Android Things 教程上：与低功耗蓝牙 BLE 设备进行通讯 —— Raspberry Pi 部分

Phodal Huang

phodal

一月 24, 2018

Android Things 支持蓝牙和蓝牙低功耗 API。在这篇博文中，我们将使用 Bluetooth LE API 在服务器（Android Things 开发板）和客户端（手机/手表上的 Android 应用程序）之间进行通信。

我们将为我们的真棒（awesomeness）建立一个计数器：每当你感觉真棒（awesomeness，无论什么原因），按一下你的移动设备上的按钮。一只幸运的猫会移动它的爪子，并增加你的真棒（awesomeness）计数器。

理解低功耗蓝牙 BLE

BLE基于一个名为 “通用属性概要文件”（General ATTribute profile，GATT）的规范，该规范定义了如何在服务器和客户端之间传输和接收被称为 “属性” （attributes）的短小数据。

它提到了“概况”（profiles），“服务”（services），“特征” （characteristics）和 “描述” （descriptors）等概念。

一个配置文件是（一或多个）服务的集合。每个服务（可以被认为是一个行为）可以包含一个或多个封装数据的特征（characteristics）。

GATT 结构图

为了确保互操作性，Bluetooth SIG（特殊兴趣小组）已经预定义了多个配置文件和服务。想象一下，我们要创建我们自己的键盘设备。为确保兼容性，我们将不得不通过 GATT 配置文件遵循 HID（人机界面设备）：

HID 设备

配置文件主要是一个规范，告诉我们我们将不得不实施哪些服务。要创建我们的自定义键盘，我们将必须实施 3 个强制性服务（HID、电池、设备信息）以及可选的扫描参数服务。

如果我们看过电池服务，它暴露了设备内的电池状态，我们可以看到它嵌入了一个名为电池电量的单一的强制只读特性。这个特性封装了一个介于 0 和 100 之间的 int 值，代表了设备电池的百分比。它也有一个可选的 “通知” （Notify）属性，这意味着客户可以订阅它，当值改变时自动通知。

电池级别

在 Android 上开始使用 BLE

官方文档是在 Android 上开始使用蓝牙低功耗的最佳方式。

Google 还提供了 2 个示例项目：

android-BluetoothLeGatt：扫描设备暴露服务并列出其特征的 Android 客户端。
sample-bluetooth-le-gattserver：实现当前时间服务的 Android Things 服务器。

部署这两个项目之后，您将能够扫描 Android Things GATT 服务：

示例 BLE

服务和特征由 UUID 唯一标识。这里，Raspberry Pi 3 公开了 3 个服务：通用属性（0x1801），通用访问（0x1800）和当前时间服务（0x1805）。后者有两个特征：当前时间（0x2A2B）和本地时间信息（0x2A0F）

关于自定义GATT服务/特性，虽然按照蓝牙技术联盟的定义实施服务是推荐的方式，但也可以创建自己的专有服务（我们将在今天这样做）。在某些情况下，这可能是首选的解决方案，但是您将不具有互操作性的好处。

您应该为您的非标准服务和特性使用 128 位随机 UUID。短的 16 位 UUID 仅用于由蓝牙标准定义的服务/特性。

创建服务器

现在我们已经熟悉 BLE 关键概念，我们可以开始实施我们的 GATT 服务器。

我们的 Android Things 项目将公开一个具有两个特征的服务：

AwesomenessCounter：一个只读的，可通知的属性，表示你到目前为止真棒（Awesomeness）的次数
AwesomenessInteractor：当一个客户端为这个特性写一个值时，该设备应该移动猫的爪子并且增加真棒（Awesomeness）计数器。

下面的代码受到 sample-bluetooth-le-gattserver 的启发。如果你需要创建一个 GATT 服务器，你可以使用这个项目作为参考，或者按照官方文档。

常量

我们将定义以下常量

SERVICE_UUID = UUID.fromString("795090c7-420d-4048-a24e-18e60180e23c");
CHARACTERISTIC_COUNTER_UUID = UUID.fromString("31517c58-66bf-470c-b662-e352a6c80cba");
CHARACTERISTIC_INTERACTOR_UUID = UUID.fromString("0b89d2d4-0ea6-4141-86bb-0c5fb91ab14a");

DESCRIPTOR_CONFIG_UUID = UUID.fromString("00002902-0000-1000-8000-00805f9b34fb");

