背景知識
藍牙技術最初由愛立信（也就是多年前手機做得最丑最奇葩的公司，最終被用戶以腳投票踢出市場）創(chuàng)制。技術始于愛立信公司的1994方案，它是研究在移動電話和其他配件間進行低功耗、低成本無線通信連接的方法。發(fā)明者希望為設備間的通訊創(chuàng)造一組統(tǒng)一規(guī)則（標準化協(xié)議），以解決用戶間互不兼容的移動電子設備。1997年前愛立信公司以此概念接觸了移動設備制造商，討論其項目合作發(fā)展，結果獲得支持。
1998年5月20日，索尼愛立信、國際商業(yè)機器、諾基亞等業(yè)界龍頭創(chuàng)立“特別興趣小組”（Special Interest Group，SIG），即[藍牙技術聯(lián)盟的前身，目標是開發(fā)一個成本低、效益高、可以在短距離范圍內(nèi)隨意無線連接的藍牙技術標準。
這項無線技術的名稱取自古代丹麥維京國王Harald Bl?tand的名字，他以統(tǒng)一了因宗教戰(zhàn)爭和領土爭議而分裂的挪威與丹麥而聞名于世，而這個名字的英文便是Harald Bluetooth。
1998年時藍牙推出0.7規(guī)格，支持Baseband與LMP（Link Manager Protocol）通訊協(xié)定兩部分。1999年推出先后0.8版，0.9版、1.0 Draft版，1.0a版、1.0B版。1.0 Draft版，完成SDP（Service Discovery Protocol）協(xié)定、TCS（Telephony Control Specification）協(xié)定。1999年7月26日正式公布1.0版，確定使用2.4GHz頻譜，最高資料傳輸速度1Mbps，同時開始了大規(guī)模宣傳。和當時流行的紅外線技術相比，藍牙有著更高的傳輸速度，而且不需要像紅外線那樣進行接口對接口的連接，所有藍牙設備基本上只要在有效通訊范圍內(nèi)使用，就可以進行隨時連接。
當1.0規(guī)格推出以后，藍牙并未立即受到廣泛的應用，除了當時對應藍牙功能的電子設備種類少，藍牙裝置也十分昂貴。2001年的1.1版正式列入IEEE標準，Bluetooth 1.1即為IEEE 802.15.1。同年，SIG成員公司超過2000家。過了幾年之后，采用藍牙技術的電子裝置如雨后春筍般增加，售價也大幅下降。為了擴寬藍牙的應用層面和傳輸速度，SIG先后推出了1.2、2.0版，以及其他附加新功能，例如EDR（Enhanced Data Rate，配合2.0的技術標準，將最大傳輸速度提高到3Mbps）、A2DP（Advanced Audio Distribution Profile，一個控音軌分配技術，主要應用于立體聲耳機、AVRCP（A/V Remote Control Profile）等。Bluetooth 2.0將傳輸率提升至2Mbps、3Mbps，遠大于1.x版的1Mbps（實際約723.2kbps）。
藍牙從1.0到2.0其速度與傳輸距離一直是其硬傷，使用體驗極差文件型的數(shù)據(jù)傳輸幾乎等于不可用，所以我一直對藍牙設備不感冒。直至遇到BLE的出現(xiàn)也就是低功耗藍牙，來看看4.0之后的藍牙有何技術特性吧：
藍牙4.0
藍牙4.0是Bluetooth SIG于2010年7月7日推出的新的規(guī)范。其最重要的特性是支持省電
- Bluetooth 4.0，協(xié)議組成和當前主流的Bluetooth h2.x+EDR、還未普及的Bluetooth h3.0+HS不同，Bluetooth 4.0是Bluetooth從誕生至今唯一的一個綜合協(xié)議規(guī)范，
還提出了“低功耗藍牙”、“傳統(tǒng)藍牙”和“高速藍牙”三種模式。 - 其中：高速藍牙主攻數(shù)據(jù)交換與傳輸；傳統(tǒng)藍牙則以信息溝通、設備連接為重點；藍牙低功耗顧名思義，以不需占用太多帶寬的設備連接為主。前身其實是NOKIA開發(fā)的Wibree技術，本是作為一項專為移動設備開發(fā)的極低功耗的移動無線通信技術，在被SIG接納并規(guī)范化之后重命名為Bluetooth Low Energy（后簡稱低功耗藍牙）。這三種協(xié)議規(guī)范還能夠互相組合搭配、從而實現(xiàn)更廣泛的應用模式，此外，Bluetooth 4.0還把藍牙的傳輸距離提升到100米以上（低功耗模式條件下）。
- 分Single mode與Dual mode。
- Single mode只能與BT4.0互相傳輸無法向下兼容（與3.0/2.1/2.0無法相通）;Dual mode可以向下兼容可與BT4.0傳輸也可以跟3.0/2.1/2.0傳輸
- 超低的峰值、平均和待機模式功耗，覆蓋范圍增強，最大范圍可超過100米。
- 速度：支持1Mbps數(shù)據(jù)傳輸率下的超短數(shù)據(jù)包，最少8個八組位，最多27個。所有連接都使用藍牙2.1加入的減速呼吸模式（sniff subrating）來達到超低工作循環(huán)。
