE还提供了灵活的数据广播和通知机制，允许设备定期向周围广播数据，接收端则可以根据接收到的数据执行相应的操作，如更新设备状态或向用户发送通知。

应用场景

BLE技术的应用场景非常广泛，从健康监测的智能手环、心率监测器到智能家居的遥控器，再到室内定位和导航系统，BLE提供了快速、便捷的数据交换方式，正逐渐成为无线通信领域的标准之一。通过BLE，开发者可以构建出既节能又高效的通信解决方案，为用户带来更优质的交互体验。

蓝牙4.0与BLE技术不仅为我们提供了新的技术选择，更打开了创新应用的大门。随着越来越多的设备集成BLE功能，我们可以期待它在未来技术发展和日常生活中扮演越来越重要的角色。

2.1 Bluetooth API基本介绍

Android蓝牙模块的启用和配置

在Android设备中，蓝牙是通过特定的硬件模块实现的。软件开发者可以通过Bluetooth API与这些硬件模块交互。为了使用蓝牙，首先需要启用蓝牙模块，并对其进行必要的配置。配置过程中，开发者需要关注的几个关键点包括蓝牙适配器（BluetoothAdapter）的获取和蓝牙的启用。

BluetoothAdapter bluetoothAdapter = BluetoothAdapter.getDefaultAdapter();
if (bluetoothAdapter == null) {
    // 设备不支持蓝牙
} else {
    // 蓝牙模块存在，可以进行启用、禁用等操作
    if (!bluetoothAdapter.isEnabled()) {
        Intent enableBtIntent = new Intent(BluetoothAdapter.ACTION_REQUEST_ENABLE);
        startActivityForResult(enableBtIntent, REQUEST_ENABLE_BT);
    }
}

上述代码首先尝试获取默认的蓝牙适配器实例，如果设备不支持蓝牙，则 bluetoothAdapter 将会是 null 。接下来，检查蓝牙是否已经开启，如果未开启，则向系统发出一个启动蓝牙的请求。 startActivityForResult 方法用于启动新活动，并等待结果返回，这样应用可以在用户完成操作后得到通知。

BluetoothAdapter和BluetoothDevice类的作用与应用

BluetoothAdapter 类是操作蓝牙功能的核心类，它为开发者提供了一系列与蓝牙相关的方法。例如，可以通过 BluetoothAdapter 来查询蓝牙状态、获取已配对设备列表、启动设备发现过程等。

BluetoothDevice device = bluetoothAdapter.getRemoteDevice("DeviceAddress");

这行代码展示了如何通过蓝牙适配器获取一个远端蓝牙设备的实例。这里 DeviceAddress 是目标蓝牙设备的地址，这个地址可以被用于之后的操作，比如连接设备。

BluetoothDevice 类则代表一个已知的蓝牙设备。通过这个类，开发者能够获取设备的名称、地址、是否支持配对和连接状态等信息。也可以建立与这个设备之间的连接，并管理与之的数据交互。

if (device.getBondState() != BluetoothDevice.BOND_BONDED) {
    // 未配对，执行配对
    device.createBond();
}

此代码段检查蓝牙设备是否已配对，如果没有，则触发配对过程。 createBond 方法发送一个请求给远程设备，目的是建立一个配对关系。

通过以上两个类的使用，开发者可以控制蓝牙的开关、搜索附近的设备、获取已配对设备列表、建立连接并进行数据通信。这为构建完整的蓝牙应用奠定了基础。

3. BLE设备发现方法

3.1 扫描与发现过程概述

3.1.1 BLE设备扫描机制

BLE（Bluetooth Low Energy）扫描过程指的是BLE设备主动搜索并检测周围可被发现的蓝牙设备的过程。这个机制在蓝牙技术中是至关重要的，因为它允许一个设备（如智能手机）发现并连接到另一个BLE设备（如健身追踪器、智能手表等）。BLE扫描机制主要依赖于广告包（Advertising packets）的传输，这些广告包是由BLE设备定时发送的，包含了设备的一些基本信息。

扫描过程可以分为被动扫描和主动扫描：

• 被动扫描：扫描设备接收广告包，但不会主动要求广告设备发送额外的信息。
• 主动扫描：扫描设备不仅接收广告包，还会发送扫描请求（Scan Request）以获取广告设备的额外信息。这种扫描方式可以获取更详细的设备信息，但会增加功耗。

