Android BLE学习（二）： Android与51822蓝牙模块通信流程的实现与分析

http://www.itkeyword.com/doc/7802444777000507x499/android-BLE

背景

上一节介绍了蓝牙Android搜索BLE模块方法，搜索到蓝牙模块后，我们就可以进行蓝牙与手机间数据的通信，也就是Android手机端与BLE模块间实现数据的互相传输，本文将重点介绍手机端和蓝牙端程序的编写及其交互，从代码和现象入手，逐步了解BLE使用。

BLE模块代码分析

建立一个Service

此处修改了nordic官方代码。 
这里我们将先贴出代码，明确代码所要实现的功能，后面会继续分析这些代码是如何与蓝牙协议所对应。 
首先从main函数入手，其中有很多初始化代码，初始化协议栈和寄存器相关内容，我们并不需要过多关注，如图，我们先看这个服务初始化函数。 

当我们需要为蓝牙模块添加一个功能时，我们需要在BLE模块中自定义一个自己的service，并按照一定的方式进行初始化，下面是我们为当前定义的service进行的初始化代码。

/**@brief Function for initializing services that will be used by the application. */static void services_init(void){    uint32_t         err_code;    ble_nus_init_t   nus_init;    memset(&nus_init, 0, sizeof(nus_init));    nus_init.data_handler = nus_data_handler;    err_code = ble_nus_init(&m_nus, &nus_init);    APP_ERROR_CHECK(err_code);}

其中的 ble_nus_init_t 是服务提供的一个接口，定义了这服务的基本功能要求，我们可以根据自己的需求进行不同的具体实现nus_data_handler函数即可。

typedef struct{    ble_nus_data_handler_t   data_handler;            /**< Event handler to be called for handling received data. */} ble_nus_init_t;

下面我们实现一下自己的 nus_data_handler，这里我们将蓝牙接收到的数据直接原样通过BLE发送到手机端。

void nus_data_handler(ble_nus_t * p_nus, uint8_t * p_data, uint16_t length){        ble_nus_send_string(&m_nus, p_data, length);}

之后调用ble_nus_init函数来对我们的service进行注册。

uint32_t ble_nus_init(ble_nus_t * p_nus, const ble_nus_init_t * p_nus_init)//参数：// ble_nus_t * p_nus 自定义服务的结构体接口// ble_nus_init_t * p_nus_init 我们在上面定义的回调接口，存储回调

下面我们来看一下 ble_nus_t，这个接口中存储着我们服务中包含的属性和方法，是服务的核心。

typedef struct ble_nus_s{    uint8_t                  uuid_type;         //uuid类型    uint16_t                 service_handle;    //服务回调    ble_gatts_char_handles_t tx_handles;        //关联TX characteristic    ble_gatts_char_handles_t rx_handles;        //关联 RX characteristic    uint16_t                 conn_handle;       //连接    bool                     is_notification_enabled;  //是否准备好 RX characteristic    ble_nus_data_handler_t   data_handler;      //处理接收到的数据回调} ble_nus_t;

ble_nus_init函数中，我们首先对这个结构体的变量进行初始化。初始化完毕后就可以使用nordic为我们提供的协议栈函数sd_ble_uuid_vs_add进行Service注册了。这里的参数总我们为服务指定一个uuid。

现在有了服务，我们就需要为服务添加功能了，我们要使用BLE与手机进行通信，所以最基本的功能就是数据的接收与发送。

所以接下来要做的就为Service是添加两个Characteristic，分别用作发送和接收。我们需要为这两个Characteristic也分别指定相应的UUid。 
下面是初始化代码

uint32_t ble_nus_init(ble_nus_t * p_nus, const ble_nus_init_t * p_nus_init){    uint32_t        err_code;    ble_uuid_t      ble_uuid;    ble_uuid128_t   nus_base_uuid = {0x9E, 0xCA, 0xDC, 0x24, 0x0E, 0xE5, 0xA9, 0xE0,                                     0x93, 0xF3, 0xA3, 0xB5, 0x00, 0x00, 0x40, 0x6E};    //6e400000-b5a3-f393-e0a9-e50e24dcca9e    if ((p_nus == NULL) || (p_nus_init == NULL))    {        return NRF_ERROR_NULL;    }    // Initialize service structure.    p_nus->conn_handle              = BLE_CONN_HANDLE_INVALID;    p_nus->data_handler             = p_nus_init->data_handler;    p_nus->is_notification_enabled  = false;    /**@snippet [Adding proprietary Service to S110 SoftDevice] */    // Add custom base UUID.    err_code = sd_ble_uuid_vs_add(&nus_base_uuid, &p_nus->uuid_type);    if (err_code != NRF_SUCCESS)    {        return err_code;    }    ble_uuid.type = p_nus->uuid_type;    ble_uuid.uuid = BLE_UUID_NUS_SERVICE;    // Add service.    err_code = sd_ble_gatts_service_add(BLE_GATTS_SRVC_TYPE_PRIMARY,                                        &ble_uuid,                                        &p_nus->service_handle);    /**@snippet [Adding proprietary Service to S110 SoftDevice] */    if (err_code != NRF_SUCCESS)    {        return err_code;    }    // Add RX Characteristic.    err_code = rx_char_add(p_nus, p_nus_init);    if (err_code != NRF_SUCCESS)    {        return err_code;    }    // Add TX Characteristic.    err_code = tx_char_add(p_nus, p_nus_init);    if (err_code != NRF_SUCCESS)    {        return err_code;    }    return NRF_SUCCESS;}

