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1：GATT 協議

GATT概述
GATT（Generic Attributes，通用屬性協議），定義了一種面向 BLE設備的分層數據結構。
GATT建立在ATT（ Attribute Protocol，通用訪問協議）之上，ATT使用GATT數據定義兩個BLE設備間收發標準消息的方式。
由于 GATT 是面向 LE 技術的協議，所以在只支持 BR/EDR 技術的設備上無法使用。
GATT分層數據結構的層次

GATT定義了用于BLE設備傳輸數據的標準數據結構，結構主要包括了如上圖所示的：
1.服務（Service）
2.特征（Characteristic）
3.描述符（Descriptor）。
配置文件（Profile）：
配置文件，GATT頂層，該由滿足配置實例需要的一個或多個服務組成。
服務（Service）：
服務由特征和其他服務的引用組成，擁有固定的 UUID 作為標記值。
設備的功能主要體現在服務上，每種服務都對應著某一種功能。

可以到官網上查看服務列表 GATT Services。
通過服務列表中的 Assigned Numbers 可以獲取服務的UUID。

Assigned Numbers轉換成可用的服務UUID 的方法于文檔 Service Discovery。
簡單來說，就是：
```
  "服務的Assigned Numbers"-0000-1000-8000-00805F9B34FB
```
特征（Characteristic）：
特征是BLE通信的主體，是一個服務端和客戶端共享的讀寫空間。
主機在從機上獲取所需的信息，實際就是通過獲取對應的特征的內容進行的。

特征由屬性值和描述符組成：
1. 屬性值
  屬性值包括聲明（Declaration），值（Value），一個屬性值最少包括一個聲明和一個值，即是屬性值是特征必選的條目。
2. 描述符
  特征可以包括零到若干個描述符，可選條目。
特征信息列表可以查看官方文檔 GATT Characteristics。
描述符（Descriptors）
用于表達特征的其他附加信息，如特征值的有效范圍，可讀性描述等信息。

其中包含了特殊的 CCCD（Client Characteristic Configuration Descriptor, Assigned Number : 0x2902）：
CCCD 可以設置服務端在對應特征值發生變化時，是否對客戶端進行信息推送（直接發送信息）或提示（發送一個提示并等待回復）。
當特征包含通知能力時，CCCD為必選項。

描述符列表可以查看官方文檔 GATT Descriptors。

2：Android BLE 相關 API

BluetoothAdapter
藍牙適配器：

本地設備藍牙適配器，提供基本藍牙功能的工具，例如開啟藍牙發現，查詢配對設備，實例化藍牙設備鏈接，監聽連接請求，掃描設備等。
基本上說，藍牙適配器是進行藍牙操作的起點。

獲取BluetoothAdapter實例，在 API 18 及以上的設備，使用：
```
BluetoothManager.getAdapter
```
在API18以下設備使用以下API獲取：
```
BluetoothAdapter.getDefaultAdapte
```
本類線程安全。涉及到的權限為：
```
<uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH"/> 
<uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH_ADMIN"/>
```
BluetoothDevice
遠程藍牙設備：

提供了遠程藍牙設備的基本信息，如名稱，地址，類別，綁定狀態等。
本質上只是對藍牙硬件地址的簡單包裝。該類的實例不可修改。

一般來說，通過掃描設備的掃描結果回調中獲取。
也可以直接通過以下方式獲取：
```
/* 使用已知的物理地址作為參數進行連接 */
BluetoothAdapter.getRemoteDevice(address);
/* 獲取已適配的藍牙記錄列表 */
BluetoothAdapter.getBondedDevices();
```
BluetoothGatt
GATT客戶端，GATT協議的公共API，提供了GATT的基本功能，如實現藍牙設備的通信。
通過掃描支持LE技術的藍牙設備，獲取到 BluetoothDevice，然后通過：
```
/* GATT連接操作的回調 */
BluetoothGattCallback mCallback;
BluetoothDevice.connectGatt(content, autoConnect, mCallback);
```
通過設置 BluetoothGattCallback 回調，可以從回調中得到 BluetoothGatt 實例。

BluetoothGattCallback
GATT狀態回調，大部分GATT操作的結果都會通過該類實例回調，包括：

/* 連接狀態回調，包括連接到服務器 / 從服務器斷開連接 */
onConnectionStateChange();
/* 遠程設備發現新服務 */
onServicesDiscovered();
/* 特征相關操作的回調 */
onCharacteristicRead();
onCharacteristicWrite();
onCharacteristicChanged();

