iOS蓝牙知识快速入门(详尽版)

iOS-bluetooth
以前写过几篇蓝牙相关的文章,但是没有涉及扫描、收发指令这些基础功能的实现。所以打算写一篇尽可能详尽的蓝牙知识汇总,一方面给有需要的同学看,一方面是对自己学习蓝牙的一个总结。

这篇文章的目的:教你实现设备的扫描,连接,数据收发,蓝牙数据解析。如果在实现上面任一功能遇到问题时,欢迎留下你的问题,我将进行补充,对于说法有误的地方也请老司机予以指正。

目录

0、思维导图
1、苹果对蓝牙设备有什么要求
2、操作蓝牙设备使用什么库
3、如何扫描
4、如何连接
5、如何发送数据和接收数据
6、如何解析数据
7、扩展

思维导图

思维导图
第一次做图,大家凑合着看哈。这张是我总结的蓝牙知识的结构图,下面的内容将围绕这些东西展开进行。
连接设备流程
这张是蓝牙连接发送数据的流程图,下文进入coding阶段的讲解顺序,大家先有个大概印象,等阅读完本文再回来看这张图将理解的更深一些。

苹果对蓝牙设备有什么要求

BLE:bluetouch low energy,蓝牙4.0设备因为低功耗,所有也叫作BLE。苹果在iphone4s及之后的手机型号开始支持蓝牙4.0,这也是最常见的蓝牙设备。低于蓝牙4.0协议的设备需要进行MFI认证,关于MFI认证的申请工作可以看这里:关于MFI认证你所必须要知道的事情

在进行操作蓝牙设备前,我们先下载一个蓝牙工具LightBlue,它可以辅助我们的开发,在进行蓝牙开发之前建议先熟悉一下LightBlue这个工具。

操作蓝牙设备使用什么库

苹果自身有一个操作蓝牙的库CoreBluetooth.framework,这个是大多数人员进行蓝牙开发的首选框架,除此之外目前github还有一个比较流行的对原生框架进行封装的三方库BabyBluetooth,它的机制是将CoreBluetooth中众多的delegate写成了block方法,有兴趣的同学可以了解下。下面主要介绍的是原生蓝牙库的知识。

中心和外围设备

central-peripheral

如图所示,电脑、Pad、手机作为中心,心跳监听器作为外设,这种中心外设模式是最常见的。简单理解就是,发起连接的是中心设备(Central),被连接的是外围设备(Peripheral),对应传统的客户机-服务器体系结构。Central能够扫描侦听到,正在播放广告包的外设。

服务与特征

外设可以包含一个或多个服务(CBService),服务是用于实现装置的功能或特征数据相关联的行为集合。
而每个服务又对应多个特征(CBCharacteristic),特征提供外设服务进一步的细节,外设,服务,特征对应的数据结构如下所示

CBService-CBCharacteristic

如何扫描蓝牙

在进行扫描之前我们需要,首先新建一个类作为蓝牙类,例如FYBleManager,写成单例,作为处理蓝牙操作的管理类。引入头文件#import <CoreBluetooth/CoreBluetooth.h>
CBCentralManager是蓝牙中心的管理类,控制着蓝牙的扫描,连接,蓝牙状态的改变。

1、初始化

dispatch_queue_t centralQueue = dispatch_queue_create(“centralQueue",DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
    NSDictionary *dic = @{CBCentralManagerOptionShowPowerAlertKey : YES,
    CBCentralManagerOptionRestoreIdentifierKey : @"unique identifier"
};
self.centralManager = [[CBCentralManager alloc] initWithDelegate:self queue:centralQueue options:dic];

CBCentralManagerOptionShowPowerAlertKey对应的BOOL值,当设为YES时,表示CentralManager初始化时,如果蓝牙没有打开,将弹出Alert提示框
CBCentralManagerOptionRestoreIdentifierKey对应的是一个唯一标识的字符串,用于蓝牙进程被杀掉恢复连接时用的。

