前言
随着可穿戴设备的越来越火爆，可移动终端设备上的应用也随之热门起来，现在主流的ios和android系统中，对于BLE蓝牙的开发有些差别，ios由于其蓝牙控制的稳定性，开发起来相对稳定简单，而android上面对蓝牙开发可就没那么简单稳定了，在api19后换上新的Bluedroid协议栈后开始支持BLE4.0低功耗蓝牙设备通信，系统对蓝牙支持也差强人意，加上android系统开放性，国内各手机厂商对系统所谓的优化定制后，手机系统对蓝牙的支持就不太稳定了，大部分情况都要对不同手机进行适配处理，导致android开发难度大大增加…
1.BLE蓝牙的特点
- 近距离通信，典型距离是 10 米以内（BLE4.0）
- 速度最高可达 24 Mbps
- 低功耗 （峰值电流15mA，休眠电流 1uA）
- 低成本
- 低延迟连接 （3ms）
- 高可弹性 （多种模式）
- 高安全性 （128bit AES加密）
2.BLE 名称解释
2.1 GATT/ATT
GATT，全称叫做通用属性配置文件，它是建立在前面说的 ATT 的基础上，对 ATT 进行进一步的逻辑封装，定义数据的交互方式和含义。这是我们做 BLE 开发的时候直接接触的概念。GATT 按照层级定义了三个概念：服务（Service）、特征（Characteristic）和描述（Descriptor）。他们的包含关系如右边这个图所表示的：一个 Service 包含若干个 Characteristic，一个 Characteristic 可以包含若干 Descriptor。而 Characteristic 定义了数值和操作。Characteristic 的操作这几种权限：读、写、通知等权限。我们说的 BLE 通信，其实就是对 Characteristic 的读写或者订阅通知。还有最外面一层，Profile配置文件，把若干个相关的 Service 组合在一起，就成为了一个 Profile，Profile 就是定义了一个实际的应用场景。
2.2 UUID
Service、Characteristic 还有 Descriptor 都是使用 UUID 唯一标示的。具体的表现形式，我们在后面会讲到。我们先来说说 UUID 是什么？ UUID 是全局唯一标识，它是 128bit 的值，为了便于识别和阅读，一般标示程如下的形式，8-4-4-12 的16进制标示。
关于 UUID 有一些规范，为了避免冲突，一般都不会自己手动去定义。例如 Android 中提供了 UUID.randomUUID() 来生成一个随机的 UUID。我们也看到，UUID 有点太长了，在低功耗蓝牙中这种数据长度非常受限的情况下，使用起来肯定不方便，所以蓝牙又使用了所谓的 16 bit 或者 32 bit 的 UUID。其实本质上并没有什么 16bit 或者 32 bit UUID，蓝牙 SIG 定义了一个基础的UUID（Bluetooth Base UUID），形式如下。除了 XXXX 那几位意外，其他都是固定，所以说，其实 16 bit UUID 是对应了一个 128 bit 的 UUID。这样一来，UUID 就大幅减少了，例如 16 bit uuid 只有有限的 65536 个，所以 16 bit UUID 并不能随便使用。SIG 已经预先定义了一些 UUID，如果你想添加一些自己的 16 bit 的 UUID，可以花钱买。
2.3 GAP
GAP是通用访问控制配置文件 ，由名字可以看出，它定义了 BLE 整个通信过程中的流程，例如广播、扫描、连接等流程。还定义了参与通信的设备角色，以及他们各自的职能，例如广播数据的 Broadcaster，接收广播的 Observer，还有被连接的“外设” Peripheral 和发起连接的“中心设备” Central。可以看到，参与交互的设备角色都不是对等。详细的交互流程，我们放到后面讲。
3.BLE 蓝牙栈结构
3.1 Arch
作为 Android 开发者，我们不必理解 BLE 的协议栈每个细节，这里大概介绍一下协议架构。我们都知道，协议一般都是分层设计的。BLE 协议栈也不例外。我们来看一下这个图。整个协议栈大致分为三部分，从下到上分别为，控制器（Controller）→主机（Host）→应用（Applications）。
控制器：它是协议栈的底层的实现，直接与硬件相关，一般直接集成在 SoC 中，由芯片厂商实现，包括物理层和链路层。 主机：这是协议栈的上层实现，是硬件的抽象，与具体的硬件和厂家无关。 应用层：就是使用 Host 层提供的 API，开发的应用。
3.2 Controller
首先是物理层。蓝牙是工作在 2.4GHz 附近，这是工业、科学、医疗 ISM 频段。可以看到它和 WiFi 工作在同一个频段。蓝牙把频段切分为 40 个通道，3 个广播通道，37 个数据通道，按照一定规律跳频通信（高斯频移键控 GFSK）。