在Android平台上，BLE扫描过程可以通过 BluetoothLeScanner 类来实现。使用此类，开发者可以启动和停止扫描，并接收到扫描结果的回调。

3.1.2 扫描结果的处理和设备选择

一旦开始扫描，扫描结果会通过回调函数返回给应用。每个扫描结果都包含有广告数据的详细信息，包括设备的蓝牙地址、名称、主要和次要服务UUID等信息。开发者可以利用这些信息来判断是否是目标设备，并据此来决定是否与之建立连接。

在选择设备时，应用开发者往往需要考虑多个因素，比如用户偏好、设备的电量状况、信号强度等。通常，信号强度是连接成功与否的关键因素之一，信号越强说明设备越近，连接成功率也会更高。

以下是一个简单的Android代码示例，说明如何处理扫描结果：

// 创建BLE扫描回调接口的实例
mLeScanCallback = new BluetoothLeScannerCompat.LeScanCallback() {
    @Override
    public void onLeScan(final BluetoothDevice device, int rssi, byte[] scanRecord) {
        // 在主线程中更新UI
        runOnUiThread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                // 显示扫描到的设备列表
                mListView.addDevice(device);
                // 更新信号强度信息
                mListView.updateSignalStrength(device, rssi);
            }
        });
    }
};

// 开始扫描
mBluetoothLeScannerCompat.startScan(mLeScanCallback);

3.2 设备发现策略优化

3.2.1 设备发现的过滤机制

为了提高BLE扫描的效率，开发者可以应用过滤机制来排除那些不是目标的设备。过滤可以通过设置过滤器来实现，过滤器可以基于设备名称、服务UUID、信号强度等因素来过滤扫描结果。

在Android中，过滤器可以通过设置 ScanFilter 来创建，并通过 ScanSettings 进行配置。例如，如果你只对特定服务UUID的设备感兴趣，你可以这样设置过滤器：

ScanFilter filter = new ScanFilter.Builder()
    .setServiceUuid(ParcelUuid.fromString("00001101-0000-1000-8000-00805F9B34FB"))
    .build();

List<ScanFilter> filters = new ArrayList<>();
filters.add(filter);

ScanSettings settings = new ScanSettings.Builder()
    .setScanMode(ScanSettings.SCAN_MODE_LOW_LATENCY) // 低延迟模式
    .build();

// 应用过滤器并启动扫描
mBluetoothLeScannerCompat.startScan(filters, settings, mLeScanCallback);

3.2.2 提高设备发现效率的技巧

除了使用过滤机制之外，还有一些其他技巧可以提高设备发现的效率：

• 动态扫描周期 ：通过动态调整扫描间隔，可以在扫描的初期使用较短的间隔来快速发现设备，一旦发现潜在目标设备，再切换到较长的扫描间隔以降低功耗。
• 预扫 ：在建立连接之前先进行一次快速扫描，获得周围环境的大致了解，然后再根据需要进行详细的扫描。
• 扫描参数优化 ：根据应用需求和设备能力来选择最优的扫描参数。例如，对于需要快速响应的应用，可以选择快速扫描但功耗较高的参数。
• 后台任务 ：将扫描操作放在后台线程中进行，避免阻塞UI线程，同时在发现设备后可以及时通知主线程进行处理。

通过以上方法可以有效地优化BLE设备的发现过程，从而提高应用性能并改善用户体验。

4. BLE设备连接过程

4.1 BLE连接流程详解

4.1.1 连接前的准备工作

为了确保BLE设备能够成功连接，开发者需要在尝试连接之前完成一些准备工作。这些准备包括：

• 确保BLE设备已扫描到并且处于可连接状态 。设备必须在之前的扫描过程中被发现并处于待连接状态。
• 检查设备是否配对 。一些BLE设备需要在配对后才能连接。可以通过 BluetoothDevice 的 createBond() 方法来配对设备。
• 确保所有必要的权限已经获取 。Android 6.0及以上版本需要在运行时请求位置权限，因为蓝牙扫描被视为位置操作。

4.1.2 建立连接的步骤与代码实现

连接BLE设备通常包括以下几个步骤：

1. 启动BLE设备的连接流程 。这通常通过调用 BluetoothDevice 的 connectGatt() 方法来实现。这个方法需要三个参数： Context 、 autoConnect 、和 BluetoothGattCallback 。
2. 使用 BluetoothGattCallback 监听连接状态 。这个回调接口提供了关于BLE设备连接状态改变的实时信息。
3. 通过回调接口与设备交互 。一旦连接成功，你可以通过 BluetoothGatt 对象与设备的服务和特征值进行交互。

