Android蓝牙系统

蓝牙技术的特点

全球范围适用：

蓝牙技术使用无需经过许可的工业、科研和医疗(ISM)波段（2.4至2.485 GHz），使用展频、调频、全双工信号，标称速率为1600跳/秒。在大多数国家，无需经过许可便可使用2.4 GHz ISM波段。

抗干扰：

蓝牙技术的适配跳频(AFH)能力的设计目的是为了减少共用2.4 GHz频谱的无线技术之间出现的干扰。该功能会在频谱中寻找并未被占用的频带以供蓝牙技术使用。AFH的工作原理是识别该频谱中的其他设备并避开这些设备所用的频带。跳频功能以1 MHz的频率在79个频段中进行切换，从而获得了较高的抗干扰能力，同时使该频谱中能够实现更加高效的传输。有了跳频功能，尽管其他技术与蓝牙技术同时使用，但蓝牙技术的用户仍能享有优质的性能表现。

射程：

射程根据不同的具体应用而定，尽管核心规格规定了最低射程，但这并非限制，制造商仍可根据其具体用例调整射程应用。

根据具体应用中使用的射频种类，射程将有所不同：

第三类射频 – 射程最高1米或3英尺

第二类射频 – 最常见于移动设备，射程为10米或33英尺

第一类射频 – 主要用于工业用例，射程为100米或300英尺

最常用的射频为第二类，其能耗为2.5 mW。蓝牙技术的设计能耗非常之低。此外，规格允许射频处于非活跃状态时可以断电则进一步降低了能耗。3.0版HS中的通用替代MAC/PHY能够发现高速设备的AMP，并仅在需要进行数据传输时开启射频，实现了节能优势，同时增强了射频的安全性。对于无需高速数据传输率但需要最大限度延长电池寿命的设备而言，蓝牙低耗能技术为其实现了优化效果，其耗电量仅为传统蓝牙技术的1/2至1/100。

蓝牙技术在android中的应用

在前面章节android启动过程中介绍到android服务的启动，init进程中，启动Zygote后，然后由SystemServer启动一系列服务，蓝牙服务就是在这个时候启动的。详细见代码：

 /framework/base/services/java/com/android/server/SystemServer.javaif (SystemProperties.get("ro.kernel.qemu").equals("1")) {} else {bluetooth = new BluetoothService(context);……bluetoothA2dp = new BluetoothA2dpService(context, bluetooth);……
if (airplaneModeOn == 0 && bluetoothOn != 0) {bluetooth.enable();}

Bluetooth服务的代码首先通过SystemProperties的get方法来判断系统是不是使用模拟器内核，如果是使用模拟器内核来启动android的系统，那么就会跳过蓝牙服务的启动，也就是说Android 4.0模拟器是不支持蓝牙系统的。否则就是一个实在的设备产品(ro.kernel.qemu=0)。就是构造一个bluetooth的服务(BluetoothService)和一个蓝牙耳机服务(BluetoothA2dpService)。

代码段最后一部分是判断开机是否要启用蓝牙，通过函数我们可以看到如果设备的飞行模式是关闭的并且bluetooth的那个开关是在on。就是调用bluetoothService的enable方法使得我们设备开机的时候就将蓝牙开启。飞行模式就是那些使用无线频谱的模块都必须关掉，譬如：wifi,Bluetooth,GPS等。接下来就是BluetoothService的enable方法了。

framework/base/core/java/android/server/BluetoothService.javapublic synchronized boolean enable(boolean saveSetting) {mContext.enforceCallingOrSelfPermission(BLUETOOTH_ADMIN_PERM,"Need BLUETOOTH_ADMIN permission");if (mIsAirplaneSensitive && isAirplaneModeOn() && !mIsAirplaneToggleable) {return false;}   mBluetoothState.sendMessage(BluetoothAdapterStateMachine.USER_TURN_ON, saveSetting);return true;}

蓝牙服务的enable的方法会先判断进程有没有操作权限，需要蓝牙管理的权限才能去enable蓝牙模块，然后还会再次判断系统的飞行模式有没有打开，如果此时飞行模式是on的话，那么会返回，还是不能打开服务。在确保拥有权限并且不是出于飞行模式的情况下，就会往蓝牙状态机发送一个USER_TURN_ON的命令。下面介绍一下android中的蓝牙状态机。

