基于Android的藍(lán)牙全雙工通信技術(shù)研究與實踐

趙敏涯

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 計算機(jī)工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

0 引言

藍(lán)牙技術(shù)有效地簡化了移動通信終端設(shè)備之間的無線短距離通信問題，使得數(shù)據(jù)傳輸更加迅速高效。藍(lán)牙技術(shù)工作在全球通用的2.4 GHz的ISM頻段，使用無須申請許可證，不需要支付任何費(fèi)用，同時具備小體積、低功耗、低成本、高傳輸速率、抗干擾強(qiáng)、組網(wǎng)簡單等特點(diǎn)。因此，藍(lán)牙技術(shù)被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、電腦、汽車醫(yī)療等智能電子產(chǎn)品終端設(shè)備中[1-2]。

藍(lán)牙技術(shù)發(fā)展至今已有20余年，早期的傳統(tǒng)經(jīng)典藍(lán)牙BR/EDR的設(shè)計意圖是打電話時播放音樂，功耗高、數(shù)據(jù)量大、傳輸距離短，主要應(yīng)用于早期的藍(lán)牙耳機(jī)和藍(lán)牙音箱等。隨著藍(lán)牙4.0技術(shù)的出現(xiàn)，低功耗藍(lán)牙BLE成為主流，它更省電、低延遲、傳輸距離更長，區(qū)別于BR/EDR，BLE分為單模和雙模兩種設(shè)備。單模藍(lán)牙稱為Bluetooth Smart，有專有的logo，應(yīng)用于功耗要求低的手表、共享單車鎖、防丟器等小型傳感器穿戴設(shè)備中。雙模藍(lán)牙稱為Bluetooth Smart Ready，也有專有的logo，支持BR/EDR和BLE，應(yīng)用于智能手機(jī)、降噪耳機(jī)、智能電視遙控器等供電穩(wěn)定的移動設(shè)備中。

1 藍(lán)牙通信基本流程

藍(lán)牙技術(shù)建立了一個通用的無線電空中連接平臺級數(shù)據(jù)通信的公共標(biāo)準(zhǔn)，大大促進(jìn)了計算機(jī)技術(shù)和無線通信技術(shù)的融合，讓不同的電子設(shè)備之間可以進(jìn)行近距離連接與數(shù)據(jù)傳輸，而不再需要通信電纜就可實現(xiàn)互聯(lián)互通功能。

藍(lán)牙通信采用時分全雙工傳輸技術(shù)，可以實現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)對多點(diǎn)的無線交互功能。

一個藍(lán)牙終端理論上可以同時連接最多7個藍(lán)牙設(shè)備。要在支持藍(lán)牙技術(shù)的設(shè)備之間進(jìn)行通信，基本的工作流程如圖1所示。

圖1 藍(lán)牙設(shè)備之間的基本通信流程

任何無線通信技術(shù)都存在被監(jiān)聽和破解的可能，因此在進(jìn)行通信之前，設(shè)備之間需要進(jìn)行配對和連接。配對是兩個藍(lán)牙設(shè)備之間的首次通信認(rèn)證，而配對成功之后的通信則不再需要每次確認(rèn)。

2 全雙工藍(lán)牙通信技術(shù)實踐

2.1 整體設(shè)計思路

各藍(lán)牙設(shè)備開啟藍(lán)牙功能，對于沒有配對的設(shè)備，先進(jìn)行兩兩配對。已經(jīng)配對成功的設(shè)備可以作為服務(wù)器開啟服務(wù)端線程，監(jiān)聽一個或多個客戶端設(shè)備的連接請求，連接成功后可以作為服務(wù)端進(jìn)行消息的發(fā)送和接收。同時，配對成功的設(shè)備也可以作為客戶端向指定服務(wù)端設(shè)備發(fā)送連接請求，連接成功后可以作為客戶端進(jìn)行消息的發(fā)送和接收。對于同一個設(shè)備，可以同時扮演客戶端和服務(wù)端的角色。基本通信流程如圖2所示。一個設(shè)備作為客戶端只能同時連接一個服務(wù)端，作為服務(wù)端則可以同時連接多個客戶端。

圖2 藍(lán)牙通信流程

其中，藍(lán)牙的開關(guān)、掃描發(fā)現(xiàn)、配對和連接狀態(tài)通過Android組件的廣播接收器Broadcast Receiver來注冊監(jiān)聽。

2.2 界面設(shè)計

主界面如圖3所示。藍(lán)牙開關(guān)、掃描、服務(wù)端開啟、消息發(fā)送通過按鈕單擊事件設(shè)計實現(xiàn)，發(fā)送雙方的消息顯示在界面中部，所有已配對的、掃描到的未配對設(shè)備顯示在列表控件ListView中，列表項的長按事件改變設(shè)備的配對狀態(tài)，短按即單擊事件用于當(dāng)前設(shè)備作為客戶端向列表中設(shè)備發(fā)送連接請求。

圖3 應(yīng)用主界面

2.3 通信模塊設(shè)計與實現(xiàn)