下面是一个简单的代码示例，演示了如何使用 BluetoothGattCallback 连接BLE设备：

BluetoothGattCallback mGattCallback = new BluetoothGattCallback() {
    @Override
    public void onConnectionStateChange(BluetoothGatt gatt, int status, int newState) {
        if (newState == BluetoothProfile.STATE_CONNECTED) {
            // 连接成功
            Log.i(TAG, "Successfully connected to device");
            // 发起服务发现
            gatt.discoverServices();
        } else if (newState == BluetoothProfile.STATE_DISCONNECTED) {
            // 连接断开
            Log.i(TAG, "Successfully disconnected from device");
        }
    }

    @Override
    public void onServicesDiscovered(BluetoothGatt gatt, int status) {
        if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
            // 服务发现成功，可以进行服务和特征值的读写操作
        } else {
            // 服务发现失败，进行错误处理
        }
    }
};

// 连接BLE设备
BluetoothGatt mBluetoothGatt = mBluetoothDevice.connectGatt(context, false, mGattCallback);

在上述代码中， onConnectionStateChange 回调函数用于处理连接状态变化。在设备成功连接后， onServicesDiscovered 回调会被触发，表明设备的服务发现过程已完成。

4.2 连接状态监听与处理

4.2.1 监听BLE设备连接状态变化

通过 BluetoothGattCallback 中的 onConnectionStateChange 方法，开发者可以监听连接状态的变化。此方法提供了三个参数： BluetoothGatt 实例、状态码（ status ）、和新状态（ newState ）。状态码告诉开发者连接尝试是否成功，而新状态可以是 BluetoothProfile.STATE_CONNECTED 或 BluetoothProfile.STATE_DISCONNECTED 。

4.2.2 连接失败的常见原因分析与解决

连接失败可能由以下原因造成：

• 距离太远 。BLE的有效通信距离大约为10米，超出此范围连接可能失败。
• 信号干扰 。其他无线设备或物理障碍可能干扰信号。
• 设备已连接到其他设备 。同一时刻，BLE设备通常只能与一个设备连接。
• 权限未正确配置 。必须确保应用有正确的蓝牙权限。

解决连接失败的策略可能包括：

• 增加重试机制 。如果连接失败，尝试重新连接几次。
• 优化设备位置 。确保目标BLE设备和Android设备之间无障碍物。
• 调整配对流程 。如果需要配对，确保配对流程能正确执行。

为了进一步提高连接的成功率，开发者还可以利用BLE扫描过滤器来只连接目标设备，或者在连接失败后提供用户指导，比如提醒用户检查设备电量或确保设备在有效范围内。

5. BLE服务和特征值交互

5.1 BLE服务与特征值概念

5.1.1 服务和服务组的理解

在BLE（Bluetooth Low Energy）通信模型中，服务（Service）是由一个或多个特征值（Characteristic）组成的逻辑单元。特征值是具体的数据容器，它们包含实际传递的数据内容，比如传感器的测量值或者控制命令。每个服务都有一个唯一的UUID（Universally Unique Identifier），用于标识该服务。

在多个特征值逻辑上相关联时，它们会被组织成一个服务，以便于管理和操作。例如，心率监测设备会有一个心率测量的服务，该服务包含两个特征值：一个用于读取心率测量值，另一个用于通知心率值的变化。

5.1.2 特征值的作用与特性

特征值是服务中进行数据交换的核心，它们包含三个关键属性：

• 值（Value）：特征值实际包含的数据。
• 描述符（Descriptor）：附加信息，用于定义如何解释特征值中的数据。
• 属性（Properties）：定义如何与特征值交互，包括读、写、通知和指示等。

特征值的UUID同样用于标识，它必须是唯一的。特性描述了客户端和服务器之间如何交互。例如，如果特征值具有“通知”属性，则当该特征值的值被修改时，服务器会自动通知所有订阅了该特征值的客户端。

5.2 特征值的读写操作

5.2.1 读取特征值的数据

读取BLE设备上的特征值数据是与该设备进行交云的第一步。这通常是在发现特征值之后进行的，需要使用正确的UUID来指定目标特征值。

BluetoothGattCharacteristic characteristic = bluetoothGatt.getService(SERVICE_UUID)
        .getCharacteristic(CHARACTERISTIC_UUID);
bluetoothGatt.readCharacteristic(characteristic);

