Kotlin蓝牙低能耗设备交互方案
Kotlin 与蓝牙低能耗设备交互基础
蓝牙低能耗（BLE）简介
蓝牙低能耗（Bluetooth Low Energy，BLE），也被称为蓝牙 4.0 或蓝牙 Smart，是一种短距离、低功耗的无线通信技术。与传统蓝牙相比，BLE 旨在显著降低功耗，同时仍保持一定的数据传输速率，适用于对功耗敏感的设备，如健身追踪器、智能手表、传感器等。BLE 设备通常工作在 2.4GHz 的 ISM 频段，采用时分复用（TDM）的方式进行通信。
BLE 设备角色主要分为中心设备（Central）和外围设备（Peripheral）。中心设备负责发起连接并读取或写入外围设备的数据，而外围设备则提供数据供中心设备访问。例如，智能手表可以作为外围设备，向作为中心设备的手机传输心率数据。
Kotlin 与 BLE 交互的优势
Kotlin 作为一种现代编程语言，与 BLE 交互具有诸多优势。首先，Kotlin 简洁的语法可以减少代码量，使 BLE 交互代码更易读和维护。例如，在处理 BLE 连接状态变化时，Kotlin 的简洁语法能更清晰地表达逻辑。其次，Kotlin 与 Java 兼容，这意味着可以直接使用大量现有的 Java BLE 库，同时利用 Kotlin 的特性进行优化。另外，Kotlin 的空安全特性在处理 BLE 交互中可能出现的空指针异常时非常有用，因为 BLE 操作中涉及到许多可能为空的对象，如蓝牙设备、服务、特征等。
安卓开发环境配置
- SDK 版本：确保你的安卓项目的
minSdkVersion至少为 18，因为蓝牙低能耗支持从安卓 4.3（API 级别 18）开始。在build.gradle文件中，可以看到类似如下配置：
android {
compileSdkVersion 33
defaultConfig {
applicationId "com.example.bleapp"
minSdkVersion 18
targetSdkVersion 33
versionCode 1
versionName "1.0"
testInstrumentationRunner "androidx.test.runner.AndroidJUnitRunner"
}
buildTypes {
release {
minifyEnabled false
proguardFiles getDefaultProguardFile('proguard-android-optimize.txt'), 'proguard-rules.pro'
}
}
compileOptions {
sourceCompatibility JavaVersion.VERSION_1_8
targetCompatibility JavaVersion.VERSION_1_8
}
kotlinOptions {
jvmTarget = '1.8'
}
}
- 权限配置：在
AndroidManifest.xml文件中，需要添加蓝牙相关权限：
<uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH" />
<uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH_ADMIN" />
<uses-permission android:name="android.permission.ACCESS_FINE_LOCATION" />
ACCESS_FINE_LOCATION 权限在安卓 6.0（API 级别 23）及以上是必需的，因为 BLE 扫描需要获取设备位置信息。同时，还需要在运行时动态请求权限：
private fun requestLocationPermission() {
if (ContextCompat.checkSelfPermission(this, Manifest.permission.ACCESS_FINE_LOCATION) != PackageManager.PERMISSION_GRANTED) {
ActivityCompat.requestPermissions(this, arrayOf(Manifest.permission.ACCESS_FINE_LOCATION), LOCATION_PERMISSION_REQUEST_CODE)
}
}
在 onRequestPermissionsResult 方法中处理权限请求结果：
override fun onRequestPermissionsResult(requestCode: Int, permissions: Array<out String>, grantResults: IntArray) {
super.onRequestPermissionsResult(requestCode, permissions, grantResults)
if (requestCode == LOCATION_PERMISSION_REQUEST_CODE) {
if (grantResults.isNotEmpty() && grantResults[0] == PackageManager.PERMISSION_GRANTED) {
// 权限授予，可进行 BLE 扫描
} else {
// 权限拒绝处理
}
}
}
蓝牙设备的扫描与连接
获取蓝牙适配器
在 Kotlin 中，首先要获取系统的蓝牙适配器。蓝牙适配器是与蓝牙设备进行交互的入口点。可以通过 BluetoothManager 来获取蓝牙适配器：
val bluetoothManager = getSystemService(Context.BLUETOOTH_SERVICE) as BluetoothManager
val bluetoothAdapter = bluetoothManager.adapter
if (bluetoothAdapter == null ||!bluetoothAdapter.isEnabled) {
val enableBtIntent = Intent(BluetoothAdapter.ACTION_REQUEST_ENABLE)
