【Android进阶】BLE通信一般流程

31 Dec 2022 in 博客目录

本文介绍了Android平台上连接手环等BLE设备一般的通信流程

在当今的物联网（IoT）时代，我们的智能手机早已不仅仅是通讯工具，更是连接和控制身边智能硬件的中枢。无论是追踪你运动数据的智能手环，监测你睡眠质量的智能床垫，还是让你告别钥匙的智能门锁，它们与 Android 设备之间高效、可靠的通信桥梁，正是低功耗蓝牙 (Bluetooth Low Energy, BLE) 技术。

什么是 BLE？

BLE 低功耗蓝牙（通常也被称为 Bluetooth Smart）是专为物联网应用设计的无线通信协议。它继承了传统蓝牙的可靠性，但在功耗上做到了极致优化 。不同于传统蓝牙需要持续、高带宽的数据流，BLE 的核心在于快速连接、发送少量数据后迅速休眠，这使得它成为电池供电的小型设备的首选。对于 Android 开发者来说，熟练掌握如何利用 Android 系统提供的 API 与这些 BLE 设备进行交互，是构建现代移动应用的关键技能。

丰富的应用场景

BLE 连接技术已经渗透到我们生活的方方面面，带来了无限的创新可能：

健康与运动追踪： 智能手表、心率带、运动传感器等将实时数据传输到你的 Android App，进行分析和可视化。
智能家居与控制： 通过手机控制智能灯泡、温度计、门锁、以及各种传感器。
资产定位与寻物： 利用 iBeacon 或 Eddystone 等技术实现室内导航、商家推送，以及通过小巧的蓝牙标签寻找丢失的物品。

本篇博客将介绍Android设备和BLE设备通信的几个关键流程，扫描、连接、发现服务，并最终实现与 BLE 设备的高效数据交互。

核心概念先行：

手机 (Central / 中心设备)：主动扫描并连接其他设备的设备，在BLE协议中称为 中心设备 。手机、电脑等通常扮演这个角色。
BLE设备 (Peripheral / 外围设备)：被动广播自身信息，等待被连接的设备，称为外围设备。如智能手环、心率带、防丢器等。
GATT (Generic Attribute Profile)：这是连接建立后，双方通信所遵循的核心协议。它定义了一个 服务-特征值 的数据结构。
- 服务：一个独立的功能模块。例如，一个“心率服务”。
- 特征：服务下的具体数据点。它是实际读写操作的对象。例如，在“心率服务”下，会有 “心率测量特征” （用于读取心率数据）和 “心率位置特征” （用于写入或通知佩戴位置）。
- 属性：特征、服务等都被称为属性，每个属性都有一个唯一的标识符。

1. 寻找设备广播与扫描

这个阶段的目标是让手机发现BLE设备的存在

1.1 外围设备广播

外围设备会周期性地（例如每秒100次）向周围环境 发送广播数据包（Advertising Packets）。这些数据包包含少量信息，这就是广播报文。

广播报文内容：

设备地址：类似MAC地址，是设备的唯一标识符。
设备名称：可读的名称，如 “MI_Band”。
发射功率：用于粗略的距离估算。
服务UUIDs：设备所支持的主要服务的列表。这是手机判断设备类型的关键（例如，看到“心率服务”的UUID，就知道这是个心率设备）。
制造商特定数据：设备厂商可以自定义放入一些数据，如电池电量、硬件版本等。

1.2 中心设备扫描

手机（通常作为中央设备 Central）处于扫描状态，App通过操作系统提供的蓝牙API启动蓝牙扫描，手机的蓝牙芯片会监听来自周围 BLE 设备的广播数据包，在同样的广播通道上监听这些广播报文。

手机收到数据包后，会将其解析并回调给应用程序，提取出上述广播的信息，并在App的扫描结果列表中显示出来（例如，显示“发现设备：MI_Band”）。

此时，手机知道了BLE设备的存在和基本信息，但双方还未建立正式连接。这是设备间建立联系的第一步。

1.3 广播细节

在 手机(Observer) 跟 设备B（Advertiser） 建立连接之前，设备B需要先进行广播，即设备B不断发送如下广播信号，t 为广播间隔。

每发送一次广播包，我们称其为一次广播事件（advertising event），因此t也称为广播事件间隔。广播事件是有一个持续时间的，蓝牙芯片只有在广播事件期间才打开射频模块，这个时候功耗比较高，其余时间蓝牙芯片都处于idle状态，因此平均功耗非常低，以Nordic nRF52810为例，每1秒钟发一次广播，平均功耗不到11uA。

