【蓝牙】低功耗蓝牙 BLE

低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy, BLE）是一种专为低功耗设备设计的无线通信技术，在物联网（IoT）、可穿戴设备、健康监测等领域有广泛应用。本文将深入探讨BLE的工作原理、关键技术、应用场景及其在Android开发中的具体实现。

工作原理

BLE的通信分为广播和连接两种模式：

广播模式（Advertising Mode）：
- 广播设备周期性地发送广播包，包含设备的UUID和服务信息。
- 扫描设备接收广播包，用于发现和识别周围的BLE设备。
连接模式（Connection Mode）：
- 当扫描设备找到目标设备后，可发起连接请求。
- 连接建立后，双方可以通过GATT（Generic Attribute Profile）进行数据交换。

关键技术

GATT（通用属性协议）：
- GATT定义了BLE设备之间如何交换数据。数据组织为“服务”（Service）和“特征”（Characteristic）。
- 每个服务包含一个或多个特征，每个特征包含数据值和描述。
ATT（属性协议）：
- ATT是GATT的基础，提供了客户端和服务器之间的属性操作机制。
UUID（通用唯一识别码）：
- BLE设备和服务使用UUID进行标识。128位的UUID确保了全球唯一性。

BLE应用场景

健康监测：
- 心率监测仪、血氧仪等通过BLE与移动设备连接，实时传输健康数据。
智能家居：
- 智能灯泡、门锁、温控器等通过BLE实现与手机或中控设备的无线通信和控制。
可穿戴设备：
- 智能手表、健身追踪器等通过BLE与手机同步数据，提供丰富的功能体验。

Android平台上的BLE开发

1. 权限配置

开发BLE应用首先需要在AndroidManifest.xml中声明相关权限：

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

2. 初始化蓝牙

获取蓝牙适配器，并检查设备是否支持BLE：

val bluetoothManager = getSystemService(Context.BLUETOOTH_SERVICE) as BluetoothManager
val bluetoothAdapter = bluetoothManager.adapter

if (bluetoothAdapter == null || !bluetoothAdapter.isEnabled) {
    // 蓝牙未启用或不支持
}

if (!packageManager.hasSystemFeature(PackageManager.FEATURE_BLUETOOTH_LE)) {
    // 设备不支持BLE
}

3. 扫描和连接设备

扫描设备：

val bluetoothLeScanner = bluetoothAdapter.bluetoothLeScanner
val scanCallback = object : ScanCallback() {
    override fun onScanResult(callbackType: Int, result: ScanResult) {
        val device = result.device
        // 处理发现的设备
    }

    override fun onBatchScanResults(results: List<ScanResult>) {
        // 批量处理扫描结果
    }

    override fun onScanFailed(errorCode: Int) {
        // 扫描失败处理
    }
}
bluetoothLeScanner.startScan(scanCallback)

连接设备：

val device = bluetoothAdapter.getRemoteDevice(deviceAddress)
val gatt = device.connectGatt(this, false, gattCallback)

private val gattCallback = object : BluetoothGattCallback() {
    override fun onConnectionStateChange(gatt: BluetoothGatt, status: Int, newState: Int) {
        if (newState == BluetoothProfile.STATE_CONNECTED) {
            gatt.discoverServices()
        } else if (newState == BluetoothProfile.STATE_DISCONNECTED) {
            // 连接断开处理
        }
    }

    override fun onServicesDiscovered(gatt: BluetoothGatt, status: Int) {
        if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
            val service = gatt.getService(SERVICE_UUID)
            val characteristic = service.getCharacteristic(CHARACTERISTIC_UUID)
            // 处理发现的服务和特征
        }
    }

    override fun onCharacteristicRead(gatt: BluetoothGatt, characteristic: BluetoothGattCharacteristic, status: Int) {
        if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
            val data = characteristic.value
            // 处理读取到的数据
        }
    }

    override fun onCharacteristicWrite(gatt: BluetoothGatt, characteristic: BluetoothGattCharacteristic, status: Int) {
        // 写入特征后的处理
    }

    override fun onCharacteristicChanged(gatt: BluetoothGatt, characteristic: BluetoothGattCharacteristic) {
        val data = characteristic.value
        // 处理特征值变化
    }
}

数据传输

读写特征值：

// 读取特征值
gatt.readCharacteristic(characteristic)

// 写入特征值
characteristic.value = byteArrayOf(0x01, 0x02, 0x03)
gatt.writeCharacteristic(characteristic)

通知和指示：
通知和指示用于在特征值变化时主动推送数据到客户端。

// 启用通知
gatt.setCharacteristicNotification(characteristic, true)
val descriptor = characteristic.getDescriptor(CLIENT_CHARACTERISTIC_CONFIG_UUID)
descriptor.value = BluetoothGattDescriptor.ENABLE_NOTIFICATION_VALUE
gatt.writeDescriptor(descriptor)

低功耗优化

设置扫描模式：
使用低功耗扫描模式减少电量消耗。

val settings = ScanSettings.Builder()
    .setScanMode(ScanSettings.SCAN_MODE_LOW_POWER)
    .build()
bluetoothLeScanner.startScan(null, settings, scanCallback)

调整连接参数：
根据应用需求调整连接间隔和超时，以平衡性能和功耗。

val connectionParams = BluetoothGattConnectionPriority.CONNECTION_PRIORITY_LOW_POWER
gatt.requestConnectionPriority(connectionParams)

安全性

安全配对：
使用BLE的安全配对机制保护数据传输。

// 发起配对
device.createBond()

数据加密：
确保数据在传输过程中被加密，防止被窃听。

低功耗蓝牙技术以其低能耗、快速连接和高效传输的特点，广泛应用于各种领域。通过深入理解BLE的工作原理和关键技术，开发者可以充分利用其优势，打造高效、可靠的无线通信应用。希望本文能为你在BLE开发中提供有价值的指导和帮助。