如前所述，服务和特征由 UUID 唯一标识。由于我们没有实施标准服务，我们使用随机生成的值。

另外请注意 DESCRIPTOR_CONFIG_UUID 常量：每个特征都有价。如果我们以“电池电量”特性为例，它保持从 0 到 100 的值。特性也可以包含一些描述符。描述符定义元数据，如描述和展示信息。

GATT 描述符的一些示例：

特征用户描述 Characteristic User Description（0x2901）：提供特征值的文本用户描述。
有效范围 Valid Range（0x2906）：定义特征的范围。
客户端特性配置 Client Characteristic Configuration（0x2902）：定义特性如何由特定客户端配置。

如果一个客户想订阅一个特性，所以当一个值发生变化的时候它可以被自动地通知，它应该在 “客户特性配置” （Client Characteristic Configuration）描述符上执行一个写操作来通知它的意图。

在这里，我们定义一个 DESCRIPTOR_CONFIG_UUID，以便客户端可以订阅 CHARACTERISTIC_COUNTER_UUID 的值。

AndroidManifest.xml

首先，我们声明 BLUETOOTH 和 BLUETOOTH_ADMIN 权限。BLUETOOTH_ADMIN 需要启动发现，或自动启用设备上的蓝牙。

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

我们还指定我们的应用程序需要使用 bluetooth_le 功能。如果低功耗蓝牙是您的应用程序的可选功能，请将此功能设置为 android:required="false。

开始广播（advertising）

当 Android Things 程序启动时，它应该开始广播（advertising），以便其他设备可以看到它公开哪些 BLE 服务，并可以连接到它。

// The BluetoothAdapter is required for any and all Bluetooth activity.
mBluetoothManager = (BluetoothManager) getSystemService(BLUETOOTH_SERVICE);
BluetoothAdapter bluetoothAdapter = mBluetoothManager.getAdapter();

// Some advertising settings. We don't set an advertising timeout
// since our device is always connected to AC power.
AdvertiseSettings settings = new AdvertiseSettings.Builder()
        .setAdvertiseMode(AdvertiseSettings.ADVERTISE_MODE_BALANCED)
        .setConnectable(true)
        .setTimeout(0)
        .setTxPowerLevel(AdvertiseSettings.ADVERTISE_TX_POWER_MEDIUM)
        .build();

// Defines which service to advertise.
AdvertiseData data = new AdvertiseData.Builder()
        .setIncludeDeviceName(true)
        .setIncludeTxPowerLevel(false)
        .addServiceUuid(new ParcelUuid(SERVICE_ID))
        .build();

// Starts advertising.
mBluetoothLeAdvertiser = bluetoothAdapter.getBluetoothLeAdvertiser();
mBluetoothLeAdvertiser.startAdvertising(settings, data, mAdvertiseCallback);

广播是电池密集型的。在这里，我们的设备总是连接到交流电源，所以它会连续广播。如果它使用电池供电，一个好主意是添加一个超时和一个物理按钮来开始广播过程。此外，您需要在客户端连接后停止广播。

startAdvertising 方法需要一个 AdvertiseCallback 实例，定义如下：

private AdvertiseCallback mAdvertiseCallback = new AdvertiseCallback() {
    @Override
    public void onStartSuccess(AdvertiseSettings settingsInEffect) {
        Log.i(TAG, "LE Advertise Started.");
    }

    @Override
    public void onStartFailure(int errorCode) {
        Log.w(TAG, "LE Advertise Failed: " + errorCode);
    }
};

创建 GATT 服务

我们必须以编程的方式定义我们的 GATT 服务。请记住，我们的服务应该包含两个特点：

计数器（只读，通过配置描述符支持订阅）
交互器（只写）

private BluetoothGattService createService() {
  BluetoothGattService service = new BluetoothGattService(SERVICE_UUID, SERVICE_TYPE_PRIMARY);

  // Counter characteristic (read-only, supports subscriptions)
  BluetoothGattCharacteristic counter = new BluetoothGattCharacteristic(CHARACTERISTIC_COUNTER_UUID, PROPERTY_READ | PROPERTY_NOTIFY, PERMISSION_READ);
  BluetoothGattDescriptor counterConfig = new BluetoothGattDescriptor(DESCRIPTOR_CONFIG_UUID, PERMISSION_READ | PERMISSION_WRITE);
  counter.addDescriptor(counterConfig);

  // Interactor characteristic
  BluetoothGattCharacteristic interactor = new BluetoothGattCharacteristic(CHARACTERISTIC_INTERACTOR_UUID, PROPERTY_WRITE_NO_RESPONSE, PERMISSION_WRITE);

  service.addCharacteristic(counter);
  service.addCharacteristic(interactor);
  return service;
}