2、扫描

//不重复扫描已发现设备        
NSDictionary *option = @{CBCentralManagerScanOptionAllowDuplicatesKey : [NSNumber numberWithBool:NO],CBCentralManagerOptionShowPowerAlertKey:YES};        
[self.centralManager scanForPeripheralsWithServices:nil options:option];
- (void)scanForPeripheralsWithServices:(nullable NSArray<CBUUID *> *)serviceUUIDs options:(nullable NSDictionary<NSString *, id> *)options;

扫面方法,serviceUUIDs用于第一步的筛选,扫描此UUID的设备
options有两个常用参数:CBCentralManagerScanOptionAllowDuplicatesKey设置为NO表示不重复扫瞄已发现设备,为YES就是允许。CBCentralManagerOptionShowPowerAlertKey设置为YES就是在蓝牙未打开的时候显示弹框

3、CBCentralManagerDelegate代理方法

在初始化的时候我们调用了代理,在CoreBluetooth中有两个代理,

  • CBCentralManagerDelegate
  • CBPeripheralDelegate

iOS的命名很友好,我们通过名字就能看出,上面那个是关于中心设备的代理方法,下面是关于外设的代理方法。我们这里先研究CBCentralManagerDelegate中的代理方法

- (void)centralManagerDidUpdateState:(CBCentralManager *)central;

这个方法标了@required是必须添加的,我们在self.centralManager初始换之后会调用这个方法,回调蓝牙的状态。状态有以下几种:

typedef NS_ENUM(NSInteger, CBCentralManagerState{
    CBCentralManagerStateUnknown = CBManagerStateUnknown,//未知状态
    CBCentralManagerStateResetting = CBManagerStateResetting,//重启状态
    CBCentralManagerStateUnsupported = CBManagerStateUnsupported,//不支持
    CBCentralManagerStateUnauthorized = CBManagerStateUnauthorized,//未授权
    CBCentralManagerStatePoweredOff = CBManagerStatePoweredOff,//蓝牙未开启
    CBCentralManagerStatePoweredOn = CBManagerStatePoweredOn,//蓝牙启
} NS_DEPRECATED(NA, NA, 5_0, 10_0, "Use CBManagerState instead”);

该枚举在iOS10之后已经废除了,系统推荐使用CBManagerState,类型都是对应的

typedef NS_ENUM(NSInteger, CBManagerState{
    CBManagerStateUnknown = 0,
    CBManagerStateResetting,
    CBManagerStateUnsupported,
    CBManagerStateUnauthorized,
    CBManagerStatePoweredOff,
    CBManagerStatePoweredOn,
} NS_ENUM_AVAILABLE(NA, 10_0);

- (void)centralManager:(CBCentralManager *)central didDiscoverPeripheral:(CBPeripheral *)peripheral advertisementData:(NSDictionary<NSString *, id> *)advertisementData RSSI:(NSNumber *)RSSI;

peripheral是外设类
advertisementData是广播的值,一般携带设备名,serviceUUIDs等信息
RSSI绝对值越大,表示信号越差,设备离的越远。如果想装换成百分比强度,(RSSI+100)/100,(这是一个约数,蓝牙信号值并不一定是-100 - 0的值,但近似可以如此表示)

- (void)centralManager:(CBCentralManager *)central willRestoreState:(NSDictionary<NSString *, id> *)dict;

在蓝牙于后台被杀掉时,重连之后会首先调用此方法,可以获取蓝牙恢复时的各种状态

如何连接

在扫面的代理方法中,我们连接外设名是MI的蓝牙设备

- (void)centralManager:(CBCentralManager *)central didDiscoverPeripheral:(CBPeripheral *)peripheral advertisementData:(NSDictionary *)advertisementData RSSI:(NSNumber *)RSSI{    
    NSLog(@"advertisementData:%@,RSSI:%@",advertisementData,RSSI);      
    if([peripheral.name isEqualToString:@"MI"]){        
    [self.centralManager connectPeripheral:peripheral options:nil];//发起连接的命令       
          self.peripheral = peripheral;     
    }
}

