BLE简述

蓝牙是一套非常庞大复杂的协议栈，通俗的说就是一组应用于无线系统通信的约定，各个厂家根据这个约定生产出了各种蓝牙设备。由于蓝牙协议栈非常的庞大，很多厂商并不会完全实现蓝牙协议栈的所有功能。Android 4.3以后蓝牙开发一般都是基于低功耗蓝牙BLE4.0，BLE协议是蓝牙协议的子集。

BLE协议结构

上图是BLE协议结构，还是挺复杂的，Android开发人员可能只对GATT这个词有点印象，Android Framework帮我们屏蔽了上述大部分协议细节。Android的bluetooth包提供了BluetoothGattCallback类用来处理蓝牙连接，大致的过程是：

1. 扫描蓝牙

2. connectGatt发起连接

3. 连接成功，扫描服务(Service)

4. 读取属性(Characteristic)和描述信息(Description)
   具体的程序实现网上教程很多，这里不作介绍了，Service、Attribute、Description之间的关系见下图：

Service、Attribute、Description关系

蓝牙模块理论上说可以有许多Profile，不过大多数蓝牙模块就一个；Profile也可以包含很多Service（一般就一个），Service可以包含很多Characteristic（一般不止一个），有的蓝牙包含一个读Characteristic，一个写Characteristic，有的蓝牙读写共用一个Characteristic，Characteristic内部包含一个字节数组Value[]，对于读写Characteristic来说Value[]就是用于收发的数据。Android Ble sdk调用比较麻烦，回调太多了，主要原因就在这里，蓝牙协议层级实在太多了。

BLE开发注意点

Android BLE开发过程中遇到的许多问题，严格来说并不都是Android本身的问题，很多问题来自作为通信目标的蓝牙模块，这些问题都需要开发人员注意：

信号干扰

蓝牙和WIFI都具有在2.4GHz信道通信的能力，某些Android设备蓝牙与Wifi信号会冲突，干扰特别严重，具体表现为蓝牙连接成功后收发数据时丢包和超时。这个问题如果出现了，几乎没有什么解决方案，只能在上层应用做好容错处理。

蓝牙初始化崩溃

这个问题存在于Android4.*的设备，蓝牙扫描设备后会往本地保存扫描记录，但是这个记录有上限，大概是500条，也就是说有搜索过500个不同的蓝牙设备后，手机再调用蓝牙扫描就会崩溃，系统设置里蓝牙扫描也会崩。这个问题影响不大，因为正常用户很难遇到，而且升级到Android 5.0以上就不会出现了。

连接间隔

基本上绝大多数Android蓝牙问题都是因为连接间隔导致的，那么连接间隔是什么呢？

蓝牙通信是基于电磁波的全双工通信，蓝牙通信的双方实际就是在不停的发出广播信号。广播消息意味着所有的设备都能收到消息，那么怎么确认每个消息是谁发给谁的呢？所以蓝牙通信前要先建立蓝牙连接，建立蓝牙连接简单理解的话，其实就是双方协商一致，以同一的步调收发数据，这个收发信号的间隔时间称为连接间隔。IOS蓝牙的连接间隔是20ms，直观的感受就是苹果蓝牙传输比较快；而Android蓝牙的连接时隔各厂商都不一样，有40ms、50ms、70ms等等，都比IOS要大一些。还有非常其怪的：华为2018年以后生产的很多手机型号，正常蓝牙通信时是40ms，但如果同时手机正在进行视频聊天，蓝牙连接间隔就会立即增加到70ms。

蓝牙模块每个连接间隔内收发的数据包有效载荷最大是20字节，写数据时如果往Characteristic里写数据20个字节，多余的数据会丢弃。假设连接间隔是40ms，那么蓝牙模块传输速率就是1000/40*20=500B/s，实在太慢了，BLE协议不适合收发大量数据。

连接间隔本来是一个非常底层的通信概念，Android开发时无法修改连接间隔。按理说开发APP应该不用关心连接间隔才对，就好像往磁盘上保存文件不用关心磁盘的转速一样，但是通信出错排查问题排查到这儿了，我们又不能不重视，这就有点像路由器的MTU一样，有时还真会导致服务器BUG。

连接间隔导致的问题一般都是效率问题，收发数据量太大，数据还没传完就超时了，连接间隔是系统控制的，无法修改，所以这个问题没有什么解决方案，只能在软件设计上做好容错处理，给数据传输留足时间。

连接间隔还会导致一些其怪的丢包问题，这种问题很难排查，好在有蓝牙协议分析仪可以去监听蓝牙信号，不过监听出来了，也没什么解决办法，如果是自研硬件的话，只能在硬件上下点功夫，Android上没有可修改的余地。

