Android Studio - 藍牙低功耗（BLE）設備連接例子（九十九）

Android Studio - 藍牙低功耗（BLE）設備連接例子（九十九）：

藍牙低功耗（Bluetooth Low Energy / BLE）連接方法和步驟是有點複習，所以利用下面的例子來描述如何連接藍牙低功耗（BLE）？

連接實現的步驟：

1. 通過掃描，試圖發現新設備
2. 確認發現的設備沒有而已軟體，也沒有處於鎖定狀態
3. 發送 Device Address 地址
4. 收到並解讀待配對設備發送過來的資料
5. 建立並保存連接

藍牙低功耗（BLE）的連接

例： 手機 A（Observer）要跟設備 B 建立連接之前，設備 B 需要先進行廣播，即設備 B（Advertiser）不斷發送如下廣播信號，T 為廣播間隔。每發送一次廣播包，我們稱其為一次廣播事件（Advertising Event），因此 T 也稱為廣播事件間隔。藍牙晶片只有在廣播事件期間才打開射頻模組，這個時候功耗比較高，其餘時間藍牙晶片都處於 idle 狀態，因此平均功耗非常低。

設備 B 不斷發送廣播信號給手機（Observer），如果手機不開啟掃描視窗，手機是收不到設備 B 的廣播的，不僅手機要開啟射頻接收視窗，而且只有手機的射頻接收視窗跟廣播發送的發射視窗匹配成功，而且廣播射頻通道和手機掃描射頻通道是同一個通道，手機才能收到設備 B 的廣播信號。

中心（Central/Scanner）和外圍設備（Peripheral/Advertiser）的廣播信號

建立連接（Connection Establishment）：

• 根據藍牙規格規定，Advertiser 發送完一個廣播包之後150us（T_IFS），Advertiser 必須開啟一段時間的射頻Rx視窗，以接收來自 Observer 的資料包。 Observer 就可以在這段時間裡給 Advertiser 發送連接請求。
• 同步手機和設備的時鐘，也就是說，設備每收到手機發來的一個包，都會把自己的時序原點重新設置，以跟手機同步。
• 告訴設備你現在可以傳資料給我了。連接成功後，BLE 通信將變成主從模式，因此把連接發起者（手機）稱為 Master 或者 Central，把被連接者（之前的 Advertiser）稱為 Slave 或者 Peripheral。BLE 通信之所以為主從模式，是因為 Slave 不能隨性給 Master 發資訊，它只有等到 Master 給它發了一個 Packet 後，然後才能在規定的時間把自己的資料回傳給 Master。
• 連接成功後，Master 和 Slave在每一個 Connection Interval開始的時候，都必須交互一次，即 Master 給 Slave 發一個包，Slave 再給 Master 發一個包，整個交互過程稱為一個 Connection Event 或者 Gap Event。。Master 不可能時時刻刻都有資料發給 Slave，所以 Master 大部分時候都是發的空包（Empty Packet）給 Slave。同樣 Slave 也不是時時刻刻都有資料給 Master，因此 Slave 回復給 Master 的包大部分時候也是空包。另外在一個 Connection Event 期間，Master 也可以發多個包給 Slave，以提高吞吐率。

中心（Central/Scanner）和外圍設備（Peripheral/Advertiser）的連接訊號

BLE 裝置位址 (Device Address) ：

在通訊系統當中，Device Address 是用來唯一辨識一個物理設備的，像是 TCP/IP 中的 MAC Address, Bluetooth Classic 的 Bluetooth Device Address。對於 Device Address 來說一個很重要的特性就是唯一性，否則很可能會造成很多問題。
Public Address 屬於一種 48-bit 的 MA-L 類型地址，它的結構為：NN:NN:NN:NN:NN:NN。其中前三個 byte 使用 OUI（Organizationally Unique Identifier），後三個 byte 自由分配。OUI 代表了一個指定的組織機構識別碼，全球已經有許多公司申請了自己的 OUI。開發者可以從 IEEE 網站 https://standards.ieee.org/develop/regauth/oui/oui.csv 下載已被分配的 MA-L 位址。