Poweroff

这就是蓝牙模块没有初始化的状态，这时候硬件模块是出于没有上电的状态。

Warmup

这个状态就是给设备上电，使设备能够从没电到待机状态。

Hotoff

Hotoff我个人理解就是在模块上电了，出于一种待命的状态，如果收到了turn_on_coninue的命令时候就会去将蓝牙模块切换到工作状态。如果接收到了turn_cold的命令时候，设备就会断电进入poweroff状态。

Switching

这也是一个中间状态，需要继续接收命令。

Bluetoothon

这时蓝牙模块出于正常工作的状态。

根据android中蓝牙状态的源码中，具体的各个状态机相互转换图如下：

 /framework/base/core/java/android/server/BluetoothAdapterStateMachine.javaprivate class PowerOff extends State {public void enter() {if (DBG) log("Enter PowerOff: " + getCurrentMessage().what);}
……
case USER_TURN_ON:broadcastState(BluetoothAdapter.STATE_TURNING_ON);transitionTo(mWarmUp);
…
if (prepareBluetooth()) {
if ((Boolean) message.obj) {persistSwitchSetting(true);
}
deferMessage(obtainMessage(TURN_ON_CONTINUE));

蓝牙状态机初始化时PowerOff的，从上面的BluetoothService的enable函数中USER_TURN_ON命令。从上面代码中可以看出蓝牙状态机在接收到USER_TURN_ON后，首先就像蓝牙适配器广播蓝牙正处于STATE_TRUNING_ON的状态，蓝牙的适配器的蓝牙状态有四个：

分别是,state_off(10),state_turning_on(11),state_on(12),state_turning_off(14)。由于我们刚开机所以蓝牙适配器的状态必然是从10->11。然后将蓝牙状态机的状态切换到mWaremUp状态。

接下来调用了prepareBluetooth()方法。接下来看看prepareBluetooth方法。代码如下：

 /framework/base/core/java/android/server/BluetoothAdapterStateMachine.javaprivate boolean prepareBluetooth() {if (mBluetoothService.enableNative() != 0) {return false;}
……
int retryCount = 2；
boolean eventLoopStarted = false;while ((retryCount-- > 0) && !eventLoopStarted) {mEventLoop.start();while ((pollCount-- > 0) && !eventLoopStarted) {if (mEventLoop.isEventLoopRunning()) {eventLoopStarted = true;break;}

在preprareBluetooth方法中，首先就是调用了BluetoothService的enableNative()的方法，只要一看到这种带Native的方法，JNI的代码是少不了的。由于enableNative方法走的路有点多，所以先直接到BluetoothService的代码中寻找enableNative()看个究竟。

 framework/base/core/java/android/server/BluetoothService.java/*package*/ native int enableNative();Framework/base/core/jni/ android_server_BluetoothService.cppstatic JNINativeMethod sMethods[] = {……{"enableNative", "()I", (void *)enableNative},……}static jint enableNative(JNIEnv *env, jobject object) {return bt_enable();}

从上面的代码可以看出，BluetoothService的enableNative就是直接调用了JNI的代码，JNI是java native interface的缩写，中文叫java本地接口。Android上层跑的java代码，而底层代码都是c语言。以android的一贯作风是通过JNI代码调用HAL层，然后就可以直接调用驱动代码或者经由内核达到操作驱动代码。enableNative的代码很简单，就是调用了bt_enable。我们可以继续找到这个函数的实现。

System/bluetooth/bluedroid/bluetooth.cint bt_enable() {LOGV(__FUNCTION__);int ret = -1;int hci_sock = -1;int attempt;if (set_bluetooth_power(1) < 0) goto out;LOGI("Starting hciattach daemon");if (property_set("ctl.start", "hciattach") < 0) {LOGE("Failed to start hciattach");goto out;}// Try for 10 seconds, this can only succeed once hciattach has sent the// firmware and then turned on hci device via HCIUARTSETPROTO ioctlfor (attempt = 1000; attempt > 0;  attempt--) {hci_sock = create_hci_sock();if (hci_sock < 0) goto out;if (!ioctl(hci_sock, HCIDEVUP, HCI_DEV_ID)) {break;}close(hci_sock);usleep(10000);  // 10 ms retry delay}if (attempt == 0) {LOGE("%s: Timeout waiting for HCI device to come up", __FUNCTION__);goto out;}LOGI("Starting bluetoothd deamon");if (property_set("ctl.start", "bluetoothd") < 0) {LOGE("Failed to start bluetoothd");goto out;}sleep(HCID_START_DELAY_SEC);ret = 0;out:if(ret) set_bluetooth_power(0);if (hci_sock >= 0) close(hci_sock);return ret;
}