藍(lán)牙設(shè)備兩兩配對以后就可以進(jìn)行連接通信了。

Android的藍(lán)牙通信系統(tǒng)和Socket套接字密切相關(guān)，藍(lán)牙端的監(jiān)聽接口和TCP的端口類似，都是使用了Socket和ServerSocket類。在服務(wù)端使用Bluetooth ServerSocket類來創(chuàng)建一個開放式監(jiān)聽服務(wù)接口，在客戶端使用一個單獨(dú)的BluetoothSocket類去初始化一個連接并管理該連接。當(dāng)一個BluetoothSocket類的連接對象被BluetoothServerSocket類接收，則返回一個新的BluetoothSocket連接并管理該連接。

連接都是阻塞式的，所以要放在線程里去執(zhí)行。連接成功后，兩臺設(shè)備在相同的串行端口規(guī)范RFCOMM通道通過各自的BluetoothSocket對象中的輸入、輸出流進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[3]。

2.3.1 消息發(fā)送與接收控制

不管是作為服務(wù)端還是客戶端進(jìn)行消息發(fā)送與接收，基本的處理機(jī)制是一樣的，文章提供兩個通用的類方法分別完成消息內(nèi)容的發(fā)送和接收。

消息的基本處理步驟如下：

通用消息收發(fā)工具類MsgUtil{

void sendMsg(String 消息字符串msg){//發(fā)送消息方法頭

開啟線程Thread{

獲取輸出流getOutputStream();

調(diào)用輸出流方法write(msg);

調(diào)用輸出流方法flush()提交數(shù)據(jù);

Android子線程不能直接更新UI，所以返回主線程runOnUiThread(){

在當(dāng)前設(shè)備界面上顯示發(fā)送的msg;

}

}

}

void getMsg(){//接收消息方法頭

開啟線程Thread{

獲取輸入流getInputStream();

循環(huán)讀取輸入字節(jié)流并保存于StringBuffer容器對象中;

Android子線程不能直接更新UI，所以返回主線程runOnUiThread(){

在當(dāng)前設(shè)備界面上顯示接收到的msg;

}

}

}

}

2.3.2 服務(wù)端設(shè)計

作為服務(wù)端主要是監(jiān)聽客戶端連接請求，連接成功后接收來自客戶端的數(shù)據(jù)，需要在線程中進(jìn)行?；咎幚聿襟E如下：

線程類{

構(gòu)造方法{

初始化BluetoothAdapter對象;

獲取BluetoothServerSocket對象;

}

run方法{

監(jiān)聽連接請求accept()，返回BluetoothSocket對象;

調(diào)用MsgUtil類方法getMsg()方法接收客戶端數(shù)據(jù)

}

cancel方法{

圖4 設(shè)備A和設(shè)備C之間的消息收發(fā)

資源釋放;

}

}

2.3.3 客戶端設(shè)計

作為客戶端主要是向服務(wù)端發(fā)送連接請求，連接成功后接收來自服務(wù)端的數(shù)據(jù)，需要在線程中進(jìn)行?；咎幚聿襟E如下：

線程類{

構(gòu)造方法{

獲取服務(wù)端設(shè)備BluetoothDevice對象

獲取BluetoothSocket對象;

}

run方法{

發(fā)送連接請求connect();

調(diào)用MsgUtil類方法getMsg()方法接收服務(wù)端數(shù)據(jù)}

cancel方法{

資源釋放;

}

}

3 藍(lán)牙通信測試

筆者使用一臺Android 11系統(tǒng)的vivo X60手機(jī)作為設(shè)備A，一臺HarmonyOS 2.0.0系統(tǒng)的華為平板電腦M6作為設(shè)備C進(jìn)行通信測試。

兩臺設(shè)備都可以具備服務(wù)端和客戶端雙重角色。如圖4所示，任何一臺設(shè)備都可以作為服務(wù)端或者客戶端發(fā)送和接收消息，并能正確地顯示在界面上，從而實現(xiàn)了雙向全雙工數(shù)據(jù)通信，而且即使設(shè)備沒有互聯(lián)網(wǎng)連接，也可以進(jìn)行消息收發(fā)。

4 結(jié)語

藍(lán)牙作為短距離無線傳輸技術(shù)之一，有其自己的優(yōu)勢和應(yīng)用領(lǐng)域，如無需互聯(lián)網(wǎng)連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，支持較大的文件傳輸，成本低，安全性高等。Android系統(tǒng)從4.3開始支持低功耗藍(lán)牙，有完備的協(xié)議棧和應(yīng)用程序框架層的SDK包，使得基于Android藍(lán)牙技術(shù)的開發(fā)越來越便捷。文章就是在此基礎(chǔ)上設(shè)計實現(xiàn)了具備一定社交功能的藍(lán)牙全雙工通信功能模塊，并盡可能簡化代碼，提高程序復(fù)用性，實踐結(jié)果表明效果良好，在缺乏網(wǎng)絡(luò)等情況下有一定的應(yīng)用價值。