BLE 結構的組成：

每個 BLE 設備由多個 Profile（GATT）組成
每個 Profile 由多個的 Service 服務組成，Service 用於資料的分類。
每個 Service 由多個 Characteristic 特徵組成，Characteristic用於存放屬性。
每個 Characteristic 由一個 Value 值和多個 Descriptor 描述組成 Descriptor 是對 Value 不同角度的描述和說明，所以有多個 Descriptor。

2023年 1月 27日（Fri）天氣報告

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Android Studio - 藍牙低功耗（BLE）設備連接介紹（九十八）

Android Studio - 藍牙低功耗（BLE）設備連接介紹（九十八）：

藍牙低功耗（Bluetooth Low Energy / BLE）的資料蠻多，要多花時間才可以完全理解，但了解了基本的慨念後，便想了解藍牙低功耗設備如何連接，連接設備是筆者終極目標，因為讀寫資料到藍牙低功耗設備，已經是定立好的目標。

藍牙低功耗（BLE）設備的工作狀態有5種：

1. 待機狀態（Standby）：沒有連接任何設備，沒有傳輸和發送數據。
2. 廣播狀態（Advertiser/advertising）：周期性廣播狀態。
3. 掃描狀態（Scanner/scanning）：主動尋找正在廣播的設備。
4. 發起連接狀態（Initiator/initiating）：主動發起連接。
5. 連接狀態(Connected)：已經連接。

藍牙低功耗（BLE）設備工作狀態

藍牙低功耗的工作模式有：主設備模式，從設備模式，Mesh 組網模式，廣播模式。

BLE設備連接模式

BLE設備有不同類型的連接模式，BLE連接的項目可能具有多達4種不同的功能：

• 廣播者（Broadcaster）：應作為一個伺服器。因此，其目的是定期將數據傳輸到設備，但它不支持任何傳入連接。
• 觀察者（Observer / Scanner）：可以只監視並讀取由廣播者（Broadcaster）發送的數據。在這種情況下，對象無法將任何連接發送到伺服器。
• 中心（Central）：通常由一個智慧型手機或平板電腦。該設備提供兩種不同類型的連接，廣告模式或連接模式。它觸發了數據傳輸，從而引領了整個流程。主從設備的 Center（中心設備，主動連接的一方）主要可以分為 掃描→連接→通訊 三塊內容. 通訊主要包含 read，write，notify/indicate。read 就是讀取設備上的資料(如讀取外設電量)，write 就是發送資料(如發送關閉命令關閉藍牙燈)，notify/indicate 字面意思就是通知/指示，是用來接收設備主動上報的資料的，這樣就達成了雙向通訊。
• 外圍設備（Peripheral）：Peripheral（外設設備，被動連接的一方）主要理解為硬體外設，提供資料用的。允許連接和數據與中央周期性基礎上傳送。該系統的目標是通過使用標準過程來確保通用數據傳輸，以便其他設備也可以讀取和理解數據。
• 注：中央和週邊可以進行配對、連接、資料通信。值得注意的是一個中央可以同時連接多個周邊，但是一個周邊只能連接一個中央。

BLE 設備的連接模式

廣告和連接模式（Advertising）： 藍牙設備傳輸塊以允許廣播數據：這稱為廣播。這些是 31位元組的塊，可包含特定於發送者的信息。它們還用於連接其他設備（通常是掃描儀）。為了提供廣泛的不同功能，存在幾種類型的廣告包（用於具有或不具有連接的直接或間接廣告）。

BLE 設備的連接模式溝通步驟

2023年 1月 26日（Thu）天氣報告

氣溫：41.0°F / 4.0°C @ 07:00

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天氣：多雲

Android Studio - 藍牙低功耗（BLE）GATT （九十七）

Android Studio - 藍牙低功耗（BLE）GATT （九十七）：

藍牙低功耗（Bluetooth Low Energy / BLE）的 Gatt（Generic Attribute Profile）即通用屬性協定，用於在 BLE 鏈路上發送和接收的資料塊。目前所有的 BLE 應用都是基於 GATT，基於 GATT 的應用協議非常簡單，因為所有的功能都是集成在 GATT 終端，這些基於其上的應用協定只是對 GATT 提供的功能的使用。一個設備可以實現多個設定檔。

