bluethooth BLE Android

一篇基本概念介绍的文章

http://mbientlab.com/blog/bluetooth-low-energy-introduction/

https://atmosphere.anaren.com/wiki/Data_rates_using_BLE

1. 带宽的计算

影响参数

Connection interval T 。

定义了多长时间建立一次连接，手册规定间隔可以为7.5ms~4s ,一些手机默认的间隔为7.5ms ,有些则是规定不小于37.5ms ,ios 一般规定最小为20ms

一般情况，Android 是不能改变interval，但可以发送update请求，Android 一般是可以接受的，ios要看是否在合理范围才决定接受。

关于连接参数，参考下面的连接

http://blog.csdn.net/lckj686/article/details/43153993

但有论坛贴说master是否接受设置建议还和是否打开wifi 有关 ，这可能与手机芯片使用的是GPS/WIFI/Bluethooth是三合一的有关。

Slave Latency Slave可以忽略master connection interval 的个数

参见https://atmosphere.anaren.com/wiki/Data_rates_using_BLE

Number of packets per even N

一次连接传输的包数 nFR51822 支持6个包，一般Andorid手机支持的是4个 ios支持6个包。

这个和Device的能力有关，包括了协议栈及处理芯片的能力，nRF51822支持6个包，cypress 的可以发送512B数据包

MTU ，包的大小 Byte

Android可以设置MUT 大小，这个也和Device的能力有关

http://developer.android.com/reference/android/bluetooth/BluetoothGatt.html#requestMtu(int)

Throughput = N* MTU * 1/T

iPhone 5/6 + IOS 8.0/8.1 with nRF51822: 6 * 20 B * 1/0.020 s = 6 kB/s = 48 kbps
iPhone 5/6 + IOS 8.2/8.3 with nRF51822: 3 * 20 B * 1/0.020 s = 3 kB/s = 24 kbps
Nexus 4 with nRF51822: 4 * 20 B * 1/0.0075 s = 10.6 kB/s = 84 kbps

有人测试过Andorid 的N才1个

https://devzone.nordicsemi.com/question/2540/understanding-ble_evt_tx_complete/

But within my own tests, I'd also seen Android Centrals (e.g. with Qualcomm RF chips) that drivers had only 1 packet at a connection interval. The best throughput I'd currently measured is at about 8-10 kByte/s using Android Centrals with Broadcom RC chip (and connection interval of 7,5 ms).

对N和MTU的理解

nFR51822 称可以支持在一个6个包，那么在一个传输时间内可以传 6*20B=120B个字节的净荷

IT 的CC2540可以通过以下方法获得较快的速率

http://processors.wiki.ti.com/index.php/OverlappedProcessing

http://processors.wiki.ti.com/index.php/CC2540_Data_Throughput

包的类型对throughput 的影响

Write Requests and Indications

write request from GATT client 或者indications from GATT server ，都会有ACK ，

这样效率下降一半

Connection event x: Send notification/writeRequest packet
Connection event x+1: Receive ATT acknowledgement packet
Connection event x+2: Send notification/writeRequest packet
Connection event x+3: Receive ATT acknowledgement packet

Write Commands and Notifications

write commands from GATT client或者 with notifications from GATT server ，一次可以传输N个包，没有ACK

Write from GATT client on an Android device

callwriteCharacteristic方法，设置setWriteType方法，需要等待一个callback

协议层的开销

根据Bluetooth 4.0 BLE部分协议：

BLE中物理层physical layer的传输速率是1Mbps，除了这个外，数据传输速率与包大小、CPU处理时间相关。

包结构：

1.总体结构：

preamble（1 Byte）+ Access Address（4 Bytes）+ PDU + CRC（3 Bytes）

preamble = 10101010 or 01010101

Access Address = 0x8e89bedd6

2. 广播包

PDU = Header（2 Bytes）+ Payload （37 Bytes max.）

Header： 1）0000 - connected undirected advertising event 可连接非定向广播事件

2）0001 - connected directed advertising event 可连接定向广播事件

3）0010 - non-connected undirected advertising event 不可连接非定向广播事件

4）0011 - response to scan request form scanner扫描请求响应

5）0101 - connect request by initiator连接请求

6）0110 -connected directed advertising event 可发现非定向广播事件

非定向广播包（Undirected advertising packets）

Payload = AdvA (6 Bytes) + AdvData (31 Bytes max.) ;