startActivityForResult(enableBtIntent, REQUEST_ENABLE_BT)
}
上述代码中，先通过 BluetoothManager 获取 BluetoothAdapter，如果蓝牙适配器为空或蓝牙未启用，则弹出一个请求启用蓝牙的对话框。REQUEST_ENABLE_BT 是一个自定义的请求码，用于在 onActivityResult 方法中处理蓝牙启用结果。
扫描 BLE 设备
安卓提供了 BluetoothLeScanner 来扫描 BLE 设备。以下是一个简单的扫描示例：
private val bluetoothLeScanner: BluetoothLeScanner = bluetoothAdapter.bluetoothLeScanner
private val scanCallback = object : ScanCallback() {
override fun onScanResult(callbackType: Int, result: ScanResult) {
super.onScanResult(callbackType, result)
val bluetoothDevice = result.device
// 处理扫描到的设备，例如添加到列表中显示
}
override fun onBatchScanResults(results: MutableList<ScanResult>) {
super.onBatchScanResults(results)
for (result in results) {
val bluetoothDevice = result.device
// 处理批量扫描到的设备
}
}
override fun onScanFailed(errorCode: Int) {
super.onScanFailed(errorCode)
// 处理扫描失败情况
}
}
fun startScan() {
val scanSettings = ScanSettings.Builder()
.setScanMode(ScanSettings.SCAN_MODE_LOW_POWER)
.build()
val scanFilters = mutableListOf<ScanFilter>()
bluetoothLeScanner.startScan(scanFilters, scanSettings, scanCallback)
}
fun stopScan() {
bluetoothLeScanner.stopScan(scanCallback)
}
在上述代码中，startScan 方法配置了扫描设置，包括扫描模式为低功耗模式，并启动扫描。scanCallback 是一个 ScanCallback 的实例，用于处理扫描结果、批量扫描结果以及扫描失败的情况。stopScan 方法用于停止扫描。
连接 BLE 设备
一旦扫描到目标 BLE 设备，就可以尝试连接它。连接过程通过 BluetoothGatt 来实现。以下是连接设备的代码示例：
private var bluetoothGatt: BluetoothGatt? = null
fun connect(device: BluetoothDevice) {
bluetoothGatt = device.connectGatt(this, false, object : BluetoothGattCallback() {
override fun onConnectionStateChange(gatt: BluetoothGatt, status: Int, newState: Int) {
super.onConnectionStateChange(gatt, status, newState)
if (newState == BluetoothProfile.STATE_CONNECTED) {
gatt.discoverServices()
} else if (newState == BluetoothProfile.STATE_DISCONNECTED) {
// 处理断开连接情况
}
}
override fun onServicesDiscovered(gatt: BluetoothGatt, status: Int) {
super.onServicesDiscovered(gatt, status)
// 处理发现服务的情况
}
})
}
在 connect 方法中，调用 device.connectGatt 方法来连接设备，并传入一个 BluetoothGattCallback 实例。在 BluetoothGattCallback 中，onConnectionStateChange 方法用于处理连接状态的变化，当连接成功（newState == BluetoothProfile.STATE_CONNECTED）时，调用 gatt.discoverServices() 方法来发现设备上的服务。onServicesDiscovered 方法在服务发现完成后被调用。
BLE 服务与特征交互
服务与特征概述
BLE 设备通过服务（Service）和特征（Characteristic）来提供数据和功能。服务是一组相关特征的集合，而特征则包含实际的数据值以及对该数据的操作权限。例如，一个心率监测设备可能有一个“心率服务”，该服务包含一个“心率测量特征”。每个特征可以有不同的属性，如可读、可写、可通知等。
发现服务与特征
在连接设备并调用 discoverServices 方法后，会在 onServicesDiscovered 方法中获取设备的服务和特征。以下是获取服务和特征的代码示例：
override fun onServicesDiscovered(gatt: BluetoothGatt, status: Int) {
super.onServicesDiscovered(gatt, status)
val services = gatt.services
for (service in services) {
val characteristics = service.characteristics
for (characteristic in characteristics) {