同時，掃描設備和停止掃描的操作，都需要用到該類的實例。

BluetoothGattService
GATT服務，根據服務的 UUID，嘗試獲取服務實例。

/* 如果對應的設備支持該服務，則返回一個服務的實例，否則返回空 */
BluetoothGatt.getService(uuid);

BluetoothGattCharacteristic
GATT特征，實際通信中的數據信息主體。通過以下方法獲取：

/* 獲取對應UUID的特征 */
BluetoothGattService.getCharacteristic(uuid);
/* 獲取服務的特征列表 */
BluetoothGattService.getCharacteristics();

3：Android BLE 開發示例

聲明權限

一個聲明和兩個基本權限：

<uses-feature android:name"android.permission.BLUETOOTH_ADMIN"/>

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

執行搜索BLE設備的時候，需要使用定位權限。
而在5.0及以上的版本，需要手動聲明GPS硬件模塊功能的權限：

<uses-feature android:name="android.hardware.location.gps"/>

而在6.0及以上版本，掃描設備還需要 動態申請 以下權限：

<uses-permission android:name="android.permission.ACCESS_COARSE_LOCATION"/>

檢查設備支持性
如果設備不支持BLE，可以跳過BLE相關操作了。

boolean checkSupport() {
    return getPackageManager()
              .hasSystemFeature(PackageManager.FEATURE_BLUETOOTH_LE);
}

初始化BluetoothAdapter

private BluetoothAdapter mAdapter;

BluetoothManager bluetoothManager = 
    (BluetoothManager) getSystemService(Context.BLUETOOTH_SERVICE);
mAdapter = bluetoothManager.getAdapter();

然后檢查藍牙的支持性，及是否已打開藍牙。

if (mAdapter == null) {
    return;
}

... private final static int REQUEST_ENABLE_BT = 1;

if (!mAdapter.isEnabled()) {
    Intent intent = new Intent(BluetoothAdapter.ACTION_REQUEST_ENABLE);
    startActivityForResult(intent, REQUEST_ENABLE_BT);
}

啟動設備掃描

創建LeScanCallback實例：
首先需要實現一個 LeScanCallback 實例，掃描結果會通過實例的 onLeScan 方法返回：

LeScanCallback mCallBack = new LeScanCallback (){ 
     @Override
     public void onLeScan(BluetoothDevice device, int rssi, byte[] scanRecord) {}
}

啟動掃描與停止掃描：

··· static int SCAN_TIME = 5_000;
··· Handler mHandler = new Handler();

/* 開始掃描：
   由于掃描消耗電量，所以不能一直處于掃描狀態，
   設置掃描一段時間后關閉掃描 */
mAdapter.startLeScan(mCallBack);
mHandler.postDelay(()->{

   /* 關閉掃描：
    * 注意需要傳入啟動掃描時的 callback對象，否則無效 */
   mAdapter.stopLeScan(mCallBack);
}, SCAN_TIME);

在 API 21 及以上時，掃描操作應使用 BluetoothLeScanner：

final ScanCallback callback = new ScanCallback() {};
final BluetoothLeScanner scanner = mAdapter.getBluetoothLeScanner();

scanner.startScan(new ScanCallback(){});
mHandler.postDelay(()->{
   scanner.stopScan(scanCallback);
}, SCAN_TIME);

獲取掃描結果
以 LeScanCallback 的回調方法 onLeScan 分析：

 /**
  * @param device：    識別到的遠程設備
  *
  * @param rssi：      信號強度指示，計數為dB。可以通過：
                       d = 10^((abs(RSSI) - A) / (10 * n)) 
                       計算出距離。A和n根據環境改變，需經實驗測出，
                       給出兩個網上的經驗值：
                       <1>  A: 50 n: 2.5    <2>  A: 59 n: 2.0
  *
  * @param scanRecord：廣播數據和掃描應答數據數據
                       BLE設備在對外廣播中，廣播中會攜帶一些有用的信息。
                       其中包含了 廣播數據 和 掃描應答數據，
                       兩者有效荷載最大都為 31字節（藍牙4），
                       以十六進制格式存儲，可通過 bytesToHex 轉換成可用的字符串。
  */
 void onLeScan(BluetoothDevice device, int rssi, byte[] scanRecord) {}