在上述代码块中，首先通过 getCharacteristic 方法和特征值的UUID来获取 BluetoothGattCharacteristic 实例。随后调用 readCharacteristic 方法开始读取操作。该操作是异步的，需要监听 BluetoothGattCallback 中的 onCharacteristicRead 回调来获取读取结果。

5.2.2 向特征值写入数据

向BLE设备的特征值写入数据通常用于发送控制命令或者更新配置信息。这同样需要正确指定特征值的UUID。

BluetoothGattCharacteristic characteristic = bluetoothGatt.getService(SERVICE_UUID)
        .getCharacteristic(CHARACTERISTIC_UUID);
characteristic.setValue(newValue);
bluetoothGatt.writeCharacteristic(characteristic);

在这段代码中，通过 setValue 方法将新数据写入特征值。之后通过 writeCharacteristic 方法将值写入设备。写入操作也是异步的，需要监听 onCharacteristicWrite 回调以确认写入成功。

读取和写入特征值是BLE交互中核心的操作，开发者通常需要在这些操作后处理可能出现的错误。例如，如果设备不支持某些操作或者连接断开，这些操作会失败。此时，需要在回调中处理这些异常情况，并作出相应的响应。

6. 数据读取和写入操作

6.1 数据读取机制

6.1.1 从BLE设备读取数据的流程

与传统蓝牙技术相比，BLE设备的数据读取过程更为简化，为开发者提供了便利。蓝牙低能耗设备通过广播特定的数据包来向外展示它们的能力和服务，而当连接建立后，这些数据包可以通过特征值进行读取。特征值是定义在BLE设备服务内的最小数据单元，具备特定的属性，如是否可读写、是否需要认证等。

从BLE设备读取数据通常遵循以下流程：
1. 设备连接 ：首先确保目标设备已被连接。
2. 获取服务列表 ：一旦设备连接，获取所有可用的服务。
3. 定位特征值 ：在相应的服务中查找感兴趣的特征值。
4. 读取特征值 ：向BLE设备发送读取请求，并等待数据返回。

这个过程需要对蓝牙的特定API进行调用，并且需要注意处理可能出现的异常和错误。

6.1.2 数据读取事件的监听与处理

数据读取完成后，系统会触发相关的事件。在Android中，数据读取的回调可以通过 BluetoothGattCallback 类进行监听。这个类包含了多个回调方法，比如 onCharacteristicRead() ，用于处理特征值被读取后的事件。

以下是 BluetoothGattCallback 的 onCharacteristicRead 方法的一个代码示例及其逻辑分析：

@Override
public void onCharacteristicRead(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattCharacteristic characteristic, int status) {
    if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
        // 在这里处理从BLE设备读取到的数据
        byte[] data = characteristic.getValue();
        // 解析数据逻辑
    } else {
        // 在这里处理读取错误
        Log.e(TAG, "Error reading characteristic.");
    }
}

参数 status 会告诉我们读取操作是否成功，如果是 BluetoothGatt.GATT_SUCCESS ，说明读取成功，否则要检查错误代码进行相应处理。这里的数据读取流程实现了对BLE设备数据的异步读取，提高了应用的响应性。

6.2 数据写入机制

6.2.1 向BLE设备写入数据的流程

数据写入与数据读取流程相似，需要开发者在确保设备连接的前提下，找到对应的服务和特征值进行操作。写入操作通常用于发送配置指令或更新BLE设备的状态。

向BLE设备写入数据的流程通常包括：
1. 建立连接 ：与目标设备建立蓝牙连接。
2. 定位写入特征值 ：在服务中找到要写入数据的特征值。
3. 写入数据 ：向BLE设备发送写入请求，并等待确认。

一个典型的写入操作如下：

private void writeCharacteristic(BluetoothGattCharacteristic characteristic) {
    if (bluetoothGatt == null) {
        Log.e(TAG, "BluetoothGatt is null!");
        return;
    }
    characteristic.setValue(bytesToWrite); // bytesToWrite为需要写入的数据
    bluetoothGatt.writeCharacteristic(characteristic);
}

6.2.2 数据写入的确认与错误处理

与读取数据类似，写入操作完成后的状态也是通过回调函数进行通知的。对于写入操作，监听回调为 onCharacteristicWrite() 方法。如果写入操作成功完成， status 参数将为 BluetoothGatt.GATT_SUCCESS 。