// AdvA contains advertiser‘s public address if TxAdd = 1, or a random address if TxAdd = 0; // AdvData advertising data;

定向广播包（Directed advertising packets）

Payload = AdvA (6 Bytes) + InitA(6 Bytes) ; // AdvA contains advertiser‘s public address if TxAdd = 1, or a random address if TxAdd = 0; // InitA contains initiator's address if RxAdd = 1, or a random address if RxAdd = 0;

3. 扫描请求及扫描响应

PDU = Header（2 Bytes）+ Payload （37 Bytes max.）

Header： 1）0011 - scan request for further information from advertiser 扫描请求

2）0100 - response to scan request from scanner 扫描响应

扫描请求

Payload = ScanA (6 Bytes) + AdvA(6 Bytes) ; // ScanA contains Scanner's public address if TxAdd = 1, or a random address if TxAdd = 0; // AdvA contains advertiser‘s public address if TxAdd = 1, or a random address if TxAdd = 0;

扫描响应

Payload = AdvA(6 Bytes) + ScanRspData（0~31Bytes）; // ScanRspData data from advertiser’s host; // AdvA contains advertiser‘s public address if TxAdd = 1, or a random address if TxAdd = 0;

3. 连接请求

PDU = Header（2 Bytes）+ Payload （34 Bytes）

Header：0101 - connect request by initiator

Payload =InitA（6 Bytes）+ AdvA（6bytes）+ LLData（22 Bytes）

LLData 包含连接信息，详细结构参考bluetooth 4.0 协议。

4. LL 数据通道及控制包

PDU = Header（2 Bytes）+ Payload （27 Bytes max.）

Header：详细说明参考bluetooth 4.0 协议；

LL 数据通道

Payload = 0~27 bytes

LL 控制包

Payload = 1~23 Bytes

若只考虑蓝牙设备连接之后，评估数据传输速率

最大包长度：preamble（1 Byte）+ Access Address（4 Bytes）+ PDU（29 Bytes） + CRC（3 Bytes）= 41 Bytes
射频PHY传输速率 1Mbps

一个27字节的传输周期：328 + 150 + 80 + 150 = 708 us，若能持续传输，即传输速度：38KB/s，这样显然功耗不会低，也不符合BLE协议规范，真正的传输速度受连接事件间隔和间隔内能传输数据包数目相关。（此段计算表示怀疑，150为帧间隔，理论算出来的值大概是270kbit=33.75kbyte）

GATT 数据包封装需要7个字节，所以净荷为20Byte。

BLE 和 BR/EDR区别

参见 https://en.wikipedia.org/wiki/Bluetooth_low_energy

Technical Specification	Classic Bluetooth technology	Bluetooth Smart technology
Distance/Range (theoretical max.)	100 m (330 ft)	>100 m (>330 ft)
Over the air data rate	1–3 Mbit/s	1 Mbit/s
Application throughput	0.7–2.1 Mbit/s	0.27 Mbit/s
Active slaves	7	Not defined; implementation dependent
Security	56/128-bit and application layer user defined	128-bit AES with Counter Mode CBC-MAC and application layer user defined
Robustness	Adaptive fast frequency hopping, FEC, fast ACK	Adaptive frequency hopping, Lazy Acknowledgement, 24-bit CRC, 32-bit Message Integrity Check
Latency (from a non-connected state)	Typically 100 ms	6 ms
Minimum total time to send data (det.battery life)	100 ms	3 ms ^[32]
Voice capable	Yes	No
Network topology	Scatternet	Scatternet
Power consumption	1 W as the reference	0.01 to 0.5 W (depending on use case)
Peak current consumption	<30 mA	<15 mA
Service discovery	Yes	Yes
Profile concept	Yes	Yes
Primary use cases	Mobile phones, gaming, headsets, stereo audio streaming, smart homes, wearables, automotive, PCs, security, proximity, healthcare, sports & fitness, etc.	Mobile phones, gaming, PCs, watches, sports and fitness, healthcare, security & proximity, automotive, home electronics, automation, Industrial, etc.