连接的状态
对应另外的CBCentralManagerDelegate代理方法
连接成功的回调

- (void)centralManager:(CBCentralManager *)central didConnectPeripheral:(CBPeripheral *)peripheral;

连接失败的回调

- (void)centralManager:(CBCentralManager *)central didFailToConnectPeripheral:(CBPeripheral *)peripheral error:(nullable NSError *)error;

连接断开的回调

- (void)centralManager:(CBCentralManager *)central didDisconnectPeripheral:(CBPeripheral *)peripheral error:(nullable NSError *)error;

连接成功之后并没有结束,还记得CBPeripheral中的CBServiceCBService中的CBCharacteristic吗,对数据的读写是由CBCharacteristic控制的。我们先用lightblue连接小米手环为例,来看一下,手环内部的数据是不是我们说的那样。

lightblue

其中ADVERTISEMENT DATA显示的就是广播信息。

iOS蓝牙无法直接获取设备蓝牙MAC地址,可以将MAC地址放到这里广播出来

FEEOServiceUUIDs,里面的FF01FF02CBCharacteristic的UUID

Properties是特征的属性,可以看出FF01具有读的权限,FF02具有读写的权限。特征拥有的权限类别有如下几种:

typedef NS_OPTIONS(NSUInteger, CBCharacteristicProperties{
    CBCharacteristicPropertyBroadcast = 0x01,
    CBCharacteristicPropertyRead = 0x02,
    CBCharacteristicPropertyWriteWithoutResponse = 0x04,
    CBCharacteristicPropertyWrite = 0x08,
    CBCharacteristicPropertyNotify = 0x10,
    CBCharacteristicPropertyIndicate = 0x20,
    CBCharacteristicPropertyAuthenticatedSignedWrites = 0x40,
    CBCharacteristicPropertyExtendedProperties = 0x80,
    CBCharacteristicPropertyNotifyEncryptionRequired NS_ENUM_AVAILABLE(NA, 6_0) = 0x100,
    CBCharacteristicPropertyIndicateEncryptionRequired NS_ENUM_AVAILABLE(NA, 6_0) = 0x200};

如何发送并接收数据

通过上面的步骤我们发现CBCentralManagerDelegate提供了蓝牙状态监测、扫描、连接的代理方法,但是CBPeripheralDelegate的代理方法却还没使用。别急,马上就要用到了,通过名称判断这个代理的作用,肯定是跟Peripheral有关,我们进入系统API,看它的代理方法都有什么,因为这里的代理方法较多,我就挑选几个常用的拿出来说明一下。

1、代理方法

//发现服务的回调
- (void)peripheral:(CBPeripheral *)peripheral didDiscoverServices:(nullable NSError *)error;
//发现特征的回调
- (void)peripheral:(CBPeripheral *)peripheral didDiscoverCharacteristicsForService:(CBService *)service error:(nullable NSError *)error;
//读数据的回调
- (void)peripheral:(CBPeripheral *)peripheral didUpdateValueForCharacteristic:(CBCharacteristic *)characteristic error:(nullable NSError *)error;
//是否写入成功的回调
 - (void)peripheral:(CBPeripheral *)peripheral didWriteValueForCharacteristic:(CBCharacteristic *)characteristic error:(nullable NSError *)error;

2、步骤

通过这几个方法我们构建一个流程:连接成功->获取指定的服务->获取指定的特征->订阅指定特征值->通过具有写权限的特征值写数据->在didUpdateValueForCharacteristic回调中读取蓝牙反馈值

解释一下订阅特征值:特征值具有Notify权限才可以进行订阅,订阅之后该特征值的value发生变化才会回调didUpdateValueForCharacteristic

