藍牙防丟器原理、實現與Android BLE接口編程

本文是對已實現的藍牙防丟器項目的總結，闡述藍牙防丟器的原理、實現與android客戶端的藍牙BLE接口編程。在這裡重點關注如何利用BLE接口來進行工程實現，對於BLE的協議、涉及到JNI的BLE接口內部源碼實現，筆者以後再詳細剖析。但要求讀者對BLE協議有一定的認識，如GAP、GATTprofile在BLE中的角色和作用，如何使用Service、Characteristic等。

一、藍牙防丟器原理和產品需求

藍牙防丟器的核心原理是根據接收到的藍牙設備端的無線信號強度（RSSI）來估算距離。其計算公式是：

d是計算距離，RSSI是信號強度，A為發射端和接收端相隔1米時的信號強度，n是環境衰減因子。對於不同的藍牙設備該值是不一樣的，同樣的設備在不同的發射功率的情況下其信號強度也是不一樣的，而且對於同是1米的情況下，環境對於信號強度也是有影響的。n是環境衰減因子，自然跟環境有關。所以在確切發射功率的情況下，A和n對於同一款設備來說，也是一個經驗值。

在實際的防丟器產品中，一般有以下功能：

1. 當手機（接收端）檢測到發射端設備的距離超過一定距離時，發出告警提示，設備根據告警級別進行相應的指示，如發出不同頻率的音頻或者閃燈。

2. 當發射設備端發現和手機端建立的鏈路斷開（意味著距離已經超過連接范圍）時，其會自動發出某種形式的警告。

 

二、藍牙防丟profile

筆者以業界目前功耗最低的藍牙單芯片（Dialog公司的DA14580）來說明。針對DA14580，Dialog公司有提供開發SDK（以後會對該SDK框架進行分析，以指導開發），其中就有實現防丟profile，命名是Proximity。 該profile針對以上防丟的功能提供的Characteristic如下：

1．TXP(txpower) Characteristic, 設備端需要通過主機控制接口HCI來獲得發射功率參數，並以read屬性提供給master。

2．IAS(immediate alter service), write屬性，供master寫告警級別。當master寫入新的值時，設備端會收到write的回調，其根據告警級別進行相應告警。

3. LLS(link loss service),write/read屬性，供master設置鏈路斷開情況下默認的告警級別。

RSSI通過接收端的接口來獲得，並不需要設備端提供service。

以上Characteristic都通過GATT profile提供服務，在藍牙通信協議上，每個Characteristic都會對應一個UUID。

 

三、android藍牙BLE接口編程

androidBLE接口在android4.3版本以上提供。

1. 判斷當前系統是否支持BLE

getPackageManager().hasSystemFeature(PackageManager.FEATURE_BLUETOOTH_LE)

返回真表示支持。

2. 獲得藍牙適配器類

用戶通過統一的藍牙適配器類BluetoothAdapter來使用BLE API。

先獲得藍牙管理器：

BluetoothManagerbluetoothManager = getSystemService(Context.BLUETOOTH_SERVICE);

再獲得藍牙適配器實例（單體對象）：

BluetoothAdaptermBluetoothAdapter = bluetoothManager.getAdapter();

3. 啟動手機藍牙硬件功能（相當於在設置界面開啟藍牙功能）

mBluetoothAdapter.enable();

4. 開始掃描

BluetoothAdapter.startLeScan(android.bluetooth.BluetoothAdapter.LeScanCallbackcallback)

callback是當掃描到藍牙設備時的回調接口。實現callback中的onLeScan接口：

@Override

public void onLeScan(finalBluetoothDevice device, int rssi, byte[] scanRecord)

其中，device代表掃描到的設備，可以獲得其MAC地址、設備名等等；rssi即信號強度，這是未連接時獲取RSSI的方法；scanRecord代表掃描設備得到的響應參數，ibeacon即通過該參數來獲得廣播內容。

假設String bluetoothAddress = device.getAddress()，獲取藍牙48位MAC地址

5. 連接GATT，獲取設備端的UUID服務，並進行數據通信交互

通過MAC地址獲得代表設備端的藍牙設備類

BluetoothDevicedevice = mBluetoothAdapter.getRemoteDevice(bluetoothAddress);

連接GATT

BluetoothGatt mBluetoothGatt = device.connectGatt(android.content.Context context, booleanautoConnect, android.bluetooth.BluetoothGattCallback callback);

Callback是連接GATT之後，所有數據交互的回調入口。分別包括：

1)設備服務發現

@Override

publicvoid onServicesDiscovered(BluetoothGatt gatt, int status)

mBluetoothGatt.getServices()代表設備服務集合，

for (BluetoothGattService gattService : mBluetoothGatt.getServices())

對於每個服務service，用getUuid()可以獲得服務的UUID，getCharacteristics()代表該服務的Characteristic集合。

for(BluetoothGattCharacteristic gattCharacteristic : gattCharacteristics)

對於每個Characteristic，getUuid()獲得UUID，getPermissions()獲得屬性權限，getValue()獲得屬性值。

在該回調中我們只提取感興趣的三個Characteristic的UUID，對於其他的如電池、設備服務等UUID可以不管。

gattCharacteristic_char5_TXP=gattCharacteristic；

2)連接狀態改變

@Override

public voidonConnectionStateChange(BluetoothGatt gatt, int status,intnewState)

有兩種狀態，BluetoothProfile.STATE_CONNECTED代表連接，BluetoothProfile.STATE_DISCONNECTED代表斷開連接。

3)讀回調

@Override

public voidonCharacteristicRead(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattCharacteristiccharacteristic, int status)

其對應手機端發出讀請求後，當收到設備端的數據時的回調。如

mBluetoothGatt.readCharacteristic(gattCharacteristic_char5_TXP)

4)設備端數據變化回調

這裡對應設備的characteristic的屬性是notify或者indication，即相當手機端訂閱這個characteristic的值變更服務，當設備端的characteristic發生變化時，設備端會主動發出通知給手機端。

@Override

public voidonCharacteristicChanged(BluetoothGatt gatt,

BluetoothGattCharacteristiccharacteristic)

在回調中獲得新的值characteristic.getValue()。

5)獲取到RSSI值的回調

RSSI在掃描時可以通過掃描回調接口獲得，但是在連接之後要不斷地使用

mBluetoothGatt.readRemoteRssi()向底層驅動發出讀取RSSI請求，當底層獲取到新的RSSI後會進行以下回調：

@Override

public voidonReadRemoteRssi(BluetoothGatt gatt, int rssi, int status)

rssi即是新的信號強度值。

連接後，由於手機和設備端的距離在發生變化，因此要不斷地讀取RSSI，實時計算兩者之間的距離才能保證防丟功能的實現。