注意相同的 BluetoothDevice 會重復出現在回調中，所以如果要記錄藍牙列表，需要自行過濾重復出現的設備，或更新對應重復出現的設備的信息。
bytesToHex 參考

連接外圍設備
通過 BluetoothDevice 的 connectGatt 方法獲取一個 BluetoothGatt 實例。
connectGatt 有多個重載方法，這里介紹其中最復雜的重載方法：

 /**
  * 以客戶端的身份連接到該設備托管的GATT服務器
  *
  * @param autoConnect：自動連接，設備不可用時會不斷嘗試重連。
  *
  * @param callback：   BluetoothGattCallback實例，用于接收異步回調
  *
  * @param transport：  GATT連接到雙模設備的首選傳輸模式：
  *                     1：TRANSPORT_AUTO   自動選擇 （默認值）
  *                     2：TRANSPORT_BREDR  BR/EDR 傳統藍牙
  *                     3：TRANSPORT_LE     LE 低耗藍牙
  *
  * @param phy：        PHY物理層的模式選擇：
  *                     1：PHY_LE_1M_MASK：
  *                        默認值，LE設備強制要求支持的模式，
  *                        符號速率為1M/s，未編碼。
  *                     2：PHY_LE_2M_MASK：
  *                        符號速率為2M/s，未編碼，
  *                        用于 藍牙5 的 "2x speed" 2倍速率。
  *                     3：PHY_LE_CODED_MASK：
  *                        在數據包中增加糾錯編碼以實現更遠的傳輸范圍，
  *                        以實現 藍牙5 的 "4x range" 4倍范圍。
  *                        使用FEC編碼，根據方案又分為：
  *                        LE Coded S=2：2個編碼位代替原來一個數據位，
  *                                      速率降為 500K/s，傳輸范圍增大2倍；
  *                        LE Coded S=8：8個編碼位代替原來一個數據位，
  *                                      速率降為 125K/s，傳輸范圍增大4倍；
  *                     設置 autoConnect 自動連接時，該項無效
  *
  * @param handler：    傳入一個Handler，以指定回調發生的線程，
  *                     傳入null時，回調將會在一個未指定的后臺線程上進行。
  */
 BluetoothGatt connectGatt(Context context,
                           boolean autoConnect,
                           BluetoothGattCallback callback, 
                           int transport, int phy,
                           Handler handler) { ··· }

一般情況下使用默認值既可，
注意必須傳入非空的callback，否則會拋出 IllegalArgumentException：

BluetoothDevice.connectGatt(content, autoConnect, callback);

當連接成功時，會回調 callback 的 onConnectionStateChange 方法

/**
 * GATT客戶端的連接狀態回調
 *
 * @param gatt：    GATT客戶端。
 * @param status：  連接或斷開操作的執行結果, 成功返回 GATT_SUCCESS
 * @param newState：當前的連接狀態：STATE_CONNECTED / STATE_DISCONNECTED
 */
void onConnectionStateChange(BluetoothGatt gatt, int status, int newState);

status 表示連接操作的結果，只有status為 GATT_SUCCESS 時，newState才是有效值。

注意一臺安卓設備最多同時連接6個左右的藍牙設備，超出時可能出現：
status == 133 連接錯誤，
所以需要注意調用 BluetoothGatt.close() 方法進行資源釋放。
可參考：Android中BLE連接出現“BluetoothGatt status 133”的解決方法

當 status == GATT_SUCCESS，且 newState == STATE_CONNECTED 時，表示已成功連接設備，可以進行下一步操作。

發現服務
在建立連接之后，就可以通過 BluetoothGatt實例進行發現服務操作，查找設備支持的服務。

/**
 * 異步操作，發現服務完成時，會回調onServicesDiscovered()方法。
 * 假如發現服務已在啟動狀態中，則返回true
 */
boolean discoverService();

等待 BluetoothGattCallback 的 onServicesDiscovered() 被回調：

/**
 * @param gatt:   執行發現服務后的GATT客戶端。
 * @param status: 發現服務的執行結果, 成功返回 GATT_SUCCESS
 */
void onServicesDiscovered(BluetoothGatt gatt, int status) ;

當 status 返回GATT_SUCCESS，表示與外部設備成功建立 可通信連接，
意味著可以執行如：寫入數據，讀取藍牙設備的數據等藍牙通信操作了。
先把獲取到的 BluetoothGatt實例記錄為 mGatt：