3、实现上面流程的实例代码

//连接成功
- (void)centralManager:(CBCentralManager *)central didConnectPeripheral:(CBPeripheral *)peripheral{
        //连接成功之后寻找服务,传nil会寻找所有服务
        [peripheral discoverServices:nil];
}

//发现服务的回调
- (void)peripheral:(CBPeripheral *)peripheral didDiscoverServices:(NSError *)error{   
    if (!error) {        
        for (CBService *service in peripheral.services) {                
            NSLog(@"serviceUUID:%@", service.UUID.UUIDString);            
            if ([service.UUID.UUIDString isEqualToString:ST_SERVICE_UUID]) {
                        //发现特定服务的特征值               
                [service.peripheral discoverCharacteristics:nil forService:service];            
            }        
        }    
    }
}

//发现characteristics,由发现服务调用(上一步),获取读和写的characteristics
- (void)peripheral:(CBPeripheral *)peripheral didDiscoverCharacteristicsForService:(CBService *)service error:(NSError *)error {    
    for (CBCharacteristic *characteristic in service.characteristics) {        
    //有时读写的操作是由一个characteristic完成        
        if ([characteristic.UUID.UUIDString isEqualToString:ST_CHARACTERISTIC_UUID_READ]) {   
            self.read = characteristic;           
            [self.peripheral setNotifyValue:YES forCharacteristic:self.read];        
        } else if ([characteristic.UUID.UUIDString isEqualToString:ST_CHARACTERISTIC_UUID_WRITE]) {  
             self.write = characteristic;        
        }    
    }
}

//是否写入成功的代理
- (void)peripheral:(CBPeripheral *)peripheral didWriteValueForCharacteristic:(CBCharacteristic *)characteristic error:(NSError *)error{   
    if (error) {        
        NSLog(@"===写入错误:%@",error);    
    }else{        
        NSLog(@"===写入成功");    
    }
}

//数据接收
- (void)peripheral:(CBPeripheral *)peripheral didUpdateValueForCharacteristic:(CBCharacteristic *)characteristic error:(NSError *)error {    
        if([characteristic.UUID.UUIDString isEqualToString:ST_CHARACTERISTIC_UUID_READ]){
        //获取订阅特征回复的数据
        NSData *value = characteristic.value;        
        NSLog(@"蓝牙回复:%@",value);
        }
}

比如我们要获取蓝牙电量,由硬件文档查询得知该指令是**0x1B9901**,那么获取电量的方法就可以写成

- (void)getBattery{
    Byte value[3]={0};
    value[0]=x1B;
    value[1]=x99;
    value[2]=x01;
    NSData * data = [NSData dataWithBytes:&value length:sizeof(value)];
    //发送数据
    [self.peripheral writeValue:data forCharacteristic:self.write type:CBCharacteristicWriteWithoutResponse];
}

如果写入成功,我们将会在didUpdateValueForCharacteristic方法中获取蓝牙回复的信息。

如何解析蓝牙数据

如果你顺利完成了上一步的操作,并且看到了蓝牙返回的数据,那么恭喜你,蓝牙的常用操作你已经了解大半了。因为蓝牙的任务大部分就是围绕发送指令,获取指令,将蓝牙数据呈现给用户。上一步我们已经获取了蓝牙指令,但是获取的却是0x567b0629这样的数据,这是什么意思呢。这时我们参考硬件文档,看到这样一段:

device-document
那么我们就可以得出设备电量是 60%。

对数据解析的流程就是:判断校验和是否正确,是不是一条正确的数据->该条数据是不是我们需要的电量数据,即首字节为0x567b->根据定义规则解析电量,传给view显示。其中第一步校验数据,视情况而定,也有不需要的情况。

扩展

iOS蓝牙中的进制转换
蓝牙固件升级
nRF芯片设备DFU升级

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