每一个广播事件包含三个广播包，即分别在37/38/39三个射频通道上同时广播相同的信息，即真正的广播事件是下面这个样子的。

广播事件

设备B不断发送广播信号给手机（Observer），如果手机不开启扫描窗口，手机是收不到设备B的广播的，如下图所示，不仅手机要开启射频接收窗口，而且 只有手机的射频接收窗口跟广播发送的发射窗口匹配成功 ，而且 广播射频通道和手机扫描射频通道是同一个通道 ，手机才能收到设备B的广播信号。

也就是说，如果设备B在37通道发送广播包，而手机在扫描38通道，那么即使他们俩的射频窗口匹配，两者也是无法进行通信的。

由于这种匹配成功是一个概率事件，因此手机扫到设备B也是一个概率事件，也就是说，手机有时会很快扫到设备B，比如只需要一个广播事件，手机有时又会很慢才能扫到设备B，比如需要10个广播事件甚至更多。

避免信道干扰

为了避免与其他无线设备（主要是Wi-Fi）的干扰，BLE广播事件的三个广播包分别在 37/38/39 三个射频通道上广播，这三个通道分别避开了Wi-Fi信道 1/11/6 的下边缘和上边缘。

频率冲突：Wi-Fi主要工作在2.4GHz频段，而这个频段也正是蓝牙（包括BLE）的工作频段。Wi-Fi将其频段划分为多个信道，例如常用的1, 6, 11信道。
- Wi-Fi信道1 的中心频率是 2.412 GHz
- Wi-Fi信道6 的中心频率是 2.437 GHz
- Wi-Fi信道11 的中心频率是 2.462 GHz
BLE信道的频率：
- BLE信道37： 2.402 GHz
- BLE信道38： 2.426 GHz
- BLE信道39： 2.480 GHz

你可能会注意到，BLE总共有40个物理信道（0-39）。37、38、39用于广播，那么剩下的0-36信道用于什么呢？

数据信道：在BLE连接建立之后，通信双方会使用 自适应跳频技术 ，在0-36这37个信道上进行数据传输。
跳频的意义：连接后使用跳频，是为了在数据传输阶段也能 动态地避开瞬时干扰 。主从设备会共同协商，跳过那些信噪比差、干扰大的信道，从而在连接状态下也能维持一个稳定、高效的数据链路。

2. 建立连接

当用户在手机 App 上选择一个设备后，就会开始连接过程。

手机请求：

动作: 手机 App 调用系统 API，向选定的 BLE 设备发送连接请求（Connection Request）。
信息: 请求中会包含连接参数，如连接间隔（Connection Interval）、从机延迟（Slave Latency）和超时时间（Supervision Timeout），这些参数定义了连接后数据交换的频率和容错能力。即双方会协商一套通信参数，如连接间隔（设备多久通信一次，影响功耗和响应速度）、从机延迟等。

BLE 设备响应：

动作: BLE 设备从广播状态切换到连接状态，并接受连接请求。
结果: 双方建立了一个双向的、独占的连接。从此刻起，设备停止广播，并且只有这个手机能与它通信。双方进入链路层（Link Layer）的数据交换阶段。在连接状态下，通信会从之前的3个广播通道切换到37个数据通道，并通过一种自适应跳频技术来避免无线干扰，保证通信稳定。

3. 服务发现

连接建立后，手机需要知道设备上有什么功能。

BLE 使用 GATT (Generic Attribute Profile) 规范来组织数据。数据被组织成服务和特性，每个特性都有一个 UUID 标识。

手机作为 GATT 客户端，会自动向BLE设备发送一个 服务发现请求 。

BLE设备会将其内部的所有服务，以及每个服务下的所有特征，像一个文件目录一样完整地返回给手机。

手机端的蓝牙协议栈会解析这个“目录”，并建立一个本地的GATT数据库。手机 App 知道了设备的全部功能结构（UUID 和属性），就可以通过查询这个数据库来知道可以对设备进行哪些操作。