藍牙低功耗（Bluetooth Low Energy / BLE）的結構

BLE 交互的橋樑是 Service，Characteristic，Descriptor。這三部分都是使用 UUID 來作為唯一標識符加以區分。一個 BLE 終端可以包含多個 Service，一個 Service 可以包含多個 Characteristic，而一個 Characteristic包含一個 value 和多個 Descriptor，一個 Descriptor 只包含一個 value。

Service、Characteristic 和 Descriptor 均有一個唯一的 UUID（Universal Unique IDentifier）標識，UUID 既有 16位元的也有 128位的。16位元的 UUID 是經過藍牙組織認證的，是需要購買的，而128位的 UUID 則可以自訂，當然也有許多通用的 UUID。UUID 格式為：0000ffe1-0000-1000-8000-00805f9b34fb。

GATT Server 與 GATT Client 的連接溝通

• Characteristic：可以理解為一個資料類型，它包括一個 value 和 0 至多個對此 characteristic 的描述（Descriptor）。
• Descriptor：對 Characterisctic 的描述，如範圍、單位等。
• Service：是 Characteristic 的集合，它可以包含多個 Characteristic。
• 重點：一個 BLE 終端可以包含多個 Service，一個 Service 可以包含多個 Characteristic，一個 Characteristic 包含一個 value 和多個 Descriptor，一個 Descriptor 包含一個 value（其中 Characteristic 比較重要，用的比較多）。

Service Characteristic Descriptor 的結構

GATT 通信的雙方是 C/S （Client / Server）關係。外設作為 GATT 服務端（Server），它維持了 ATT 的查閱資料表以及 service 和 characteristic 的定義。中心設備是 GATT 用戶端（Client），它向 Server 發起請求。需要注意的是，所有的通信事件，都是由用戶端（也叫主設備，Master）發起，並且接收服務端（也叫從設備，Slave）的回應。

GATT 通信連接

GATT 連接是獨佔的。也就是一個BLE外設同時只能被一個中心設備連接。一旦外設被連接，它就會馬上停止廣播，這樣它就對其他設備不可見了。當設備斷開，它又開始廣播。

2023年 1月 25日（Wed）天氣報告

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降雨機會：4%

相對濕度：百分之 96%

天氣：霧

Android Studio - 藍牙低功耗（BLE）種類介紹 （九十六）

Android Studio - 藍牙低功耗（BLE）種類介紹 （九十六）：

藍牙低功耗（Bluetooth Low Energy / BLE）是一種技術，從藍牙 4.0 開始支援。BLE 較傳統藍牙具有傳送速率更快，覆蓋範圍更廣，安全性更高，延遲更短，耗電低等優點。藍牙低功耗 4.0 有兩種模式，分別為單模（Bluetooth Smart）和雙模（Bluetooth Smart Ready）兩種設備。

藍牙低功耗（BLE）種類

單模設備（Bluetooth Smart）：

• 只能執行低功耗協議棧，也就是只支援BLE，為了實現極低的功耗，硬體和軟體上都做了優化。這樣的設備只能支援BLE。單模藍牙晶片往往是一個帶有單模藍牙協定棧的產品，這個協定棧是晶片商免費提供的。
• 具有藍牙智慧型（Bluetooth Smart）標識的設備僅支持低功耗藍牙，BLE 多個協議版本（v4.0/4.1/4.2/5.0/5.1/5.2），可以與藍牙智慧型就緒或藍牙智慧型設備通信。

藍牙低功耗（BLE）單模設備（Bluetooth Smart）

雙模設備（Bluetooth Smart Ready）：

• 雙模設備支援藍牙 BR/EDR 和 BLE（支援藍牙所有版本，相容低功耗藍牙及經典藍牙）。在雙模設備中，這兩個技術使用同一個射頻前端和天線。典型的雙模設備有智慧手機、平板電腦、PC 和 Gateway。這些設備可以收到通過BLE或者藍牙 BR/EDR 設備發送過來的資料，這些設備往往都有足夠的供電能力。雙模設備和BLE設備通信的功耗低於雙模設備和藍牙 BR/EDR 設備通信的功耗。雙模解決方案需要一個外部處理器才足以實現藍牙協議棧。
• 具有藍牙智慧型就緒（Bluetooth Smart Ready）標識的外設兼容經典藍牙與低功耗藍牙的雙模。