这样就完成了蓝牙Service的初始化，下面我们就可以开启广播。

static void advertising_start(void){    uint32_t             err_code;    ble_gap_adv_params_t adv_params;    // Start advertising    memset(&adv_params, 0, sizeof(adv_params));    // 设置广播数据包的信息    adv_params.type        = BLE_GAP_ADV_TYPE_ADV_IND;    adv_params.p_peer_addr = NULL;    adv_params.fp          = BLE_GAP_ADV_FP_ANY;    adv_params.interval    = APP_ADV_INTERVAL;    adv_params.timeout     = APP_ADV_TIMEOUT_IN_SECONDS;    err_code = sd_ble_gap_adv_start(&adv_params);    APP_ERROR_CHECK(err_code);    nrf_gpio_pin_set(ADVERTISING_LED_PIN_NO);}

这样，BLE模块端的基本功能就已经建立起来了。

通信过程简述

有了直观的代码，下面我们看看芯片内部做了些什么。

广播与连接

手机连接BLE模块时，BLE模块会有间隔地发送广播数据包，每次发送完数据包后模块会等待连接信息，当手机收到模块的数据包后，就会发出请求，请求更多数据包，称为扫描回应。

手机端会间隔地向BLE模块请求数据，而在这个请求的间隔，BLE模块就会像手机端发送数据包，数据包的大小是20字节。也就是说，我们在传输过程中，每次传输的buffer中的内容不应超过20字节。

上述过程在蓝牙的GAP中定义，也就是通用访问规范。

数据传输

当手机与BLE模块建立连接后，我们就可以开始数据传输，这些在蓝牙的GATT中定义，称为通用属性配置文件。

这里我们主要说说上文所建立的Service与Characteristic。

简单地说，我们可以认为Service中包含着一组Characteristic，而Characteristic就是为我们提供了数据，我们要发送的数据都要被组装到Characteristic中。

在此之上，一个profile中会包含一组Service，而每个Characteristic中又包含了一些属性。属性可以定义为属性或者描述符，描述符是一段信息，为了给人读的。

而这些GATT中的这些内容都有UUID，我们在用Android端读取的时候可以通过UUID一层一层地找出我们需要的内容。而在建立这些内容时，有的UUID需要我们根据情况自己定义，有的在协议栈中给出。

上面的代码所做的事情就是为我们自己定义一个Service，而在这个Service中我们又定义了两个Characteristic，一个用来读取接收到的数据，一个用于发送接收到的数据。当我们收到数据后触发回调函数，处理我们收到的数据，发送数据则是底层调用了协议栈的sd_ble_gatts_hvx函数。

手机端发送数据时会先找到Service，再由此通过UUID拿到Characteristic，向Characteristic中写入数据，这样BLE模块就可以接收到数据了。

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Android端代码设计与分析

总体结构

通过上述对BLE模块实现原理的分析，我们可以大概了解到Android端具体要做的一些工作，主要如下。

1.发送连接请求，连接BLE模块

2.寻找相应的 Service和 Characteristic

3.从 Characteristic中根据UUID进行读取和写入

上一节中我们已经了解了Android与BLE搜索，下面我们开始进行后面功能的设计。

我们为BLE连接建立一个Service（注意，这个是Android四大组件中的Service），这个服务用于在后台维护与BLE模块的连接及其数据传输和一些相关的监控，同时在需要操作BLE的Activity中建立一个广播接受者。Service中监听到BLE状态改变时会通过广播的方式传送给我们的广播接收者，用来改变前端页面的状态。

下图为程序的基本结构

Created with Raphaël 2.1.0 BLEActivity BLEActivity BLEService BLEService 调用Service中方法 通过内部维护的BluetoothGatt的对象完成与BLE模块的交互 发送广播，改变前端状态

下面先介绍几个蓝牙使用的通用类

BluetoothManager 
官网解释

High level manager used to obtain an instance of an BluetoothAdapter and to conduct overall Bluetooth Management.

Use getSystemService(java.lang.String) with BLUETOOTH_SERVICE to create an BluetoothManager, then call getAdapter() to obtain the BluetoothAdapter.

Alternately, you can just call the static helper getDefaultAdapter().