4. 配对绑定

安全校验和配对（Bonding/Pairing） 在手机和 BLE 设备之间的通信中不是必须的。是否需要配对，完全取决于 BLE 设备上的特性（Characteristic） 的配置。

很多 BLE 服务中的特性（例如，电池电量、设备名称、简单的通知开关）被配置为可以进行未加密或无需身份验证的读取和写入操作。对于这些特性，手机可以直接在连接建立后进行服务发现，然后直接进行读写，不需要经过配对（Pairing）或绑定（Bonding）的复杂流程。

配对是用于建立加密和身份验证的链路，它在以下情况是必须的：

敏感数据传输：当传输的数据具有隐私性或敏感性时（如医疗数据、GPS 位置、个人运动记录）。
控制关键功能：当手机需要控制设备的关键、有影响的功能时（如智能门锁的开关、支付授权、修改固件设置）。
需要用户身份确认：设备的某个特性被配置为需要加密或身份验证权限才能访问。当手机尝试读写这个受保护的特性时，BLE 栈（Stack）会强制触发配对流程。

配对/绑定流程

配对和绑定是为了建立信任关系，并交换安全密钥，以便在后续连接中能进行加密通信。安全性和配对通常发生在服务发现之后，或在第一次读写受保护的特性时触发。如访问加密、身份验证的特性时，系统会自动触发配对流程。

通信双方协商安全级别和配对方式（如 Just Works、Passkey Entry、Numeric Comparison 等）。配对过程中，手机可能会弹出配对请求框，显示一个随机生成的6位数字码。用户需要在设备上确认这个数字码，或者简单地点击 “配对” 按钮。然后双方会交换密钥，建立信任关系。

配对成功后，双方交换 长期密钥 (LTK) ，并将其存储起来（称为绑定）。绑定后，后续连接可以直接使用 LTK 建立加密链路，无需重复配对。

5. 通信 - 基于GATT的数据交互

所有通信都是通过 对特征的读写 操作完成的。特征有不同的属性来控制其行为：

Read：手机可以主动读取特征的值。例如，读取一次当前的电池电量
Write：手机可以向特征写入数据（控制设备）。例如，向设备发送一个“寻找手环”的命令，手环收到之后就会震动
Notify / Indicate：这是BLE通信中最重要、最节能的模式。设备可以在数据变化时，主动向手机推送数据，而手机无需不停地询问。
- Notify 通知：不可靠通知，手机不回复确认。
- Indicate 指示：可靠通知，设备会等待手机的确认后再发送下一条。

这个流程是所有基于 BLE 的应用通信的基础。在 Android 平台，可以在 Android 的 BluetoothLeScanner 类中找到扫描相关的 API，在 BluetoothGatt 类中找到连接、服务发现和数据读写相关的 API。

如何传输大段数据

低功耗蓝牙 (BLE) 在设计之初是为了低功耗和传输少量数据而优化的。因此，它在传输大段数据时会有一些限制和特定的处理方式。

BLE 数据传输基于 GATT (Generic Attribute Profile)，数据是封装在 ATT (Attribute Protocol) 数据包中传输的。

ATT 最大传输单元 (ATT_MTU) 是应用层一次可以发送或接收的最大数据包大小。

在 BLE 4.0/4.1 中，默认的 ATT_MTU 是 23 字节。这意味着，在一个 Notification、Indication 或 Write 请求中，用户数据（特征值）部分最大只有 20 字节（因为 3 字节用于 ATT 头部， 23 - 3 = 20）。
在 BLE 4.2 及更高版本中，设备可以协商更大的 ATT_MTU（例如 250 字节以上），这显著提高了单次传输的效率。