// 处理每个特征，例如根据 UUID 判断特征用途
val uuid = characteristic.uuid
if (uuid == UUID.fromString(SOME_CHARACTERISTIC_UUID)) {
// 特定特征处理
}
}
}
}
上述代码中，通过 gatt.services 获取设备的所有服务，然后遍历每个服务获取其特征。可以根据特征的 UUID 来判断特征的用途，并进行相应的处理。
读取特征值
读取特征值是与 BLE 设备交互的常见操作之一。以下是读取特征值的代码示例：
fun readCharacteristic(characteristic: BluetoothGattCharacteristic) {
bluetoothGatt?.readCharacteristic(characteristic)
}
override fun onCharacteristicRead(gatt: BluetoothGatt, characteristic: BluetoothGattCharacteristic, status: Int) {
super.onCharacteristicRead(gatt, characteristic, status)
if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
val value = characteristic.value
// 处理读取到的特征值
}
}
在 readCharacteristic 方法中，调用 bluetoothGatt?.readCharacteristic(characteristic) 来发起读取操作。在 onCharacteristicRead 方法中，当读取成功（status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS）时，获取特征值并进行处理。
写入特征值
写入特征值可以向 BLE 设备发送数据。例如，向智能灯发送控制指令。以下是写入特征值的代码示例：
fun writeCharacteristic(characteristic: BluetoothGattCharacteristic, value: ByteArray) {
characteristic.value = value
bluetoothGatt?.writeCharacteristic(characteristic)
}
override fun onCharacteristicWrite(gatt: BluetoothGatt, characteristic: BluetoothGattCharacteristic, status: Int) {
super.onCharacteristicWrite(gatt, characteristic, status)
if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
// 处理写入成功情况
}
}
在 writeCharacteristic 方法中，先设置特征的 value，然后调用 bluetoothGatt?.writeCharacteristic(characteristic) 进行写入操作。在 onCharacteristicWrite 方法中，处理写入成功的情况。
特征通知
特征通知允许 BLE 设备主动向中心设备发送数据，而无需中心设备不断读取。例如，心率监测设备可以通过特征通知实时向手机发送心率数据。以下是设置特征通知的代码示例：
fun setCharacteristicNotification(characteristic: BluetoothGattCharacteristic, enabled: Boolean) {
bluetoothGatt?.setCharacteristicNotification(characteristic, enabled)
val descriptor = characteristic.getDescriptor(UUID.fromString(BluetoothGattDescriptor.UUID_CLIENT_CHARACTERISTIC_CONFIG))
descriptor.value = if (enabled) BluetoothGattDescriptor.ENABLE_NOTIFICATION_VALUE else BluetoothGattDescriptor.DISABLE_NOTIFICATION_VALUE
bluetoothGatt?.writeDescriptor(descriptor)
}
override fun onDescriptorWrite(gatt: BluetoothGatt, descriptor: BluetoothGattDescriptor, status: Int) {
super.onDescriptorWrite(gatt, descriptor, status)
if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
// 处理描述符写入成功情况，通知设置生效
}
}
override fun onCharacteristicChanged(gatt: BluetoothGatt, characteristic: BluetoothGattCharacteristic) {
super.onCharacteristicChanged(gatt, characteristic)
val value = characteristic.value
// 处理通知数据
}
在 setCharacteristicNotification 方法中，先调用 bluetoothGatt?.setCharacteristicNotification(characteristic, enabled) 设置是否启用通知，然后获取特征的描述符并设置相应的值，最后调用 bluetoothGatt?.writeDescriptor(descriptor) 写入描述符。在 onDescriptorWrite 方法中处理描述符写入成功的情况。当设备有通知数据时，会调用 onCharacteristicChanged 方法，在该方法中处理通知数据。