Android 开发BLE时遇到的常见问题

Android BLE开发参考

http://developer.android.com/guide/topics/connectivity/bluetooth-le.html

http://m.blog.csdn.net/blog/lckj686/43153993

http://blog.csdn.net/chaoyue0071/article/details/43450183

一、关键概念：
Generic Attribute Profile (GATT)
通过BLE连接，读写属性类小数据的Profile通用规范。现在所有的BLE应用Profile都是基于GATT的。

Attribute Protocol (ATT)
GATT是基于ATT Protocol的。ATT针对BLE设备做了专门的优化，具体就是在传输过程中使用尽量少的数据。每个属性都有一个唯一的UUID，属性将以characteristics and services的形式传输。

Characteristic
Characteristic可以理解为一个数据类型，它包括一个value和0至多个对次value的描述（Descriptor）。

Descriptor
对Characteristic的描述，例如范围、计量单位等。

Service
Characteristic的集合。例如一个service叫做“Heart Rate Monitor”，它可能包含多个Characteristics，其中可能包含一个叫做“heart rate measurement"的Characteristic。

二、角色和职责：

Android设备与BLE设备交互有两组角色：

中心设备和外围设备（Central vs. peripheral）；
GATT server vs. GATT client.

Central vs. peripheral:
中心设备和外围设备的概念针对的是BLE连接本身。Central角色负责scan advertisement。而peripheral角色负责make advertisement。

GATT server vs. GATT client:
这两种角色取决于BLE连接成功后，两个设备间通信的方式。

举例说明：
现有一个活动追踪的BLE设备和一个支持BLE的Android设备。Android设备支持Central角色，而BLE设备支持peripheral角色。创建一个BLE连接需要这两个角色都存在，都仅支持Central角色或者都仅支持peripheral角色则无法建立连接。

当连接建立后，它们之间就需要传输GATT数据。谁做server，谁做client，则取决于具体数据传输的情况。例如，如果活动追踪的BLE设备需要向Android设备传输sensor数据，则活动追踪器自然成为了server端；而如果活动追踪器需要从Android设备获取更新信息，则Android设备作为server端可能更合适。

三、权限及feature：

和经典蓝牙一样，应用使用蓝牙，需要声明BLUETOOTH权限，如果需要扫描设备或者操作蓝牙设置，则还需要BLUETOOTH_ADMIN权限：
<uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH"/>
< uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH_ADMIN"/>

除了蓝牙权限外，如果需要BLE feature则还需要声明uses-feature：
<uses-feature android:name="android.hardware.bluetooth_le" android:required="true"/>

按时required为true时，则应用只能在支持BLE的Android设备上安装运行；required为false时，Android设备均可正常安装运行，需要在代码运行时判断设备是否支持BLE feature：

// Use this check to determine whether BLE is supported on the device. Then
// you can selectively disable BLE-related features.
if (!getPackageManager().hasSystemFeature(PackageManager.FEATURE_BLUETOOTH_LE)) {
Toast.makeText(this, R.string.ble_not_supported, Toast.LENGTH_SHORT).show();
finish();
}

四、启动蓝牙：

在使用蓝牙BLE之前，需要确认Android设备是否支持BLE feature(required为false时)，另外要需要确认蓝牙是否打开。
如果发现不支持BLE，则不能使用BLE相关的功能。如果支持BLE，但是蓝牙没打开，则需要打开蓝牙。

打开蓝牙的步骤：

1、获取BluetoothAdapter

BluetoothAdapter是Android系统中所有蓝牙操作都需要的，它对应本地Android设备的蓝牙模块，在整个系统中BluetoothAdapter是单例的。当你获取到它的示例之后，就能进行相关的蓝牙操作了。

获取BluetoothAdapter代码示例如下：
// Initializes Bluetooth adapter.
final BluetoothManager bluetoothManager =
(BluetoothManager) getSystemService(Context.BLUETOOTH_SERVICE);
mBluetoothAdapter = bluetoothManager.getAdapter();

注：这里通过getSystemService获取BluetoothManager，再通过BluetoothManager获取BluetoothAdapter。BluetoothManager在Android4.3以上支持(API level 18)。

