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

news 来源：原创 2025/6/19 6:23:26

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：

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
快速连接：建立连接仅需几毫秒
简化协议栈：相比经典蓝牙更简单
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

BluetoothAdapter：代表本地蓝牙适配器
BluetoothLeScanner (API 21+)：用于BLE设备扫描
ScanCallback：扫描结果回调
BluetoothDevice：代表远程蓝牙设备
BluetoothGatt：BLE连接和通信的核心类
BluetoothGattCallback：GATT操作回调
BluetoothGattService：GATT服务
BluetoothGattCharacteristic：GATT特征值
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() {
    @Override
    public void onScanResult(int callbackType, ScanResult result) {
        super.onScanResult(callbackType, result);
        BluetoothDevice device = result.getDevice();
        // 处理发现的设备
    }
    
    @Override
    public 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() {
    @Override
    public 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
        }
    }
    
    @Override
    public 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
            }
        }
    }
    
    @Override
    public void onCharacteristicRead(BluetoothGatt gatt, 
                                    BluetoothGattCharacteristic characteristic, 
                                    int status) {
        // 特征值读取完成
    }
    
    @Override
    public void onCharacteristicWrite(BluetoothGatt gatt, 
                                     BluetoothGattCharacteristic characteristic, 
                                     int status) {
        // 特征值写入完成
    }
    
    @Override
    public 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

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
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
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
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
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);
```
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

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
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
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
Android 12兼容性：
- 更新权限声明
- 如果不需要定位，添加android:usesPermissionFlags="neverForLocation"