Set_bluetooth_power()函数会根据蓝牙的硬件开关，也就是 hci设备注册的时候会同时在linux内核中注册一个rfkill类，比如我们在电脑键盘上面可能会看见一个按键来开关蓝牙或者wifi之类的。这里会去读这个键值，如果是1代表可以开启蓝牙的，否则是没法使用蓝牙的，在开发过程中如果没这样的按键，可将这行代码拿掉。Propery_set(“ctl.start”,hciattach)。这个函数会去启动hciattach服务，具体这个服务是以二进制文件存储在系统system/bin目录下面的。

我们可以从andriod启动脚本文件找到名字叫hciattach服务。当然这个是针对接串口的蓝牙来说需要启动服务，如果我们的设备是通过USB总线接入系统的话，其实这个服务也是可以不启动的。剩下的代码是一个for循环，先建立一个bluetooth的套接字，然后通过ioctl来和bluez的代码来打开蓝牙设备，可以重试1000次。接下来的代码就要跑到内核的BlueZ了。

 Kernel/net/bluetooth/hci_sock.c
static int hci_sock_ioctl(struct socket *sock, unsigned int cmd, unsigned long arg){
…
case HCIDEVUP:if (!capable(CAP_NET_ADMIN))return -EACCES;return hci_dev_open(arg);
……
}

从上面的ioctl下来的代码可以看出，当函数第二个参数cmd为HCIDEVUP时，就会直接调用hci_dev_open(arg)方法。这个函数就好比我们在终端下面使用蓝牙调试工具hciconfig,执行了 #hciconfig hci0 up。

Kernel/net/bluetooth/hci_core.c
int hci_dev_open(__u16 dev)
{
……
hdev = hci_dev_get(dev);
……
if (hdev->open(hdev)) {ret = -EIO;goto done;}
}

在kernel的bluez调用hci_dev_open，而在这个函数中又hdev->open(hdev),这个就是我们驱动注册时候的回调函数open。由于我们平台使用的是usb的蓝牙接入方式，我就以usb的蓝牙驱动为例，看看驱动的open函数。

/* ------- Interface to HCI layer ------ */
/* Initialize device */
static int hci_uart_open(struct hci_dev *hdev)
{BT_DBG("%s %p", hdev->name, hdev);/* Nothing to do for UART driver */set_bit(HCI_RUNNING, &hdev->flags);return 0;
}

或者

 Kernel/driver/bluetooth/btusb.cstatic int btusb_open(struct hci_dev *hdev){
……
err = btusb_submit_intr_urb(hdev, GFP_KERNEL);
……
err = btusb_submit_bulk_urb(hdev, GFP_KERNEL);
……
}

USB hci设备打开后，首先将设备的interface配置为HCI_RUNNING状态，然后为数据传输初始化设备的端点和管道，初始化和填充urb。代码到这，蓝牙设备就算是真正打开了。
回到之前的蓝牙状态机的代码：

 /framework/base/core/java/android/server/BluetoothAdapterStateMachine.javaprivate boolean prepareBluetooth() {if (mBluetoothService.enableNative() != 0) {return false;}
……
int retryCount = 2；
boolean eventLoopStarted = false;
while ((retryCount-- > 0) && !eventLoopStarted) {
mEventLoop.start();
while ((pollCount-- > 0) && !eventLoopStarted) {if (mEventLoop.isEventLoopRunning()) {eventLoopStarted = true;break;}

mBluetoothService在enableNative()函数主要功能就是通过一系列代码来打开蓝牙设备。如果设备驱动代码没有问题的话，我们enableNative()返回的将会是true。在实际调试蓝牙设备时候，我们可以通过在linux或者android的终端下面使用自带的工具命令(hciconfig),执行：# hciconfig –a，如果驱动能够和设备绑定的话，我们就会看到蓝牙设备的一些比较重要信息，如：蓝牙的物理地址，总线类型，协议类型等。