藍牙低功耗（BLE）雙模設備（Bluetooth Smart Ready）

藍牙低功耗（BLE）的連接

BLE 協定棧（Protocol Stack）主要由如下幾部分組成：

• GATT（Generic Attribute Profile ）：GATT 用來規範 attribute 中的資料內容，並運用 group（分組）的概念對 attribute 進行分類管理。沒有 GATT，BLE 協議棧也能跑，但互聯互通就會出問題，也正是因為有了 GATT 和各種各樣的應用 profile，BLE 擺脫了 ZigBee 等無線協議的相容性困境，成了出貨量最大的 2.4G 無線通訊產品。
• GAP層（Generic access profile）：GAP 是對 LL層 payload（有效資料包）如何進行解析的兩種方式中的一種，而且是最簡單的那一種。GAP簡單的對LL payload 進行一些規範和定義，因此 GAP 能實現的功能極其有限。GAP目前主要用來進行廣播，掃描和發起連接等。
• SMP（Secure manager protocol）：SMP 用來管理BLE連接的加密和安全的，如何保證連接的安全性，同時不影響用戶的體驗，這些都是 SMP 要考慮的工作。
• ATT（Attribute Protocol）：所有資料傳輸經過這層實現，定義了Client 和 Server 屬性，Client 就傳 Request，Server 傳 response。每個屬性都有一個唯一的 UUID，屬性將以characteristics and services的形式傳輸。
• L2CAP層（Logic link control and adaptation protocol）。L2CAP 對 LL 進行了一次簡單封裝，LL 只關心傳輸的資料本身，L2CAP 就要區分是加密通道還是普通通道，同時還要對連接間隔進行管理。
• HCI（Host controller interface）：HCI 是可選的（具體請參考文章： 三種藍牙架構實現方案（藍牙協議棧方案）），HCI 主要用於 2顆晶片實現 BLE 協定棧的場合，用來規範兩者之間的通信協定和通信命令等。
• PHY層（Physical layer 實體層）：PHY 層用來指定 BLE 所用的無線頻段，調製解調方式和方法等。PHY 層做得好不好，直接決定整個BLE晶片的功耗，靈敏度以及 selectivity 等射頻指標。
• LL層（Link Layer 鏈路層）。LL層是整個BLE協議棧的核心，也是 BLE 協議棧的難點和重點。LL層要做的事情非常多，比如具體選擇哪個射頻通道進行通信，怎麼識別空中資料包，具體在哪個時間點把資料包發送出去，怎麼保證資料的完整性，ACK 如何接收，如何進行重傳，以及如何對鏈路進行管理和控制等等。LL層只負責把資料發出去或者收回來，對資料進行怎樣的解析則交給上面的 GAP 或者 GATT。

藍牙協定分為四個層次：

• 實體層：負責提供資料傳輸的物理通道(通常稱為通道)
• 邏輯層：在實體層的基礎上，提供兩個或多個設備之間，和物理無關的邏輯傳輸通道
• L2CAP：L2CAP 是邏輯鏈路控制和適配協議的縮寫，負責管理邏輯層提供的邏輯鏈路
• 應用層：基於 L2CAP 提供的 channel，實現各種各樣的應用功能

BLE 協定棧（Protocol Stack）

2023年 1月 24日（Tue）天氣報告

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相對濕度：百分之 88%

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Android Studio - 藍牙低功耗（BLE）基本介紹 （九十五）

Android Studio - 藍牙低功耗（BLE）基本介紹 （九十五）：

筆者將會開發 Aneng AN9002 藍牙數字萬用錶（Bluetooth Digital Multimeter / DMM）的 Android APK，由於 Aneng AN9002 是使用藍牙低功耗（Bluetooth Low Energy / BLE），也特別購買了 Samsung Galaxy M33 手機作為測試之用，為了加深了解藍牙低功耗，所以便努力在網上爬文研究。