物理层最大传输单元 (PDU) 的限制比 ATT_MTU 更底层。在 BLE 5.0 中，数据包的 PDU 最大可以达到 257 字节。

分包和重组 & 缩短传输间隔

由于单次 ATT 传输的有效载荷（Payload）有限（通常至少 20 字节，即使协商了更大的 MTU，也通常小于 512 字节），传输大段数据（如文件、图片等）就必须依赖应用层进行分包和重组。

a. 应用层分包 (Segmentation) 和重组 (Reassembly)

发送端分包 将完整的原始数据（例如 1MB 的文件）切分成多个小的分包。每个分包的大小取决于当前连接协商的 ATT_MTU 所允许的最大特征值大小。

1. 拆分小段数据

每一段数据包 添加头部 每个分包都需要添加一个自定义的应用层头部（Header）。这个头部通常包含。

序号/索引 (Sequence Number) 用于接收端按正确顺序重组数据。
总包数 (Total Packets) 或 数据长度 (Total Length) 帮助接收端判断是否接收完整。
校验和 (Checksum)：用于验证分包数据的完整性。

2. 逐包发送

发送端通过 BLE 的 Notification 或 Write Without Response （取决于你的设计）将这些分包一个接一个地发送出去。

3. 接收端重组

接收端根据每个分包中的序号，将收到的数据段缓存并按照正确的顺序拼接起来，直到所有分包都收到，形成完整的原始数据。再做一次 完整性检查 通过头部中的 总包数/长度 和 校验和 来验证接收到的完整数据的正确性。

b. 提高传输效率的关键技术

为了加快传输速度，应该尽可能利用 BLE 协议栈提供的优化：

协商更大的 MTU：在连接建立后，立即进行 MTU 协商（例如 Android/iOS 系统会自动进行，或者应用层手动触发）。将 MTU 增大到 256 甚至 517 字节，可以成倍减少分包的数量和 ATT 事务的次数。
数据长度扩展 (DLE)：在 BLE 4.2 及更高版本中引入，它允许将物理层 PDU 的有效载荷从默认的 27 字节增加到 257 字节。这直接支持了 MTU 扩展。
使用 Write Without Response 或 Notification：这两种方法是非确认机制，发送端发送数据后不需要等待接收端的确认 (ACK)，因此可以连续快速发送。这是传输大段数据的首选方式，但需要应用层自行处理丢包或错误（通常通过重传机制）。
优化连接间隔 (Connection Interval)：连接间隔越短，收发数据的频率越高，吞吐量也越大。但要注意，极短的连接间隔会增加功耗。你需要找到一个吞吐量和功耗之间的平衡点。

Android项目简单实践

1.扫描设备

连接BLE设备，首先需要扫描。Android SDK中使用 BluetoothLeScanner 对象来执行扫描的动作：

private BluetoothLeScanner bluetoothLeScanner;

bluetoothLeScanner = bluetoothAdapter.getBluetoothLeScanner();

bluetoothLeScanner.startScan(scanCallback);

由于扫描是一个异步的过程，所以这里需要传入一个回调接口，我们在回调接口去获取扫描的结果：

public ScanCallback scanCallback = new ScanCallback() {
        @Override
        public void onScanResult(int callbackType, ScanResult result) {
            super.onScanResult(callbackType, result);
            ScanRecord record = result.getScanRecord();
            BluetoothDevice device = result.getDevice();
            String deviceName = record.getDeviceName();
            Log.d(TAG, "record name:" + deviceName);
            Log.d(TAG, "ServiceUuids:" + record.getServiceUuids());

            if (TextUtils.isEmpty(deviceName)) {
                return;
            }

            if (deviceName.startsWith("XX")) {    //这里我们可以找出设备名以XX开头的BLE设备
              
                byte[] bytes = record.getBytes();    //这里可以获取整个广播的完整数据，包括协议头等
                for (int i = 0; i < bytes.length; i++) {
                    Log.d(TAG, "[" + i + "]:" + bytes[i]);
                }
                
                bluetoothLeScanner.stopScan(scanCallback);     //需要停止扫描
                              
            }
        }

    };

2.连接设备

在找到了“XX”名称的设备后，我们就可以发起GATT协议的连接了：

/**
 * 
 * @param autoConnect Whether to directly connect to the remote device (false) or to automatically connect as soon as the remote device becomes available (true).
 * @param callback GATT callback handler that will receive asynchronous callbacks.
*/
device.connectGatt(context, false, gattCallback);