启动服务器

然后，我们用 openGattServer 方法启动低功耗蓝牙服务器。

mGattServer = mBluetoothManager.openGattServer(mContext, mGattServerCallback);
mGattServer.addService(createService());

此方法采用 BluetoothGattServerCallback 实例，该实例包含在读取或写入特征/描述符时实现的回调。

返回计数器值

当 GATT 客户端读取 CHARACTERISTIC_COUNTER_UUID 时，我们应该返回计数器的值。为此，我们重写我们的 BluetoothGattServerCallback 的 onCharacteristicReadRequest 方法，如果在计数器特性上有读取请求，则返回 currentCounterValue：

@Override
public void onCharacteristicReadRequest(BluetoothDevice device,
    int requestId, int offset, BluetoothGattCharacteristic characteristic) {
  if (CHARACTERISTIC_COUNTER_UUID.equals(characteristic.getUuid())) {
    byte[] value = Ints.toByteArray(currentCounterValue);
    mGattServer.sendResponse(device, requestId, GATT_SUCCESS, 0, value);
  }
}

添加计数器

当 GATT 客户端写入 CHARACTERISTIC_INTERACTOR_UUID时，我们应该增加计数器的值。为此，我们可以覆写 onCharacteristicWriteRequest 方法：

@Override
public void onCharacteristicWriteRequest(BluetoothDevice device,
    int requestId, BluetoothGattCharacteristic characteristic,
    boolean preparedWrite, boolean responseNeeded, int offset, byte[] value) {
  if (CHARACTERISTIC_INTERACTOR_UUID.equals(characteristic.getUuid())) {
    currentCounterValue++;
    notifyRegisteredDevices();
  }
}

请注意 notifyRegisteredDevices 被调用了。

由于计数器值已经改变，我们应该通知设备。稍后我们将看到实现，但首先，我们来处理订阅。

处理通知

如果客户想要得到计数器特征值的任何变化的通知，就应该把它的意图写在一个配置描述符上。

我们重写 onDescriptorWriteRequest，并在名为 mRegisteredDevices 的私有列表中保留蓝牙设备的引用：

@Override
public void onDescriptorWriteRequest(BluetoothDevice device,
    int requestId, BluetoothGattDescriptor descriptor,
    boolean preparedWrite, boolean responseNeeded, int offset, byte[] value) {
  if (DESCRIPTOR_CONFIG_UUID.equals(descriptor.getUuid())) {
    if (Arrays.equals(ENABLE_NOTIFICATION_VALUE, value)) {
      mRegisteredDevices.add(device);
    } else if (Arrays.equals(DISABLE_NOTIFICATION_VALUE, value)) {
      mRegisteredDevices.remove(device);
    }

    if (responseNeeded) {
      mGattServer.sendResponse(device, requestId, GATT_SUCCESS, 0, null);
    }
  }
}

现在，我们可以创建我们的 notifyRegisteredDevices 方法，为每个订阅的设备简单地调用 notifyCharacteristicChanged：

private void notifyRegisteredDevices() {
  BluetoothGattCharacteristic characteristic = mGattServer
    .getService(SERVICE_UUID)
    .getCharacteristic(CHARACTERISTIC_COUNTER_UUID);

  for (BluetoothDevice device : mRegisteredDevices) {
    byte[] value = Ints.toByteArray(currentCounterValue);
    counterCharacteristic.setValue(value);
    mGattServer.notifyCharacteristicChanged(device, characteristic, false);
  }
}

测试 GATT 服务器

我们已经完成了我们的 GATT 服务器的编写。在开始创建客户端之前，我们将首先测试服务器，以确保我们已经正确实施了所有功能。

要测试低功耗蓝牙设备，您可以使用 nRF Connect for Mobile 应用程序。此应用程序允许您扫描蓝牙低功耗设备，并让您读取、写入、订阅特征。

启动应用程序后，我们可以看到 RPI3 是广播。一旦我们连接到它，我们可以看到我们的自定义服务（UUID = 7950 ...）

测试 RPI 广播

使用这个应用程序，我们可以浏览给定服务的所有特征。

我们可以点击阅读按钮（蓝色）来读取计数器特性的值（这里的值等于0x2A [42]）。当计数器特性发生变化时，我们也可以得到通知，写在交互器特性上，并看到自动递增的值。

英语原文链接：http://nilhcem.com/android-things/bluetooth-low-energy

微信公众号