大概是说用来获取BluetoothAdapter用的。下面我们看一下BluetoothAdapter。

BluetoothAdapter 
看着眼熟，这不是上一张的主角吗？具体作用看如下链接： 
http://blog.csdn.net/lidec/article/details/50631742

通过如下方法我们可以获取到BluetoothGatt

        final BluetoothDevice device = mBluetoothAdapter.getRemoteDevice(address);        if (device == null) {            Log.w(TAG, "Device not found. Unable to connect.");            return false;        }        // We want to directly connect to the device, so we are setting the autoConnect        // parameter to false.        mBluetoothGatt = device.connectGatt(this, false, mGattCallback);

BluetoothGatt 
从名字上看，这个类包含Gatt，也就是前面我们提到的BLE数据传输的协议。咱们在BLE模块中建立的Service和Characteristic都属于GATT的内容。 
下面是官网的介绍

Public API for the Bluetooth GATT Profile.

This class provides Bluetooth GATT functionality to enable communication with Bluetooth Smart or Smart Ready devices.

To connect to a remote peripheral device, create a BluetoothGattCallback and call connectGatt(Context, boolean, BluetoothGattCallback) to get a instance of this class. GATT capable devices can be discovered using the Bluetooth device discovery or BLE scan process.

我们与BLE进行GATT所定义的协议就可以直接使用这个类封装的方法。下面我们看看其中主要功能的实现。

    /** * Connects to the GATT server hosted on the Bluetooth LE device. * * @param address The device address of the destination device. * * @return Return true if the connection is initiated successfully. The connection result * is reported asynchronously through the * {@code BluetoothGattCallback#onConnectionStateChange(android.bluetooth.BluetoothGatt, int, int)} * callback. */    public boolean connect(final String address) {        if (mBluetoothAdapter == null || address == null) {            Log.w(TAG, "BluetoothAdapter not initialized or unspecified address.");            return false;        }        // Previously connected device. Try to reconnect.        if (mBluetoothDeviceAddress != null && address.equals(mBluetoothDeviceAddress)                && mBluetoothGatt != null) {            Log.d(TAG, "Trying to use an existing mBluetoothGatt for connection.");            if (mBluetoothGatt.connect()) {                mConnectionState = STATE_CONNECTING;                return true;            } else {                return false;            }        }        final BluetoothDevice device = mBluetoothAdapter.getRemoteDevice(address);        if (device == null) {            Log.w(TAG, "Device not found. Unable to connect.");            return false;        }        // We want to directly connect to the device, so we are setting the autoConnect        // parameter to false.        mBluetoothGatt = device.connectGatt(this, false, mGattCallback);        Log.d(TAG, "Trying to create a new connection.");        mBluetoothDeviceAddress = address;        mConnectionState = STATE_CONNECTING;        return true;    }

这个方法用来连接蓝牙设备，通过Mac地址从BluetoothAdapter中获取BluetoothGatt对象，而我们定义的Android应用的Service主要功能就是维护这个对象，并使用其提供的方法与BLE模块进行数据通信。

    public void writeRXCharacteristic(byte[] value)    {        BluetoothGattService RxService = mBluetoothGatt.getService(RX_SERVICE_UUID);        showMessage("mBluetoothGatt null"+ mBluetoothGatt);        if (RxService == null) {            showMessage("Rx service not found!");            broadcastUpdate(DEVICE_DOES_NOT_SUPPORT_UART);            return;        }        BluetoothGattCharacteristic RxChar = RxService.getCharacteristic(RX_CHAR_UUID);        if (RxChar == null) {            showMessage("Rx charateristic not found!");            broadcastUpdate(DEVICE_DOES_NOT_SUPPORT_UART);            return;        }        RxChar.setValue(value);        boolean status = mBluetoothGatt.writeCharacteristic(RxChar);        Log.d(TAG, "write TXchar - status=" + status);    }

上述方法提供了操作GATT协议的基本方法，通过UUID获取BLE的Service，再从BLE的Service中获取用于写的Characteristic,然后调用setValue方法，将值写入，如果写入成功，那么我们的BLE模块此时就接收到数据了。

有了写入的方法，那么我们如何读取数据呢？ 
我们在获取BluetoothGatt时给它传入一个GattCallback对象，当收到数据时会触发回调函数onCharacteristicChanged。

public void onCharacteristicChanged(BluetoothGatt gatt,                                    BluetoothGattCharacteristic characteristic)

参数的characteristic就是变化的Characteristic，我们可以取出它的UUID，对比一下，如果这个UUID和我们在BLE模块中定义的发送数据的UUID一致，则说明收到了数据，我们就可以取这个值。示例代码如下：

if (TX_CHAR_UUID.equals(characteristic.getUuid())) {      byte[] value = characteristic.getValue();} 

其他的功能以此类推。

下面提供一下APP的源码，实现其他BLE相关的功能都可以在这个APP的基础上修改。 
http://download.csdn.net/detail/lidec/9434509

总结

本文主要梳理了51822BLE开发板与Android手机通信的方式，简要介绍了一些实用的蓝牙协议知识以，分析了协议在开发板控制程序和APP程序中的体现。