BLE与GPS

严格来说BLE与GPS真是一点关系都没有，但是Android很出人意料地将这俩联系在了一起，扫描蓝牙设备必须要申请定位权限！硬说的话，可能是因为蓝牙扫描能够获取信号强度，有了信号强度就可以推算距离，间接的就实现了定位吧！Android Framework其实也提供了不需要定位权限的扫描方法，其实就是非BLE的普通蓝牙扫描，但是这样无法获取scanRecord，也就是说无法得到BLE硬件的service uuid以及广播出来的数据，只能得到目标设备名字，几乎没法用。

另外，申请定位权限了并不表示就一定能扫描蓝牙了，有的Android设备必须要打开GPS定位的开关，否则就是扫描不出来，让人摸不着头脑。有时候Logcat里都系统日志已经打出来蓝牙扫描记录了，但是就是不触发LeScanCallback的回调，这种现象经常出现在vivo手机上。

配对问题

蓝牙协议提供了配对机制，其实就是让蓝牙记住目标设备，下次连接免去了扫描的步骤。其实扫描和配对都不是必须的，只要知道蓝牙设备的MAC地址，就可以直接发起蓝牙连接了（IOS有所差别，只能得到UUID，无法得到MAC地址）。但可能是出于安全考虑，配对之后的设备，蓝牙建立连接时会发起加密申请，询问目标设备是否支持加密通信，哪果目标设备不支持加密又不知道怎么应答，那连接就挂掉了，自研蓝牙设备时需要注意一下。

蓝牙开关问题

Android可以通过程序开启、关闭蓝牙，但是开启蓝牙需要动态权限申请，这倒是小事，交互设计时给个对话框和用户说一下就好了。开启蓝牙的操作即时返回结果的，而开启蓝牙是需要时间的，异步处理，大概几十毫秒，所以enable()后立即扫描蓝牙往往什么也搜不到。这个注意一下就好了，代码里加个延时不费事。一个特别要注意的事情，蓝牙enable()和disable()切记不能频繁操作，否则手机蓝牙会出现一现难琢磨的现象，甚至会被搞死机…而且实践发现，代码里enable()和在蓝牙设置里手动开启蓝牙是不一样的，有的时候enable()后蓝牙死活连不上，但是在系统设置里重新关闭、开启蓝牙就正常了。总之enable()要谨慎使用，有的手机（三星）特娇贵，蓝牙死机了重启手机都不好使。

Android与IOS对比

IOS蓝牙比Android蓝牙要稳定的多，毕竟型号单一嘛。在开发层面，IOS蓝牙不会显示设备MAC地址，其实对用户来说一般不会有查看蓝牙MAC地址的需求。蓝牙性能上，除了传输效率高，IOS蓝牙建立连接也比Android顺畅得多，尤其是蓝牙模块Characteristic很多的时候Android连接时discoverServices()会很慢。

企业采购蓝牙模块千万不能只用iphone做验证，IOS蓝牙实在比Android好太多。IOS上调试蓝牙可以用非常著名的LightBlue，体验非常棒；相应的Android上可以用nRF-Connect，体验差点儿，不过该有的功能都有的。

总结

个人实践来看，Android蓝牙模块稳定性并不高，和4G、wifi模块相比差很远，这其实是用户需求决定的，手机蓝牙确实很少使用，因而手机厂商对蓝牙模块的重视程度也不高，我们多次发现即使同一型号的手机，蓝牙性能也会天差地别，有的连接很稳定，有的丢包特别严重。我们猜测可能手机代工不一样，或者蓝牙模块不是采购自同一供应商。

蓝牙协议之所以被很多厂商所接受，就是因其功能很完善，实现灵活性很高，蓝牙模块只要实现蓝牙协议规定的功能即可，而代码如何写这个就是厂商自己的事情了，所以肯定会有兼容性能问题，兼容性问题总结下来就三个：扫描不到、连接不上、收不到数据，企业采购蓝牙模块一定要做好验收工作。

Anroid蓝牙给开发者的印象多是“不靠谱”，但是用于小规模、短时间数据传输还是非常方便的，比如用于共享单车开锁、智能手环等等。如果需要大规模数据传输的话还是wlan比较靠谱，比如智能摄像头、无人机都是采用wlan传输数据，有的智能硬件会把蓝牙与wifi模块相结合，比如通过蓝牙设置wlan密码接入wifi网络。蓝牙具有的功耗低、体积小的特点，这是很多无线通信方式无法批拟的，因此蓝牙在物联网领域还是大有可为的，开发者如何把充分利用手机蓝牙，我们还需要不断探索。

作者：dxdingdu
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