Android与51822蓝牙模块通信流程的实现与分析

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 characteristicble_gatts_char_handles_t rx_handles;        //关联 RX characteristicuint16_t                 conn_handle;       //连接bool                     is_notification_enabled;  //是否准备好 RX characteristicble_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-e50e24dcca9eif ((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 advertisingmemset(&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。

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

BLEActivityBLEActivityBLEServiceBLEService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。