上面的代码接下来会是一个while循环，执行2次。mEventLoop.start()。也就是说调用了EventLoop的start方法。

 /framework/base/core/java/android/server/BluetoothEventLoop.java
/* package */ void start() {if (!isEventLoopRunningNative()) {if (DBG) log("Starting Event Loop thread");startEventLoopNative();}
}

第一次进入这个函数isEventLoopRunningNative肯定是返回false的，所以直接进入了startEventLoopNative()，前面说过了一般带native的函数结尾的函数都是JNI。看到这里又要进JNI了。

 Framework/base/core/jni/android_server_BluetoothEventLoop.cpp
static JNINativeMethod sMethods[] = {
……
{"startEventLoopNative", "()V", (void *)startEventLoopNative},
……
}
static jboolean startEventLoopNative(JNIEnv *env, jobject object) {
……
nat->pollData = (struct pollfd *)malloc(sizeof(struct pollfd) * DEFAULT_INITIAL_POLLFD_COUNT);
……
nat->watchData = (DBusWatch **)malloc(sizeof(DBusWatch *) * DEFAULT_INITIAL_POLLFD_COUNT);
……
if (socketpair(AF_LOCAL, SOCK_STREAM, 0, &(nat->controlFdR))) {LOGE("Error getting BT control socket");goto done;
}
……
if (setUpEventLoop(nat) != JNI_TRUE) {LOGE("failure setting up Event Loop!");goto done;}
pthread_create(&(nat->thread), NULL, eventLoopMain, nat);
……
}

为socket文件描述符分配内存数据，同时为DBusWatch结构体分配内存，socketpair创建了一对套接字(AF_LOCAL域中使用)，这个描述符可以是单双工也可以是全双工的，这里是单双工的，也就是只能从这个描述符中读取数据，而不能写数据。如果socketpair的第四个参数是个数组，也可以实现一个描述符读，另外一个描述符写。从而实现全双工。然后就是setUpEventLoop函数，最后就是 创建了eventLoopMain的线程。

 Framework/base/core/jni/android_server_BluetoothEventLoop.cpp
static jboolean setUpEventLoop(native_data_t *nat) {
……
dbus_threads_init_default();
……
dbus_error_init(&err);
……
if (!dbus_connection_add_filter(nat->conn, event_filter, nat, NULL)){return JNI_FALSE;}
……
dbus_bus_add_match(nat->conn, "type='signal',interface='org.freedesktop.DBus'",   &err);
dbus_bus_add_match(nat->conn, "type='signal',interface='"BLUEZ_DBUS_BASE_IFC".Adapter'",&err);
……
}

这里是初始化dbus，是bluez能够挂接上dbus。建立一个dbus连接之后，为这个dbus连接起名，为我们将要进行的消息循环添加匹配条件(就是通过信号名和信号接口名来进行匹配控制的) -- dbus_bus_add_match()。我们进入等待循环后，只需要对信号名，信号接口名进行判断就可以分别处理各种信号了。在各个处理分支上。我们可以分离出消息中的参数。对参数类型进行判断和其他的处理。具体对dbus感兴趣的话可以参照：http://dbus.freedesktop.org。

 Framework/base/core/jni/android_server_BluetoothEventLoop.cppstatic void *eventLoopMain(void *ptr) {……while (1) {
……
if (nat->pollData[i].fd == nat->controlFdR) {while (recv(nat->controlFdR, &data, sizeof(char), MSG_DONTWAIT) != -1) {
……
switch (data) {
case EVENT_LOOP_EXIT:dbus_connection_set_watch_functions(nat->conn,NULL, NULL, NULL, NULL, NULL);tearDownEventLoop(nat);nat->vm->DetachCurrentThread();
……
case EVENT_LOOP_ADD:{handleWatchAdd(nat);break;}case EVENT_LOOP_REMOVE:{handleWatchRemove(nat);break;}