在 Host 层和 Controller 之间有一个接口层，简称为 HCI。主机和控制器之间就是通过 HCI 命令和事件交互的。HCI 这一层是协议栈中是可选的，例如在一些简单小型的设备上可能就没有，但是所有的 Android 设备上肯定是有。这是蓝牙上层应用和芯片的交互的必经之路。后面我们会讲到，这一层的 log，能够很好的帮助我们分析和调试问题。
3.3 Host
在 Host 部分，协议结构要复杂一些，有逻辑链路控制和适配层，安全管理模块等等。我们重点来看属性协议，简称为 ATT，它是 BLE 通信的基础。ATT 把数据封装，向外暴露为“属性”，提供“属性”的为服务端，获取“属性”的为客户端。ATT 是专门为低功耗蓝牙设计的，结构非常简单，数据长度很短。
3.Android BLE
3.1 Android Ble 开发
从 Android 4.3 Jelly Bean，也就是 API 18 才开始支持低功耗蓝牙。这时支持 BLE 的 Central 模式，也就是我们在上面 GAP 中说的，Android 设备只能作为中心设备去连接其他设备。从 Android 5.0 开始才支持外设模式。
Android SDK 中 BLE 相关的 API 都在 android.bluetooth.* 下面，同时在 Android 5.0 也引入了一些也需要用到 android.bluetooth.le* 下面的 API。
例如，在前面介绍的 GATT 定义的一些概念，都有对应的类，例如 BluetoothGatt/BluetoothGattService/BluetoothGattCharacteristic 等。有了前面的介绍，我们就能很容易的理解这些类的作用。
另外，要在 APP 中使用蓝牙功能，需要在 Manifest 中申请蓝牙相关的权限。在 Android 6.0 及以上平台中，还需要申请定位权限。为什么会这样？因为 BLE 确实有定位的能力，我们后面会讲到。
3.2 Android Ble 底层架构
Android 上蓝牙实现的架构。我们来看右边这个图，这是 Android 上一个非常经典的层级结构。最下面硬件部分，可以使用各厂家的具体实现，通过硬件抽象层（HAL）接口统一连接到 Android AOSP 中，通过 JNI 提供 Java 访问接口。蓝牙服务运行在 com.android.bluetooth 进程中，最后通过 Binder 机制向客户端，也就是 APP 提供相关的 API。
关于蓝牙协议栈，这里多说一点。Android 4.2 以前用的是老牌协议栈实现 BlueZ，4.2 开始换成了由 Google 和 Broadcom(博通)联合开发的 BlueDroid，专门在 Android 平台使用。BlueDroid 作为全新的实现，功能不是完善，我们可以看到在 4.3 以后才支持 BLE，在 5.0 以后才支持外设模式，到目前为止，功能其实还是不是很完善。也有一些 Bug。
介绍一下 Android 中 BLE 操作的过程，APP 发起一个 BLE 操作，然后理解返回，操作结果通过回调上报。操作被封装为一个消息，然后放到协议栈的消息队列中，有一个独立的线程获取消息进行处理，这里非常类似于我们熟知的 Looper 和 Handler 机制。
因为是使用消息机制，回调的时候必须知道通知哪个客户端？客户端发起请求之前，首先要向协议栈注册客户端，注册成功以后，返回一个 clientIf，这是一个整型，是客户端在协议栈的一个句柄，客户端的后续操作，都只需要带上这个 clientIf 句柄即可。
在操作完成的时候，一般都有一个显式的停止操作，用来释放前面的申请的 clientIf 和资源。如果不能正确的释放，不仅会造成内存泄漏，而且可能会导致后续所有的 BLE 操作都是不能做了。因为这个 clientIf 是有限，在现在蓝牙协议栈中只有 32 个，而且是Android 上所有 APP 共用的。当这些资源用完以后，只有通过杀掉对应的 APP 或者重启蓝牙才能恢复。
3.3 Ble 蓝牙广播
我们所说的广播数据其实包含两部分：Advertising Data（广播数据） 和 Scan Response Data（扫描响应数据）。通常情况下，广播的一方，按照一定的间隔，往空中广播 Advertising Data，当某个监听设备监听到这个广播数据时候，会通过发送 Scan Response Request，请求广播方发送扫描响应数据数据。这两部分数据的长度都是固定的 31 字节。在 Android 中，系统会把这两个数据拼接在一起，返回一个 62 字节的数组。
广播数据包的结构如这个图所示（动画）。广播包中是包含一个一个的小 AD structure，每个 AD structure 是一个完整的数据，它的结构是：第一个字节表示长度 n，后面紧接 n 个字节的数据。数据部分第一个字节表示数据类型，也就是后面的数据含义，后面 n - 1 个字节表示真实数据。例如 0x08 是设备的名字，后面的数据就是设备名字的 UTF-8 编码。
这些广播数据可以自己手动去解析，在 Android 5.0 也提供 ScanRecord 帮你解析，直接可以通过这个类获得有意义的数据。