··· BluetoothGatt mGatt;

void onServicesDiscovered(BluetoothGatt gatt, int status) {
    mGatt = gatt;
}

獲取服務
發現服務成功之后，可以通過以下的方法嘗試獲取 BluetoothGattService 實例：

/* 獲取遠程設備提供的服務列表，
 * 如果未執行發現服務，會返回一個空列表 */
mGatt.getServices();

/* 通過服務的UUID，獲取指定的服務，
 * 如果遠程設備不支持給定UUID的服務，返回null，
 * 如果遠程設備存在多個給定UUID的服務實例，則返回第一個實例 */
mGatt.getService(UUID);

獲取到 BluetoothGattService 之后，就可以通過獲取服務的特征進行讀寫。

特征的讀寫數據
前面介紹了，通信主體實際上是特征，要進行讀寫操作，其實就是在操作特征里的屬性詞條，所以要先通過服務獲取特征：

/* 假設 service 是從上一步獲取到的一個 BluetoothGattService 實例*/
··· BluetoothGattService service;

/* 獲取該服務的特征列表 */
service.getCharacteristics();

/* 通過特征的UUID，獲取指定的特征，
 * 如果沒有找到給定UUID的特征，返回null，
 * 如果服務中存在多個給定UUID的特征，則返回第一個實例 */
service.getCharacteristic(UUID);

獲取到了特征之后，就可以通過上面獲取到的 mGatt 讀寫信息：

/* 上一步獲取的 BluetoothGattCharacteristic 實例 */
··· BluetoothGattCharacteristic characteristic;

/* 從關聯的遠程設備讀取請求的特征，
 * 異步操作，請求發起成功則返回true，讀取完成會回調：
 * BluetoothGattCallback.onCharacteristicRead() */
mGatt.readCharacteristic(characteristic);

/* 將給定的特征及其值寫入關聯的遠程設備，
 * 異步操作，請求發起成功則返回true，寫入完成會回調：
 * BluetoothGattCallback.onCharacteristicWrite() */
mGatt.writeCharacteristic(characteristic);

讀寫操作都是異步操作，方法返回的是請求是否成功，請求結果都會回調 BluetoothGattCallback 的方法：

/**
 * 讀操作的回調
 * @param characteristic：  讀取后的特征
 * @param status：          讀取結果，成功為 GATT_SUCCESS
 */
void onCharacteristicRead(BluetoothGatt gatt, 
                          BluetoothGattCharacteristic characteristic,
                          int status) { ··· }

/**
 * 寫操作的回調
 * @param characteristic：  寫入后的特征
 *                          注意：這里返回的特征，為設備當前的特征, 
 *                          應該在該回調中，應對比該特征的內容是否符合期望值，
 *                          如果與期望值不同，應該選擇重發或終止寫入。                    
 * 
 * @param status：          寫入結果，成功為 GATT_SUCCESS
 */
void onCharacteristicWrite(BluetoothGatt gatt, 
                          BluetoothGattCharacteristic characteristic,
                          int status) { ··· }

寫數據的時候要注意，需要對比返回的特征和寫入的特征，判斷是否寫入成功或者產生了異常，選擇繼續寫入或者重寫，或者放棄操作。

描述符的讀寫數據
讀寫方式與特征的讀寫方式基本一致，不再過多描述：

/* 獲取描述符 */
··· BluetoothGattCharacteristic characteristic;
characteristic.getDescriptors();
characteristic.getDescriptor(UUID);

/* 通過 mGatt 讀寫數據
 * 同樣，寫操作需要做寫入結果校驗 */
··· BluetoothGattDescriptor descriptor;
mGatt.readDescriptor(descriptor);
mGatt.writeDescriptor(descriptor);

/* 結果回調 */
void onDescriptorRead(BluetoothGatt gatt,
                       BluetoothGattDescriptor descriptor,
                       int status) { ··· }
void onDescriptorWrite(BluetoothGatt gatt,
                       BluetoothGattDescriptor descriptor,
                       int status) { ··· }

讀寫數據需要注意的問題

寫入數據量：
每次寫操作的時候，無論是特征或者描述符，一般來說最大只能設置 20個字節 的數據。
這是因為ATT協議中，最大傳輸單元MTU的默認大小為23字節，其中3字節用于ATT協議的控制數據，所以GATT可用的數據大小默認為剩余的20字節。