藍牙低功耗（Bluetooth Low Energy / BLE）

藍牙（Bluetooth）技術的自 1998年的 0.7版開始，一直在更新版本，進步使得低功耗藍牙（Bluetooth Low Energy / BLE）應運而生，藍牙低功耗是隨著 2010年的 4.0版本發佈中的核心規範，它具有與傳統藍牙相同的特性，但不同之處在於其非常低的能耗，而且不具備和傳統藍牙BR/EDR的相容性。它是專為小資料率、離散傳輸的應用而設計的。通信距離上也有改變，傳統藍牙的傳輸距離距離 10米或 100米，BLE 則規定為 30米以內，工作在免許可的 2.4GHz ISM（Industrial, Scientific and Medical）射頻頻段，傳輸速度為 1Mbps。

藍牙低功耗（BLE）的 ISM 射頻頻段

藍牙低功耗（Bluetooth Low Energy / Bluetooth LE / BLE）都統稱藍牙低功耗、低功耗藍牙。藍牙低功耗主要是使用在個人的新興應用上，如穿戴設備、手錶、醫療監測、運動監測，家居測量、無人感測器等領域上的應用。藍牙低功耗比較傳統藍牙，旨在保持同等通訊範圍的同時顯著降低功耗和成本。

BLE 的好處：
低功耗 - BLE 的優勢在於其超低功耗，通過大限度減少無線電不必要的操作時間，並確保在短距離內傳輸少量數據。
穩定性 - 使用與傳統藍牙技術相同的自適應跳頻 （AFH） 技術，因而能確保低功耗藍牙能夠在住宅、工業與醫療應用中的「嘈雜」射頻環境中維持穩定的傳輸。
降低成本 - 與其他類似的無線協議和技術相比，BLE 應用較便宜的模塊和芯片組。
兼容性 - BLE 已集成到所有智能手機中，有龐大的設備支持，使用起來更方便。
信用 - BLE 來自行業巨頭聯盟 (IBM、微軟、英特爾…)，這使其具有更好的採用率以及強大的支持。

BLE 的局限性：
低數據吞吐量 - BLE 設備的數據吞吐量為 100-250 千比特/秒，受 PHY 限制 (物理無線電層) 數據速率。
縮小範圍 - 最初設計用於在短距離內定期傳輸少量數據，BLE無疑具有有限的工作範圍。

傳統藍牙 (Bluetooth) 與藍牙低功耗 (BLE) 比較

傳統藍牙與低功耗藍牙比較：

	傳統藍牙 BR/EDR	低功耗藍牙
射頻頻率	2400-2483.5 MHz	2400-2483.5 MHz
距離/範圍（理論最大值）	100米（330英尺）	>100米（>330英尺）
空中數據速率	1–3 Mbit/s	125 kbit/s – 1 Mbit/s – 2 Mbit/s
應用程式吞吐量	0.7–2.1 Mbit/s	0.27 Mbit/s
活躍連線	7	未定義；取決於實現
安全性	56/128位，以及套用層用戶定義	使用Counter Mode CBC-MAC的128位AES，以及套用層用戶定義
深度睡眠電流	~80 μA	<5 μA
閒置電流	~8 mA	~1 mA
功耗	參考值1 W	0.01至0.5 W
峰值電流	22-40 mA	10-30 mA
距離範圍	500m (Class 1) / 50m (Class 2)	100m
最少輸出功率	0 dBm (Class 1) / -6 dBm (Class 2)	-20 dBm
最大輸出功率	+20 dBm (Class 1) / +4 dBm (Class 2)	+10 dBm
接收靈敏度	≥ -70 dBm	≥ -70 dBm
加密	64 bit / 128 bit	AES-128 bit
連接時間	100 ms	3 ms
網路拓撲	Scatternet	Scatternet
跳頻	Yes	Yes
廣播頻度	32	3
數據頻度	79	37
語音能力	Yes	No
定位功能	沒有任何	在場：廣告方向：RSSI 距離：方向尋找 (AoA/AoD)
主要用途	行動電話、遊戲、耳機、立體聲音頻流、智慧型家居、可穿戴設備、汽車、個人電腦、安防、接近感測、醫療保健、運動健身等。	行動電話、遊戲、耳機、立體聲音頻流、智慧型家居、可穿戴設備、汽車、個人電腦、安防、接近感測、醫療保健、運動健身、工業等。