@Override
public void onCharacteristicWrite(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattCharacteristic characteristic, int status) {
    if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
        // 写入操作成功，可以进行下一步操作
    } else {
        // 写入操作失败，需要处理错误情况
        Log.e(TAG, "Write failed. Error Code: " + status);
    }
}

错误处理部分应该包括重试逻辑或错误报告。在实现中，开发者需要根据应用的实际需求决定在哪些情况下需要重试，以及何时向用户报告错误。

在本章节中，我们详细探讨了BLE设备数据读取和写入的机制，包括了从数据读取流程到数据写入确认的整个过程，以及相关的事件监听和异常处理。这些操作对于构建稳定的BLE通信通道至关重要，能够帮助开发者深入理解并有效地与BLE设备进行数据交互。

7. BLE广播通知接收机制

在BLE通信中，广播是设备之间进行信息交换的一种基础方式。本章节将介绍如何在Android系统中接收并解析BLE广播数据包，并讨论如何将这些广播数据用于应用层的具体场景。

7.1 广播数据的接收与解析

BLE设备通过广播数据包不断地向外界发送自身的信息。接收设备可以通过开启广播接收器来监听这些广播。

7.1.1 开启广播接收器

为了能够接收到BLE广播，首先需要在Android应用中注册一个 BroadcastReceiver 。可以通过 AndroidManifest.xml 文件或代码动态注册来实现。

<receiver android:name=".MyBleReceiver">
    <intent-filter>
        <action android:name="android.bluetooth.device.action.FOUND" />
    </intent-filter>
</receiver>

或者在代码中动态注册：

IntentFilter filter = new IntentFilter(BluetoothDevice.ACTION_FOUND);
registerReceiver(receiver, filter);

这里的 MyBleReceiver 是一个自定义的广播接收器，需要继承 BroadcastReceiver 类并重写 onReceive() 方法来处理接收到的广播数据。

7.1.2 广播数据包的解析方法

当广播接收器接收到广播时，通过 Intent 的 getParcelableExtra 方法可以获取到包含广播数据的 BluetoothDevice 对象。

private class MyBleReceiver extends BroadcastReceiver {
    @Override
    public void onReceive(Context context, Intent intent) {
        String action = intent.getAction();
        if (BluetoothDevice.ACTION_FOUND.equals(action)) {
            BluetoothDevice device = intent.getParcelableExtra(BluetoothDevice.EXTRA_DEVICE);
            // 可以获取到设备对象，进而获取设备名、地址等信息
            String deviceName = device.getName();
            String deviceAddress = device.getAddress();
            // 处理获取到的信息
        }
    }
}

7.2 广播数据处理与应用

BLE广播数据对于应用而言，通常包含了设备的标识信息、工作状态等，开发者可以根据这些信息进行用户提示或其他操作。

7.2.1 根据广播数据进行用户提示或操作

通过解析广播数据，应用可以判断是否找到了预期的设备，并据此提示用户。例如，当应用正在寻找特定的健康监测设备时，一旦发现该设备，可以显示相应的提示信息或启动相应的服务。

7.2.2 广播数据的存储与历史记录管理

为了提供更好的用户体验，广播数据通常需要被存储起来以供将来参考或分析。可以考虑将广播数据存储到本地数据库或文件系统中，这样应用就可以跟踪设备的历史状态或进行数据分析。

// 保存广播数据到数据库的示例代码
public void saveBleDataToDatabase(BluetoothDevice device) {
    // 假设已经有一个SQLite数据库和相应的数据库操作类
    DatabaseHelper dbHelper = new DatabaseHelper(context);
    SQLiteDatabase db = dbHelper.getWritableDatabase();
    ContentValues values = new ContentValues();
    values.put("name", device.getName());
    values.put("address", device.getAddress());
    db.insert("ble_device", null, values);
    db.close();
}

通过这些机制，应用不仅能实时地响应BLE广播，还能够基于这些数据提供更加丰富和个性化的服务。

本文还有配套的精品资源，点击获取

简介：本源码实例展示了Android设备如何通过蓝牙4.0与BLE(Bluetooth Low Energy)终端进行通信。蓝牙4.0技术专为低功耗通信设计，非常适合IoT设备。源码详细解析了如何发现、连接BLE设备以及进行服务和特征值的交互。同时，讲解了数据的读取和写入、广播通知的接收、连接状态的管理，以及性能优化和权限要求等关键知识点，为开发者提供了开发蓝牙物联网应用的宝贵参考。

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