廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院 陳志崇 張 祺

1.引言

隨著電子技術(shù)的不斷進步，手持式終端越來越輕便，性能卻越來越好。同時，手持式終端在物聯(lián)網(wǎng)方面的應(yīng)用十分廣泛。作為當今市場廣泛、功能最豐富且安全的藍牙技術(shù)。首先，藍牙技術(shù)包含了傳感器技術(shù)、識別技術(shù)、移動通信技術(shù)等，這些技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)密切相關(guān)[1]。其次，藍牙的低功耗被看作消費電子產(chǎn)品、體育、健康護理、汽車、自動化等領(lǐng)域一大技術(shù)突破，也是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要組成部分。作為手持終端的Android操作系統(tǒng)在三年多的時間里，高速發(fā)展，特別是Android的開放性，大大降低了品的成本，Android 4.0版本對于平板電腦的支持，奠定了它在移動系統(tǒng)市場的主流地位。本文通過詳細分析藍牙技術(shù)以及Android Bluetooth APIs，設(shè)計出基于Android平臺的藍牙通信接口。

2.Android操作系統(tǒng)

Android一詞的本義指“機器人”，同時也是Google于2007年11月5日宣布的基于Linux平臺的開源手機操作系統(tǒng)的名稱，該平臺由操作系統(tǒng)、中間件、用戶界面和應(yīng)用軟件組成，號稱是首個為移動終端打造的真正開放和完整的移動軟件。目前，最新版本為Android 4.1 Ice Cream Sandwich[2]。

Android操作系統(tǒng)架構(gòu)從下到上分為5部分：Linux內(nèi)核、Android Runtime、庫、應(yīng)用程序框架和應(yīng)用程序。

（1）Linux內(nèi)核

Android是基于Linux 3.0內(nèi)核，它提供了例如安全機制、內(nèi)存管理、進程管理、網(wǎng)絡(luò)堆棧、驅(qū)動模塊等內(nèi)容。Linux Kernel也作為硬件和軟件之間的抽象層，它隱藏具體硬件細節(jié)而為上層提供統(tǒng)一的服務(wù)，使應(yīng)用開發(fā)人員無需關(guān)心硬件細節(jié)[3]。

（2）Android Runtime

Android包含一個核心庫的集合，提供大部分在Java編程語言核心類庫中可用的功能。

（3）Libraries

Android包含一個C／C++庫的集合，這些庫供Android系統(tǒng)的不同組件使用。這些功能通過Android的應(yīng)用程序框架(Application Framework)暴露給開發(fā)者。

（4）Application Framework

通過提供開放的開發(fā)平臺，Android使開發(fā)者能夠編制極其豐富和新穎的應(yīng)用程序。

（5）應(yīng)用層(Applications)

Android裝配一個核心應(yīng)用程序集合。所有應(yīng)用程序都是用Java編程語言寫的。

Android作為一款完整的、開放的、免費的平臺，在僅僅幾年多的時間就占據(jù)了移動市場的大半份額。隨著Google在4.0以后的版本中對手機和平板電腦的歸一管理，Android會變得越來越完善。

3.藍牙技術(shù)

3.1 概念

藍牙是一個開放性的。短距離無線通信技術(shù)標準，它可以用于在較小的范圍內(nèi)通過無線連接的方式實現(xiàn)固定設(shè)備以及移動設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)互連，可以在各種數(shù)字設(shè)備之間實現(xiàn)靈活、安全、低成本、小功耗的話音和數(shù)據(jù)通信。藍牙技術(shù)可以方便地嵌入到單一的CMOS芯片中，因此它特別適用于小型的移動終端。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

（1）跳頻技術(shù)

藍牙的載頻選用全球通用的2.45GHz ISM頻段，由于2.45GHz的頻段是對所有無線電系統(tǒng)都開放的頻段，因此使用其中的任何一個頻段都有可能遇到不可預(yù)測的干擾源。采用跳頻擴譜技術(shù)是避免干擾的一項有效措施。

（2）微微網(wǎng)和分散網(wǎng)

當兩個藍牙設(shè)備成功建立鏈路后，一個微微網(wǎng)便形成了，兩者之間的通信通過無線電波在信道中隨機跳轉(zhuǎn)而完成。藍牙給每個微微網(wǎng)提供特定的跳轉(zhuǎn)模式，因此它允許大量的微微網(wǎng)同時存在，同一區(qū)域內(nèi)多個微微網(wǎng)的互聯(lián)形成了分散網(wǎng)。不同的微微網(wǎng)信道有不同的主單元，因而存在不同的跳轉(zhuǎn)模式。