BluetoothLE (BLE) 設備：

設備	支持 BLE 的型號	設備
Android手機和平板電腦	2013 年 7 月發佈，所有搭載 Android 的 Android 手機 4.3 及更高	Android手機和平板電腦
Apple手機	2013年 9月更新推出，一般搭配IOS 7.0及以上系統的手機都是開始支援藍牙 BLE 的。蘋果手機 4 及更高	Apple手機
iPad	iPad 第 3 代及更高版本 iPad mini 及更高版本	iPad
iPod 觸摸	iPod touch 第 5 代及更高版本	iPod 觸摸

參考資料來源：https://www.mokoblue.com/zh-tw/guide-on-bluetooth-low-energy/

2023年 1月 23日（Mon）天氣報告

氣溫：36.0°F / 2.0°C @ 07:00

風速：每小時 2公里

降雨機會：2%

相對濕度：百分之 88%

天氣：多雲

Android Studio - Aneng AN9002 藍牙數字萬用錶（Bluetooth Digital Multimeter）APK（九十四）：

Android Studio - Aneng AN9002 藍牙數字萬用錶（Bluetooth Digital Multimeter）APK（九十四）：

Aneng AN9002 藍牙數字萬用錶（Bluetooth Digital Multimeter / DMM）提供了免費 Android APK，祇需要在網上下載使用，雖然這個 APK 是免費的，但筆者購買萬用錶時已經決定會自行開發讀取 Aneng AN9002 的 Android APK，一來可以有目標而學習，便可以將來自已加入需要的功能，這是個不錯的學習機會。首先是試用這免費的 Android APK。

Aneng AN9002 藍牙數字萬用錶（Bluetooth Digital Multimeter / DMM）APK

網上下載地址：https://play.google.com/store/apps/details?id=com.yscoco.wyboem&hl=en_US&gl=US
開發者：深圳眾儀（Szoyi）
版本：1.0.13 （Updated：Dec 21, 2020 / Released：May 13, 2020）

首先用 Android 手機在 Google Shop 網上下載，下載完成，便可以開始使用，非常簡單。首先按 Bluetooth DMM 的圖示（ICON），進入 APK 程式，程式會顯示推送的消息可能收不到。 你想打開它嗎？ 通知不可用！（The pushed message may not be received. Do you want to open it? Notification Unavailable!），按取消（Cancel），提示顯示便會消失，然後按遊客（Vistor），進入萬用錶讀取數資料。

Aneng AN9002 藍芽數字萬用錶（Bluetooth Digital Multimeter / DMM）APK

進入萬用錶讀取數據資料，開啟 Aneng AN9002 藍芽數字萬用錶（Bluetooth Digital Multimeter）和啟動藍芽裝置，程式便會自動讀取萬用錶數據資料和顯示，APK 可以同時連接 4台藍芽數字萬用錶，按動顯示資料圖示，進入圖示資料和可以紀錄數據。

進入 Aneng AN9002 藍芽數字萬用錶（Bluetooth Digital Multimeter / DMM）APK

在萬用錶讀取數據資料版頁，在左右上角有隱藏菜單（Menu），左上角的是菜單包括有語言（Language）、關於（About）、設置（Setting）、浮框（Floating Windows）、重置密碼（Reset Password）、退出（Log out）的功能，右上角的是管理菜單（Management）包括有歷史記錄（History record）、重命名（Rename）、刪除（Delete）的功能。

Aneng AN9002 藍芽數字萬用錶（Bluetooth Digital Multimeter / DMM）APK 的菜單

左上角的是（Language）、（About）、（Setting）、（Floating Windows）、（Reset Password）、（Log out）的功能。

Aneng AN9002 藍芽數字萬用錶（Bluetooth Digital Multimeter / DMM）APK 子菜單版面

Aneng AN9002 藍芽數字萬用錶（Bluetooth Digital Multimeter / DMM）APK 其它版面

2023年 1月 18日（Wed）天氣報告

氣溫：44.0°F / 7.0°C @ 07:00

風速：每小時 6公里

降雨機會：59%

相對濕度：百分之 87%

天氣：多雲