ATT的MTU最大值為512，在API 21及以上的安卓平臺，可以通過以下方法嘗試改變MTU的大小：
```
··· int mMtu;

/* 請求變更MTU的大小 */
BluetoothGatt.requestMtu(mMtu);

/* 請求結果通過 BluetoothGattCallback 回調 
 * 當statue返回為 GATT_SUCCESS 時，表示變更成功
 * 變更成功后，可以使用（mMtu - 3）的大小傳輸數據*/
public void onMtuChanged(BluetoothGatt gatt, int mtu, int status) {}
```
無法改變的時候，超過20字節的數據，進行分包發送（BLE服務端需要支持）。

讀寫間隔：
讀寫操作都是隊列操作，需要等待操作結果返回后，才能進行下次操作，若當次操作未完成，下次操作調用時，將直接返回操作啟用失敗。

寫入操作時，需等待服務器的確認信息，即寫入回調，再進行下次寫入操作。
當寫入類型設置為不需要接收服務器確認信息（PROPERTY_WRITE_NO_RESPONSE）以加快傳輸速度時，兩次操作之間應保留 80ms ~ 100ms 或以上的延時。

數據變更通知
前面說到ATT支持通知，一些特征在值發生變化時，可以主動向申請了監聽數據變化的客戶端推送通知或指示（不帶數據）。
開啟特征的監聽，需要進行兩步操作：

設置特征信息推送：

/**
 * 啟用或禁用給定特征的通知或指示
 * @param characteristic:  需要進行操作的特征
 * @param enable :         開啟或關閉
 */
BluetoothGatt.setCharacteristicNotification(BluetoothGattCharacteristic characteristic,
                                            boolean enable);

寫入CCCD：
雖然開啟了特征的信息推送，但假如特征本身禁用了通知和指示，則不會有更新推送。
前面提到了一個特殊的標識符CCCD，用于控制特征的消息推送。需要對特征的CCCD描述符進行操作，將其值置為 1 / 2，才能開啟對應的通知 / 指示功能。

/* 設置特征信息推送 */
··· BluetoothGattCharacteristic characteristic;
    mGatt.setCharacteristicNotification(characteristic,true);

/* CCCD 的UUID */
private UUID ID_CCCD = UUID.fromString("00002902-0000-1000-8000-00805f9b34fb");  

/* 獲取CCCD */
BluetoothGattDescriptor cccd = characteristic.getDescriptor(ID_CCCD);

/* 設置推送通知，參考值為：
 * BluetoothGattDescriptor.ENABLE_NOTIFICATION_VALUE:   通知
 * BluetoothGattDescriptor.ENABLE_INDICATION_VALUE:     指示
 * BluetoothGattDescriptor.DISABLE_NOTIFICATION_VALUE:  關閉
 */  
cccd.setValue(參考值);
/* 寫入CCCD */
mGatt.writeDescriptor(descriptor);

以上操作完成后，即開啟對應特征的更新推送了。

接收推送：
更新推送會回調BluetoothGattCallback的onCharacteristicChanged()方法：

/**
 * 特征變更推送觸發的回調
 * @param gatt:            特征 關聯的 BluetoothGatt 實例
 * @param characteristic:  更新后的 特征
 */
void onCharacteristicChanged(BluetoothGatt gatt,
                             BluetoothGattCharacteristic characteristic)

關閉客戶端
~~用完的東西總是要收拾好。~~

斷開連接：
```
/* 斷開當前連接，如果正在連接中，則取消連接操作 */
BluetoothGatt.disconnect();
```
斷開連接操作后，結果回調 onConnectionStateChange() 方法，應該通過回調返回的結果 status 和 newState 判斷是否成功斷開。

關閉Gatt客戶端：
成功斷開連接之后（甚至是斷開失敗），應該調用 BluetoothGatt 的close() 方法關閉客戶端釋放資源。
安卓同時連接遠程設備的資源極其有限，在所以任何情況不再需要連接遠程設備時，都要使用BluetoothGatt 的 close() 方法釋放資源。

參考文章：
藍牙技術基礎知識學習
 藍牙核心技術概述
 GATT協議及藍牙核心系統結構
 Android BLE的總結
 Android BLE 藍牙開發入門

更具體的藍牙技術說明請查看官方網站
Bluetooth Technology Website

歡迎留言，歡迎關注，會持續更新安卓開發中遇到的問題和技術上的一些自我總結。
如有錯誤，歡迎指出。

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