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

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。

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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：

1. 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

2. 快速连接：建立连接仅需几毫秒

3. 简化协议栈：相比经典蓝牙更简单

4. 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

1. BluetoothAdapter：代表本地蓝牙适配器

2. BluetoothLeScanner (API 21+)：用于BLE设备扫描

3. ScanCallback：扫描结果回调

4. BluetoothDevice：代表远程蓝牙设备

5. BluetoothGatt：BLE连接和通信的核心类

6. BluetoothGattCallback：GATT操作回调

7. BluetoothGattService：GATT服务

8. BluetoothGattCharacteristic：GATT特征值

9. 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() {@Overridepublic void onScanResult(int callbackType, ScanResult result) {super.onScanResult(callbackType, result);BluetoothDevice device = result.getDevice();// 处理发现的设备}@Overridepublic 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() {@Overridepublic 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}}@Overridepublic 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}}}@Overridepublic void onCharacteristicRead(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattCharacteristic characteristic, int status) {// 特征值读取完成}@Overridepublic void onCharacteristicWrite(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattCharacteristic characteristic, int status) {// 特征值写入完成}@Overridepublic 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

1. 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

2. 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

3. 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

4. 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

5. 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);

6. 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

1. 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

2. 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

3. 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

4. Android 12兼容性：

   • 更新权限声明

   • 如果不需要定位，添加android:usesPermissionFlags="neverForLocation"

七、高级特性

1. 扩展广播(Android 10+)：

   • 支持更长的广播数据

   • 支持定期广播

2. LE Audio(Android 13+)：

   • 支持新的LE音频规范

   • 提供更高质量的音频传输

3. Bluetooth 5特性：

   • 2M PHY高速模式

   • 长距离模式

   • 广播扩展

通过以上详细指南，开发者可以全面掌握Android平台上低功耗蓝牙(BLE)的开发技术，构建高效、稳定的蓝牙应用。