以轮训的方式从socket的描述符中不断的接收数据，如果有数据到来，就根据数据的类型做相应的处理。到这里dbus就和bluez建立连接。还是回到之前我们prepareBluetooth的函数。

 /framework/base/core/java/android/server/BluetoothAdapterStateMachine.javaprivate class PowerOff extends State {
public void enter() {if (DBG) log("Enter PowerOff: " + getCurrentMessage().what);}
……
case USER_TURN_ON:broadcastState(BluetoothAdapter.STATE_TURNING_ON);transitionTo(mWarmUp);……
if (prepareBluetooth()) {
if ((Boolean) message.obj) {persistSwitchSetting(true);
}deferMessage(obtainMessage(TURN_ON_CONTINUE));

前面的代码我们分析完了prepareBluetooth()，如果没有问题就进入了persistSwitchSetting()。然后就是讲蓝牙状态机切换到mWarnUp状态。并向蓝牙状态机发送了一个TURN_ON_CONTINUE的命令。

 /framework/base/core/java/android/server/BluetoothAdapterStateMachine.java
private class WarmUp extends State {
……
public boolean processMessage(Message message) {log("WarmUp process message: " + message.what);
……
switch(message.what) {
case TURN_ON_CONTINUE:

在HotOff状态机中，接收到TURN_ON_CONTINUE命令后，先调用了BluetoothService的switchConnectable(true);然后将蓝牙的状态机切换到Switching状态。

 /framework/base/core/java/android/server/BluetoothService.java
/*package*/ synchronized void switchConnectable(boolean on) {setAdapterPropertyBooleanNative("Powered", on ? 1 : 0);}

又到了以Native结尾的函数，还是到JNI里面找到它的实现吧:

 Framework/base/core/jni/android_server_BluetoothService.cpp
static jboolean setAdapterPropertyNative(JNIEnv *env, jobject object, jstring key,void *value, jint type) {
……
msg = dbus_message_new_method_call(BLUEZ_DBUS_BASE_IFC,get_adapter_path(env, object),
DBUS_ADAPTER_IFACE, "SetProperty");
……
dbus_message_append_args(msg, DBUS_TYPE_STRING, &c_key, DBUS_TYPE_INVALID);
dbus_message_iter_init_append(msg, &iter);
……
reply = dbus_connection_send_with_reply(nat->conn, msg, NULL, -1);
……
}

通过Dbus向bluez发送SetPropery的信息(message)，当成功的时候，我们在另外一端就会收到powerChanged的信号。具体处理如下的代码：

 Framework/base/core/java/android/server/BluetoothEventLoop.java
/*package*/ void onPropertyChanged(String[] propValues) {
……
BluetoothAdapterProperties adapterProperties = mBluetoothService.getAdapterProperties();
……
else if (name.equals("Pairable") || name.equals("Discoverable")) {adapterProperties.setProperty(name, propValues[1]);
if (name.equals("Discoverable")) {mBluetoothState.sendMessage(BluetoothAdapterStateMachine.SCAN_MODE_CHANGED);}
……
else if (name.equals("Powered")) {mBluetoothState.sendMessage(BluetoothAdapterStateMachine.POWER_STATE_CHANGED,propValues[1].equals("true") ? new Boolean(true) : new Boolean(false));

当有蓝牙AdapterProperies发生变化时，在BluetoothEventLoop.java中就会有个onProperyChanged方法来处理。首先通过BluetoothService的getAdapterProperties来获取蓝牙适配器的所有属性，都有哪些属性，在实际开发过程中我们通过调试可以看到按顺序依次是：power，Pairable，class，device，UUID，Discoverable。通过将power的value设置为true，就会向蓝牙状态发送一个POWER_STATE_CHAGED，通过Discoverable的属性来向蓝牙状态机发送一个SCAN_MODE_CHANGED的命令。