处理连接状态与异常
连接状态管理
在与 BLE 设备交互过程中，连接状态可能会发生变化，如连接成功、连接失败、断开连接等。通过 BluetoothGattCallback 的 onConnectionStateChange 方法来管理连接状态：
override fun onConnectionStateChange(gatt: BluetoothGatt, status: Int, newState: Int) {
super.onConnectionStateChange(gatt, status, newState)
when (newState) {
BluetoothProfile.STATE_CONNECTED -> {
// 连接成功处理，例如发现服务
gatt.discoverServices()
}
BluetoothProfile.STATE_CONNECTING -> {
// 连接中处理
}
BluetoothProfile.STATE_DISCONNECTED -> {
// 断开连接处理，例如尝试重新连接
if (shouldAutoReconnect) {
reconnect()
}
}
BluetoothProfile.STATE_DISCONNECTING -> {
// 正在断开连接处理
}
}
}
在上述代码中，根据 newState 的值进行不同的处理。连接成功时发现服务，断开连接时可根据需要尝试重新连接。
异常处理
在 BLE 交互中，可能会遇到各种异常情况，如扫描失败、连接失败、服务发现失败等。在 BluetoothGattCallback 的相应方法中处理异常：
override fun onScanFailed(errorCode: Int) {
super.onScanFailed(errorCode)
when (errorCode) {
ScanSettings.SCAN_FAILED_ALREADY_STARTED -> {
// 扫描已在进行中异常处理
}
ScanSettings.SCAN_FAILED_APPLICATION_REGISTRATION_FAILED -> {
// 应用注册失败异常处理
}
ScanSettings.SCAN_FAILED_FEATURE_UNSUPPORTED -> {
// 功能不支持异常处理
}
ScanSettings.SCAN_FAILED_INTERNAL_ERROR -> {
// 内部错误异常处理
}
}
}
override fun onConnectionStateChange(gatt: BluetoothGatt, status: Int, newState: Int) {
super.onConnectionStateChange(gatt, status, newState)
if (status != BluetoothGatt.GATT_SUCCESS && newState == BluetoothProfile.STATE_DISCONNECTED) {
// 连接失败断开处理
}
}
override fun onServicesDiscovered(gatt: BluetoothGatt, status: Int) {
super.onServicesDiscovered(gatt, status)
if (status != BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
// 服务发现失败处理
}
}
在 onScanFailed 方法中，根据不同的 errorCode 处理扫描失败异常。在 onConnectionStateChange 和 onServicesDiscovered 方法中，处理连接失败和服务发现失败的异常情况。
优化与最佳实践
功耗优化
由于 BLE 设备对功耗敏感，在与 BLE 设备交互时要注意功耗优化。
- 扫描策略：尽量使用低功耗扫描模式，如
ScanSettings.SCAN_MODE_LOW_POWER。同时，合理控制扫描时间，避免长时间持续扫描。可以设置一个扫描周期，例如每隔一段时间扫描一次，而不是一直扫描。 - 连接管理：在不需要与设备交互时，及时断开连接。避免长时间保持连接状态，因为即使没有数据传输，连接也会消耗一定的电量。可以在应用进入后台时断开连接，在回到前台时重新连接。
- 特征通知：如果设备支持特征通知，尽量使用通知来获取数据，而不是频繁读取特征值。通知方式可以减少设备间的数据传输次数，从而降低功耗。
代码结构优化
为了使代码更易读和维护，对 BLE 交互代码进行结构优化。
- 封装 BLE 操作：将 BLE 设备的扫描、连接、读写等操作封装成独立的方法或类。例如，可以创建一个
BluetoothLeManager类，将所有 BLE 相关操作放在该类中，这样在主业务逻辑中调用起来更加清晰。 - 使用回调或 RxJava：使用回调机制或 RxJava 来处理 BLE 操作的结果和状态变化。回调机制可以使代码逻辑更清晰，而 RxJava 可以方便地处理异步操作和事件流，提高代码的可组合性和可维护性。例如，使用 RxJava 可以将扫描、连接、发现服务等操作组合成一个链式调用，使代码更加简洁。
兼容性处理
不同的安卓设备和 BLE 设备在实现上可能存在差异，需要进行兼容性处理。
- 设备测试：在开发过程中，尽可能在多种安卓设备和 BLE 设备上进行测试，确保应用在不同设备上都能正常工作。不同厂商的设备可能对 BLE 规范的实现存在细微差别，通过广泛测试可以发现并解决兼容性问题。
- 版本兼容性：考虑安卓系统版本的兼容性。虽然 BLE 从安卓 4.3 开始支持，但不同版本可能存在一些 API 差异或行为变化。例如，在安卓 6.0 及以上需要动态请求位置权限，在处理时要进行版本判断并采取相应的措施。
通过以上功耗优化、代码结构优化和兼容性处理等最佳实践，可以提高 Kotlin 与 BLE 设备交互的稳定性和性能，为用户提供更好的体验。在实际开发中，还需要根据具体的应用场景和需求，进一步优化和完善 BLE 交互方案。