广播中可以有哪些数据类型呢？设备连接属性，标识设备支持的 BLE 模式，这个是必须的。设备名字，设备包含的关键 GATT service，或者 Service data，厂商自定义数据等等。
这里我们也可以看到，广播数据只有最多62字节，所以广播数据空间每个直接都非常珍贵。一般都把哪些数据放到广播中呢？原则上是广播中要放一些能够表达设备身份的数据，还有一些需要暴露的必要数据。因为空间的限制，所以基于广播做不了太复杂的应用，到了 Bluetooth 5.0，据说要大幅扩展广播数据的容量，扩展到 512 字节，这时想象空间就比较大了。
另外，再顺带提一下，无线通信中基本都有信号强度的概念 — 也就是 RSSI，RSSI 单位是 dB，通过 RSSI 能够大致推测出距离的远近。但是这个在 Android 设备上非常不靠谱，RSSI 的值波动很大，跟环境和手机的角度关系很大。
我们来直观看一下扫描到的结果是什么样。例如我们使用一个 APP 扫描，扫到一个设备，这些内容都是从广播数据中解析出来的，例如设备名字，设备类型，GATT 服务数据，产商自定义数据等。原始数据是这样的（动画），这里是一个 62 字节的16进制标示，下面这个表格中，每一行就是一个 AD Structure。
3.4 android 蓝牙广播扫描
我们来看一下 Android 作为接收者怎么接收广播数据，扫描设备。代码其实很简单，首先创建一个 LeScanCallback，用来接收收到广播以后，回调上报数据。然后会用 BluetoothAdapter 的 startLeScan 来开始扫描，需要停止扫描的时候，使用 stopLeScan 来停止。
我么来详细看一下这个回调函数，onLeScan，有 BluetoothDevice 这个参数，代表扫描到的设备，关键是设备的的 MAC 地址信息。然后就是 RSSI，表示扫描到的设备的信号强度，接下来 scanRecord 就是我们前面介绍的广播数据，这个数据的长度是62字节。值得提的一点是，BLE 所有回调函数都不是在主线程中的。
这里有几点需要注意，这里在不需要扫描以后，一定要 stopLeScan，而且 start 和 stop 中传入的 LeScanCallback 一定要是同一个，因为 LeScanCallback 就是我们客户端的标识。否者就会出现我们前面说的 clientIf 不释放的问题。在 Android 开发中，我们经常会使用匿名内部类来做参数，在这里就千万不要这么做。
在 Android 5.0 中，提供了全新的扫描 API — BluetoothLeScanner，它提供了对扫描更加精细的控制。
除了这种方法，还可以使用经典蓝牙扫描的方式，BluetoothAdapter 的 startDiscovery()，然后通过 BroadcastReceiver 来接收收到的广播。如果只是做 BLE 的开发，不建议使用这个方法，这是一个非常重的操作，灵活性非常差。
接下来我们来看一下扫描的工作流程。首先 APP 发起扫描请求，通过蓝牙的 Service 发送请求给蓝牙芯片。蓝牙芯片开始扫描，扫描到了设备，就通过回调上报。我们知道，扫描真正执行实在 BT 芯片中，只要 APP 发送了请求下去以后，Android 系统就可以休眠了，也就是我们常说的 AP （Application Processor），等扫描到了设备以后，底层 BP （Baseband Processor）就会唤醒上层 AP，执行回调通知到 APP，（动画）就像我们图中红色框标出的这样。这里有一个问题，随着我们周围的 BLE 设备逐渐增多，频繁扫描到设备，系统就会被频繁的唤醒，甚至睡眠不下去，从而导致耗电严重。
为了避免这种问题，耗电的问题。我们需要尽可能少的使用扫描。即使需要扫描，我们也希望尽可能少的上报扫描到的设备。这里就可以使用 Android 5.0 上提供的新接口，设置 ScanFilter，通过一定的规则过滤，只有扫描到了符合我们的规则的设备才上报，或者通过设置延迟上报，从而减少唤醒系统的次数。
这里总结一下扫描中一些建议。1、首先，尽可能使用新的 API，功能更强大；2、尽可能少地扫描，因为毕竟扫描是一个比较重的操作，耗电，也会减慢 BLE 连接速度；3、扫描的时候，尽量设置 ScanFilter，只扫描那些你感兴趣的设备，而不是全盘扫描；4、正确使用 API，特别是合理停止扫描，防止资源泄漏。
3.3 Ble 蓝牙连接
BLE 连接的建立是通过 GAP 来协商和创建连接。Central 设备发起连接，外设接收连接请求，并协商连接参数。
前面我们介绍了 GATT，GATT 核心内容就是 Service、Characteristic 以及 Descriptor。每个 BLE 外设，根据自己的功能，向外暴露 Service 等。其实最重要的获取 Service 中的 Characteristic，Characteristic 可以被读、写、还有变化的时候有通知，这样就实现了双向的通信。
未完待续。。。