 /framework/base/core/java/android/server/BluetoothAdapterStateMachine.java
case POWER_STATE_CHANGED:removeMessages(POWER_DOWN_TIMEOUT);if (!((Boolean) message.obj)) {if (mPublicState == BluetoothAdapter.STATE_TURNING_OFF) {transitionTo(mHotOff);finishSwitchingOff();if (!mContext.getResources().getBoolean(com.android.internal.R.bool.config_bluetooth_adapter_quick_switch)) {deferMessage(obtainMessage(TURN_COLD));}  }  } else {if (mPublicState != BluetoothAdapter.STATE_TURNING_ON) {if (mContext.getResources().getBoolean(com.android.internal.R.bool.config_bluetooth_adapter_quick_switch)) {recoverStateMachine(TURN_HOT, null);} else {recoverStateMachine(TURN_COLD, null);}  }  }

在上一个HotOff的时候，已经将蓝牙状态机切换到了Switching了。所以直接在Switching这个状态里面来处理命令。第一个power_state_changed的命令很简单。在蓝牙状态机里面有个叫mPublicState的全局变量来记录蓝牙适配器的状态。如果是power的值为true，那么就将这个变量的值变为STATE_TURNING_ON，否则就是STATE_TURNING_OFF。在前面介绍过了蓝牙适配器总共有四个状态:State_off(10),state_turning_on(11),state_on(12),state_turning_off(13)。那么继续来看第二个命令，scan_mode_changed。

 /framework/base/core/java/android/server/BluetoothAdapterStateMachine.java
case SCAN_MODE_CHANGED:if (mPublicState == BluetoothAdapter.STATE_TURNING_ON) {mBluetoothService.setPairable();mBluetoothService.initBluetoothAfterTurningOn();transitionTo(mBluetoothOn);broadcastState(BluetoothAdapter.STATE_ON);mBluetoothService.runBluetooth();
}

根据第一个命令，mPublicState的值是STATE_TURNING_ON，这里又要和BluetoothService来交互了，先调用了setPairable和initBluetoothAfterTurningOn，runBluetooth并将蓝牙状态机切换到BluetoothOn的状态。接下来到bluetoothService看这个setPairable方法。

framework/base/core/java/android/server/BluetoothService.java
/*package*/ synchronized void setPairable() {String pairableString = getProperty("Pairable", false);if (pairableString == null) {Log.e(TAG, "null pairableString");return;}   if (pairableString.equals("false")) {setAdapterPropertyBooleanNative("Pairable", 1);}   }

这个过程和上面的设置POWER的过程是类似的，先通过getPropery获取Pairable的状态，如果是false的话，就需要调用JNI的方法setAdapterPropertyBooleanNative来通过dbus来向bluez来设置蓝牙适配器的Pairable的值。如果设置成功的话，同样还会调用BluetoothEventLoop中的onProperyChanged方法。继续跟进代码initBluetoothAfterTurningOn：

 framework/base/core/java/android/server/BluetoothService.java
/*package*/ void initBluetoothAfterTurningOn() {String discoverable = getProperty("Discoverable", false);String timeout = getProperty("DiscoverableTimeout", false);if (discoverable.equals("true") && Integer.valueOf(timeout) != 0) {setAdapterPropertyBooleanNative("Discoverable", 0);}mBondState.initBondState();initProfileState();getProfileProxy();
}

这个函数首先还是像设置power，Parirable的属性差不多，设置Discoverable的属性。当蓝牙模块打开和蓝牙适配器配对(Pairable)之后。剩下的initProfileState可以获取蓝牙的物理地址。getProfileProxy直接调用了Adapter的getProfileProxy。得到的ProfileProxy可以是HEADSET，A2DP，INPUT_DEVICE，PAN，HEALTH。

 framework/base/core/java/android/server/BluetoothService.java
/*package*/ void runBluetooth() {
……
autoConnect();
}
private void autoConnect() {
String[] bonds = getKnownDevices();if (bonds == null) {return;}
……
for (String path : bonds) {String address = getAddressFromObjectPath(path);BluetoothDeviceProfileState state = mDeviceProfileState.get(address);if (state != null) {Message msg = new Message();msg.what = BluetoothDeviceProfileState.AUTO_CONNECT_PROFILES;state.sendMessage(msg);}}}

在autoConnect中，就会扫描附近的设备，并获取设备的地址和名字。这是我们看到就是能看到了一系列扫描出来的附近的设备。此时蓝牙的状态出于正常运行。到这里蓝牙模块就在Android中工作起来了。