第二个参数 autoConnect 如果是false代表仅发起本次连接，如果连接不上则会反馈连接失败；如果是true则表示只要这个远程的设备可用，那么底层协议栈就会自动去连接，并且第一次连接不上，也会继续去连接。

第三个参数 callback 是一个 关于GATT协议相关的回调接口 ，主要有GATT连接状态的回调、发现Service服务的回调、特征值(Characteristic)发生改变的回调、最大传输单元（MTU）改变的回调、物理层发送模式(PHY)改变回调等，如下：

BluetoothGattCallback gattCallback = new BluetoothGattCallback() {

        @Override
        public void onPhyUpdate(BluetoothGatt gatt, int txPhy, int rxPhy, int status) {
            super.onPhyRead(gatt, txPhy, rxPhy, status);
            Log.d(TAG, "onPhyUpdate txPhy:" + txPhy + "; rxPhy:" + rxPhy);
        }

        @Override
        public void onMtuChanged(BluetoothGatt gatt, int mtu, int status) {
            super.onMtuChanged(gatt, mtu, status);
            Log.d(TAG, "onMtuChanged mtu:" + mtu + "; status:" + status);
        }

        @Override
        public void onConnectionStateChange(BluetoothGatt gatt, int status, int newState) {
            super.onConnectionStateChange(gatt, status, newState);
            Log.d(TAG, "onConnectionStateChange newState:" + newState);
            if (newState == BluetoothProfile.STATE_CONNECTED) {  //协议连接成功
                Log.d(TAG, "STATE_CONNECTED");
                bluetoothGatt = gatt;             
                bluetoothGatt.discoverServices();   //发现service服务
            } else if (newState == BluetoothProfile.STATE_DISCONNECTED) {         //协议连接失败
                Log.d(TAG, "STATE_DISCONNECTED");
            }

        }
}

3.获取服务和特征

在GATT协议连接成功之后，就可以去发现从设备端提供了哪些Service服务，如上代码。

这是一个异步的过程，待从设备反馈了自己提供的服务之后，Android框架层会通过BluetoothGattCallback回调通知，如下：

BluetoothGattCallback gattCallback = new BluetoothGattCallback() {
    @Override
    public void onServicesDiscovered(BluetoothGatt gatt, int status) {
        super.onServicesDiscovered(gatt, status);
        List<BluetoothGattService> services = gatt.getServices();
        for (BluetoothGattService service : services) {
            Log.d(TAG, "UUID:" + service.getUuid().toString());
        }

        //1.根据UUID获取到服务
        mGattService = gatt.getService(UUID.fromString("0000ff00-0000-1000-8000-00805f9b34fb"));

        if (mGattService == null) {
            Log.w(TAG, "GattService is null!");
        } else {
            Log.i(TAG, "connect GattService");
            if (writeCharacteristic == null) {
                //2.获取一个特征（Characteristic），这是从设备定义好的，我通过这个Characteristic去写从设备感兴趣的值
                writeCharacteristic = mGattService
                        .getCharacteristic(UUID.fromString("0000ff02-0000-1000-8000-00805f9b34fb"));
            }
            if (readCharacteristic == null) {
                //3.获取一个主设备需要去读的特征（Characteristic），获取从设备发送过来的数据
                readCharacteristic = mGattService
                        .getCharacteristic(UUID.fromString("0000ff01-0000-1000-8000-00805f9b34fb"));

                //4.注册特征（Characteristic）值改变的监听
                bluetoothGatt.setCharacteristicNotification(readCharacteristic, true);
                List<BluetoothGattDescriptor> descriptors = readCharacteristic.getDescriptors();
                for (BluetoothGattDescriptor descriptor : descriptors) {
                    descriptor.setValue(BluetoothGattDescriptor.ENABLE_NOTIFICATION_VALUE);
                    bluetoothGatt.writeDescriptor(descriptor);
                }
            }

        }
    }
};