（3）安全性

藍牙技術(shù)的無線傳輸特性使它非常容易受到攻擊，因此安全機制在藍牙技術(shù)中顯得尤為重要。雖然藍牙系統(tǒng)所采用的跳頻技術(shù)已經(jīng)提供了一定的安全保障，但是藍牙系統(tǒng)仍然需要鏈路層和應(yīng)用層的安全管理。

（4）糾錯技術(shù)

藍牙系統(tǒng)的糾錯機制分為FEC和包重發(fā)。為了減少復(fù)雜性，使開銷和無效重發(fā)為最小，藍牙執(zhí)行快ARQ結(jié)構(gòu)。ARQ結(jié)構(gòu)分為：停止等待ARQ、向后N個ARQ、重復(fù)選擇ARQ和混合結(jié)構(gòu)。

3.3 藍牙在Android的應(yīng)用

（1）文件傳輸

兩臺具備藍牙的Android設(shè)備之間可以通過藍牙協(xié)議實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的交換，上層軟件之間需要定義好文件的格式。使用藍牙傳輸無需定義傳輸參數(shù)，只需配對設(shè)備即可創(chuàng)建數(shù)據(jù)鏈路建立連接。

（2）工業(yè)控制

通過Android手持終端可以對工業(yè)設(shè)備進行安全、穩(wěn)定、可靠的無線控制。工業(yè)設(shè)備安裝藍牙模塊即可與手持終端完成配對，用戶可以利用手持設(shè)備對機器進行參數(shù)的設(shè)定和修改，可以監(jiān)控設(shè)備的運行狀態(tài)。

（3）智能家用電器

越來越多的家用電器具備藍牙功能，Android終端可以通過藍牙進行無線控制電器運行。甚至各個電器終端組成一個藍牙無線局域網(wǎng)，終端之間共享信息實現(xiàn)更為強大的功能[4]。

4.Android的藍牙APIs

藍牙無線技術(shù)是當今市場上支持范圍最廣泛，功能最豐富且安全的無線標準。Android平臺支持藍牙網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，允許設(shè)備之間通過無線方式交換數(shù)據(jù)。Android應(yīng)用程序框架層提供了Android Bluetooth APIs給用戶使用藍牙功能。通過這些APIs各個設(shè)備的應(yīng)用程序之間可以實現(xiàn)無線連接，啟用點對點和多點的無線功能[5]。

應(yīng)用程序使用藍牙APIs可以按如下操作：

（1）掃描其他藍牙設(shè)備

（2）查詢與本地藍牙設(shè)配器配對的設(shè)備

（3）建立RFCOMM信道

（4）通過發(fā)現(xiàn)服務(wù)連接到其他設(shè)備

（5）設(shè)備間傳輸數(shù)據(jù)

（6）管理多個藍牙連接

相關(guān)APIs介紹：

Bluetooth Adapter類：表示本地藍牙適配器，是所有藍牙交互的入口。通過它你可以發(fā)現(xiàn)其他設(shè)備，查詢配對列表，使用已知的MAC地址實例化一個Bluetooth Device對象和創(chuàng)建一個Bluetooth Server Socket對象來監(jiān)聽來自其他設(shè)備的連接。

Bluetooth Device類：表示一個遠端的藍牙設(shè)備。通過它請求與遠端設(shè)備的連接或查詢設(shè)備的信息，例如：設(shè)備的名稱、地址、種類、綁定狀態(tài)。

Bluetooth Socket類：表示一個藍牙的套接字的接口。它是應(yīng)用程序通過輸入、輸出流與其他設(shè)備通信的端口。

要在Android應(yīng)用程序中使用藍牙特性，必須聲明兩個藍牙權(quán)限：

5.藍牙收發(fā)程序設(shè)計

5.1 概述

本程序主要用到Android系統(tǒng)組件為Activity和一個BluetoothService類，并實現(xiàn)了android下的多線程編程[6][7]。在Android的設(shè)計中，每個Activity都是一個獨立的進程，程序中BluetoothService實例會創(chuàng)建兩個線程，一個用作接收數(shù)據(jù)，另一個用作發(fā)送，同時還要與Activity通信（更新數(shù)據(jù)顯示），就是跨線程通信，這時就需要Android下的Handler機制。在Android中提供了一種異步回調(diào)機制Handler，主要接受子線程發(fā)送的數(shù)據(jù)，并用此數(shù)據(jù)配合主線程更新UI。

在程序的構(gòu)建過程中使用了MVC模式，采用分層的結(jié)構(gòu)，具體分為表示層、控制層和數(shù)據(jù)交換層，對應(yīng)MVC設(shè)計模式中的View、Controller和Model[8]。