2、判断是否支持蓝牙，并打开蓝牙

获取到BluetoothAdapter之后，还需要判断是否支持蓝牙，以及蓝牙是否打开。
如果没打开，需要让用户打开蓝牙：
private BluetoothAdapter mBluetoothAdapter;
...
// Ensures Bluetooth is available on the device and it is enabled. If not,
// displays a dialog requesting user permission to enable Bluetooth.
if (mBluetoothAdapter == null || !mBluetoothAdapter.isEnabled()) {
Intent enableBtIntent = new Intent(BluetoothAdapter.ACTION_REQUEST_ENABLE);
startActivityForResult(enableBtIntent, REQUEST_ENABLE_BT);
}

五、搜索BLE设备：

通过调用BluetoothAdapter的startLeScan()搜索BLE设备。调用此方法时需要传入 BluetoothAdapter.LeScanCallback参数。
因此你需要实现 BluetoothAdapter.LeScanCallback接口，BLE设备的搜索结果将通过这个callback返回。

由于搜索需要尽量减少功耗，因此在实际使用时需要注意：

1、当找到对应的设备后，立即停止扫描；
2、不要循环搜索设备，为每次搜索设置适合的时间限制。避免设备不在可用范围的时候持续不停扫描，消耗电量。

搜索的示例代码如下：
/**
* Activity for scanning and displaying available BLE devices.
*/
public class DeviceScanActivity extends ListActivity {

private BluetoothAdapter mBluetoothAdapter;
private boolean mScanning;
private Handler mHandler;

// Stops scanning after 10 seconds.
private static final long SCAN_PERIOD = 10000;
...
private void scanLeDevice(final boolean enable) {
if (enable) {
// Stops scanning after a pre-defined scan period.
mHandler.postDelayed(new Runnable() {
@Override
public void run() {
mScanning = false;
mBluetoothAdapter.stopLeScan(mLeScanCallback);
}
}, SCAN_PERIOD);

mScanning = true;
mBluetoothAdapter.startLeScan(mLeScanCallback);
} else {
mScanning = false;
mBluetoothAdapter.stopLeScan(mLeScanCallback);
}
...
}
...
}

如果你只需要搜索指定UUID的外设，你可以调用 startLeScan(UUID[], BluetoothAdapter.LeScanCallback)方法。
其中UUID数组指定你的应用程序所支持的GATT Services的UUID。

BluetoothAdapter.LeScanCallback的实现示例如下：
private LeDeviceListAdapter mLeDeviceListAdapter;
...
// Device scan callback.
private BluetoothAdapter.LeScanCallback mLeScanCallback =
new BluetoothAdapter.LeScanCallback() {
@Override
public void onLeScan(final BluetoothDevice device, int rssi,
byte[] scanRecord) {
runOnUiThread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
mLeDeviceListAdapter.addDevice(device);
mLeDeviceListAdapter.notifyDataSetChanged();
}
});
}
};

注意：搜索时，你只能搜索传统蓝牙设备或者BLE设备，两者完全独立，不可同时被搜索。

六、连接GATT Server：

两个设备通过BLE通信，首先需要建立GATT连接。这里我们讲的是Android设备作为client端，连接GATT Server。
连接GATT Server，你需要调用BluetoothDevice的connectGatt()方法。此函数带三个参数：Context、autoConnect(boolean)和BluetoothGattCallback对象。调用示例：

mBluetoothGatt = device.connectGatt(this, false, mGattCallback);

函数成功，返回BluetoothGatt对象，它是GATT profile的封装。通过这个对象，我们就能进行GATT Client端的相关操作。BluetoothGattCallback用于传递一些连接状态及结果。

BluetoothGatt常规用到的几个操作示例:

connect() ：连接远程设备。
discoverServices() : 搜索连接设备所支持的service。
disconnect()：断开与远程设备的GATT连接。
close()：关闭GATT Client端。
readCharacteristic(characteristic) ：读取指定的characteristic。
setCharacteristicNotification(characteristic, enabled) ：设置当指定characteristic值变化时，发出通知。
getServices() ：获取远程设备所支持的services。

等等。

注：
1、某些函数调用之间存在先后关系。例如首先需要connect上才能discoverServices。
2、一些函数调用是异步的，需要得到的值不会立即返回，而会在BluetoothGattCallback的回调函数中返回。例如discoverServices与onServicesDiscovered回调，readCharacteristic与onCharacteristicRead回调，setCharacteristicNotification与onCharacteristicChanged回调等。