经过上述代码中的四个步骤，两个设备间已经可以发送和接收数据了。

4.通过特征（Characteristic）发送数据

把需要发送的数据设置到 writeCharacteristic，然后再调用 BluetoothGatt 的写入方法，即可完成数据的发送：

writeCharacteristic.setValue(datas);
bluetoothGatt.writeCharacteristic(writeCharacteristic);

5.读取数据

当从设备有数据发送到主设备之后，Android系统会回调 BluetoothGattCallback 的 onCharacteristicChanged 方法通知：

@Override
        public void onCharacteristicChanged(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattCharacteristic characteristic) {
            super.onCharacteristicChanged(gatt, characteristic);
            UUID uuid = characteristic.getUuid();
            byte[] receiveData = characteristic.getValue();
            for (byte b : receiveData) {
                Log.d(TAG, "receiveData:" + Integer.toHexString(b));
            }
        }

三、注意事项

1.自动连接属性

connectGatt 方法的自动连接参数设置为true之后，连接建立了，这个时候如果是断开连接，如下：

bluetoothGatt.disconnect();

虽然在Android层面的 BluetoothGattCallback 接口会立刻反馈一个 STATE_DISCONNECTED 信号值，但是在数据链路层却还是处于连接的状态，连接并没有断开。

2.开启定位功能

现在Android最新的版本，需要开启定位才能使用BLE功能。

判断定位功能是否开启：

private boolean isLocationEnable(Context context) {
        LocationManager locationManager = (LocationManager) context.getSystemService(Context.LOCATION_SERVICE);
        boolean networkProvider = locationManager.isProviderEnabled(LocationManager.NETWORK_PROVIDER);
        boolean gpsProvider = locationManager.isProviderEnabled(LocationManager.GPS_PROVIDER);
        if (networkProvider || gpsProvider) {
            return true;
        }
        return false;
    }

开启定位功能的方法：

LocationManager locationManager = (LocationManager) context.getSystemService(Context.LOCATION_SERVICE);
            try {
                Field field = UserHandle.class.getDeclaredField("SYSTEM");
                field.setAccessible(true);
                UserHandle userHandle = (UserHandle) field.get(UserHandle.class);
                Method method = LocationManager.class.getDeclaredMethod(
                        "setLocationEnabledForUser",
                        boolean.class,
                        UserHandle.class);
                method.invoke(locationManager, true, userHandle);
            } catch (Exception e) {
            }

3.最大传输单元（MTU）的设置

Android默认的最大传输单元(MTU)是23个字节，除去报文头占用的3个字节，实际最大只能传递20个字节。当两个设备之间传递的数据长度超过20字节的时候，数据就会被截断，导致通信异常。

只有在GATT协议连接成功之后，才可以设置MTU值，最大MTU=512，如下：

bluetoothGatt.requestMtu(128);

4.从设备广播间隔影响连接

当Android协议栈（Host）给蓝牙芯片Chip发送一个连接的指令，芯片在收到之后，会在一定的时间内去接收从设备的广播，在收到广播之后才会发送连接请求给从设备；如果从设备的广播间隔设置不合理，就会导致芯片无法在限定的时间内收到广播，导致无法发送连接请求。

【Android进阶】BLE通信一般流程

1. 寻找设备广播与扫描

1.1 外围设备广播

1.2 中心设备扫描

1.3 广播细节

避免信道干扰

2. 建立连接

3. 服务发现

4. 配对绑定

配对/绑定流程

5. 通信 - 基于GATT的数据交互

如何传输大段数据

分包和重组 & 缩短传输间隔

a. 应用层分包 (Segmentation) 和重组 (Reassembly)

1. 拆分小段数据

2. 逐包发送

3. 接收端重组

b. 提高传输效率的关键技术

Android项目简单实践

1.扫描设备

2.连接设备

3.获取服务和特征

4.通过特征（Characteristic）发送数据

5.读取数据

三、注意事项

1.自动连接属性

2.开启定位功能

3.最大传输单元（MTU）的设置

4.从设备广播间隔影响连接

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1.1 外围设备广播

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1.3 广播细节

避免信道干扰

2. 建立连接

3. 服务发现

4. 配对绑定

配对/绑定 流程

5. 通信 - 基于GATT的数据交互

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4.通过特征（Characteristic）发送数据

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