表示層向用戶展示模型的狀態(tài)，在本軟件中是以Activity的顯示控件View類所展現(xiàn)，一般以layout文件夾下的布局文件承載。它主要用來顯示接收數(shù)據(jù)、打開藍牙可見性及搜索藍牙設(shè)備。

控制層主要負責協(xié)調(diào)表示層與數(shù)據(jù)交換層的交互。一方面將表示層的調(diào)用請求傳到數(shù)據(jù)交換層，另一方面將數(shù)據(jù)交換層接收的數(shù)據(jù)反應(yīng)到表示層。

數(shù)據(jù)交換層，封裝了大部分藍牙數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵牟僮?，如?chuàng)建socket創(chuàng)建通道、傳輸數(shù)據(jù)、處理輸入輸出流等。

整個系統(tǒng)通過采用MVC設(shè)計模式，對整個系統(tǒng)進行了分層，使程序邏輯清晰易懂、代碼更加健壯、事件處理高效。

5.2 具體實現(xiàn)

表示層，主要使用一個View類將接收的數(shù)據(jù)以圖形化的方式顯示給用戶。同時建立一個菜單讓用戶可以使用搜索藍牙、瀏覽配對設(shè)備，增加一個ListView用于顯示配對的藍牙設(shè)備，當用戶選擇某一個設(shè)備時通過Bluetooth-Service對象建立連接。

控制層，主要是藍牙管理，數(shù)據(jù)更新操作，發(fā)送數(shù)據(jù)。

藍牙管理，首先判斷設(shè)備是否支持藍牙，并且可用：

mBluetoothAdapter=BluetoothAdapter.getDefaltAdapter()；

如果mBluetoothAdapter不為空，則藍牙可用，繼續(xù)判斷藍牙是否打開，沒有則跳轉(zhuǎn)打開藍牙：

Intent enableIntent=new Intent(BluetoothAdapter.ACTION_REQUEST_ENABLE)；

startActivityForResult(enableInte nt，REQUEST_ENABLE_BT)；

至此，藍牙已可用。

打開藍牙后，接下來是配對設(shè)備。首先搜索藍牙設(shè)備，創(chuàng)建一個用來存儲搜索到的藍牙設(shè)備BluetoothDevice的List。然后注冊搜索已完成和發(fā)現(xiàn)設(shè)備兩個接收器BroadcastReceiver。通過創(chuàng)建一個線程來控制藍牙設(shè)備的搜索，當搜索中有觸發(fā)BroadcastReceiver的事件，就直接傳遞到BroadcastReceiver進行保存。最后將所有搜索到的BluetoothDevices保存顯示在ListView中。當用戶選擇某個Device時，系統(tǒng)會調(diào)用BluetoothService類的Connect方法進行藍牙連接。

同時系統(tǒng)會注冊一個Handler類用于刷新數(shù)據(jù)顯示。如果下層有數(shù)據(jù)傳入，就會調(diào)用handleMessage方法進行刷新操作。

交互層，主要是BluetoothService類。該類創(chuàng)建兩個線程，一個用于藍牙連接的創(chuàng)建，另一個用于數(shù)據(jù)的傳輸，分別是：

class ConnectThread extends Thread{}；

class TransmitThread extends Thread{}；

Android系統(tǒng)通過調(diào)用Connect方法來連接藍牙設(shè)備，這是一種阻塞調(diào)用，因此需要建立一個線程來處理。如果調(diào)用成功系統(tǒng)會返回一個Socket套接字，成員變量mSocket會保存這個套接字：

6.結(jié)語

本接口應(yīng)用于Android手持終端，手持終端通過可以方便地無線接收和處理模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)。整個方案穩(wěn)定可靠，成本低廉，提高了控制的便利性。用戶只需專注于數(shù)據(jù)的處理，而不必關(guān)注硬件之間通訊的問題。

[1]劉海濤.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用[M].機械工業(yè)出版社,2011.

[2]Wikipedia.Android(operating system)[OL].http://en.wikipedia.org/wiki/Android_(operating_system).

[3]Sans Serif.What Android Is[OL].http://www.tbray.org/ongoing/When/201x/2010/11/14/What-Android-Is.

[4]喻宗泉.藍牙技術(shù)基礎(chǔ)[M].機械工業(yè)出版社,2006.

[5]Google Inc.Bluetooth[OL].http://developer.android.com/guide/topics/connectivity/bluetooth.html.

[6]楊豐盛.Android應(yīng)用開發(fā)揭秘[M].機械工業(yè)出版社,2010.

[7][印]Satya Komatineni,[美]Sayed Hashimi.精通Android3[M].楊越,譯.人民郵電出版社,2011.

[8]閻宏.Java與模式[M].電子工業(yè)出版社,2002.