- 跳頻：使用所有藍牙規(guī)范版本通用的自適應跳頻，最大程度地減少和其他2.4 GHz ISM頻段無線技術的串擾。
- 主控制：可以休眠更長時間，只在需要執(zhí)行動作的時候才喚醒。
- 延遲：最短可在3毫秒內(nèi)完成連接設置并開始傳輸數(shù)據(jù)。
- 健壯性：所有數(shù)據(jù)包都使用24-bit CRC校驗，確保最大程度抵御干擾。
- 安全：使用AES-128 CCM加密算法進行數(shù)據(jù)包加密和認證。
- 拓撲：每個數(shù)據(jù)包的每次接收都使用32位尋址，理論上可連接數(shù)十億設備；針對一對一連接最優(yōu)化，并支持星形拓撲的一對多連接；使用快速連接和斷開，數(shù)據(jù)可以在網(wǎng)狀拓撲內(nèi)轉(zhuǎn)移而無需維持復雜的網(wǎng)狀網(wǎng)絡。
藍牙4.1
藍牙4.1是藍牙技術聯(lián)盟于2013年底推出的新的規(guī)范，其目的是為了讓 Bluetooth Smart 技術最終成為物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)發(fā)展的核心動力。
此版本為藍牙4.0的軟件更新版本，搭載藍牙4.0設備的終端可通過軟件更新獲得此版本。
對于開發(fā)人員而言，該更新是藍牙技術發(fā)展史上一項重要的進步。該更新提供了更高的靈活性和掌控度，讓開發(fā)人員能創(chuàng)造更具創(chuàng)新并催化物聯(lián)網(wǎng)（IOT）發(fā)展的產(chǎn)品。
支持多設備連接。
- 智能連接：增加設置設備間連接頻率的支持。制造商可以對設備設置連接進行設置，使得設備可以更加智能的控制設備電量。
藍牙4.2
藍牙4.2是藍牙技術聯(lián)盟于2014年12月推出的新的規(guī)范。
藍牙5
藍牙5在2016年6月被宣布。在有效傳輸距離上將是4.2LE版本的4倍（理論上可達300米），傳輸速度將是4.2LE版本的2倍（速度上限為24Mbps）。藍牙5.0還支持室內(nèi)定位導航功能（結合WiFi可以實現(xiàn)精度小于1米的室內(nèi)定位），允許無需配對接受信標的數(shù)據(jù)（比如廣告、Beacon、位置信息等，傳輸率提高了8倍），針對物聯(lián)網(wǎng)進行了很多底層優(yōu)化。
看完這些特性除了不能上網(wǎng)以外其它的無線能力幾乎都能秒殺WIFI了。
藍牙常見名稱和縮寫
在進入IOS之前我們得深入到的理論領域，了解藍牙4.0中的一些基本的術語:
- MFI：make for ipad, iphone, itouch 專們?yōu)樘O果設備制作的設備
- BLE：buletouch low energy，藍牙4.0設備因為低耗電，所以也叫做BLE
- peripheral：外設，被連接的設備
- central：中心，發(fā)起連接的時central
- service：服務，每個外設會有很多服務，每個服務中包含很多字段，這些字段的權限一般分為 讀read，寫write，通知notiy幾種，就是我們連接設備后具體需要操作的內(nèi)容。
- characteristic：特征 每個設備會提供服務和特征，類似于服務端的api，但是機構不同。
- Description：每個characteristic可以對應一個或多個Description用戶描述characteristic的信息或?qū)傩?br> 外設、服務、特征間的關系
外設、服務、特征間的關系
下圖你在Apple的開發(fā)者網(wǎng)站上也能找到：
藍牙中心模式流程
- 建立中心角色
- 掃描外設（discover）
- 連接外設(connect)
- 掃描外設中的服務和特征(discover)
4.1 獲取外設的services
4.2 獲取外設的Characteristics,獲取Characteristics的值，獲取Characteristics的Descriptor和Descriptor的值 - 與外設做數(shù)據(jù)交互(explore and interact)
- 訂閱Characteristic的通知
- 斷開連接(disconnect)
藍牙設備工作的狀態(tài)
- 準備（standby）
- 廣播（advertising）
- 監(jiān)聽掃描（Scanning
- 發(fā)起連接（Initiating）
- 已連接（Connected）
藍牙和版本的使用限制
- 藍牙2.0：越獄設備
- 藍牙4.0：IOS6 以上
- MFI認證設備（Make For ipod/ipad/iphone）：無限制
iOS 的實現(xiàn)
先創(chuàng)建一個 Swift 的工程，然后引入CoreBluetooth ，它就是iOS中提供藍牙通信的核心庫。然后ViewController必須實現(xiàn) CBCentralManagerDelegate,CBPeripheralDelegate 兩個接口：
import CoreBluetooth
import UIKit
class ViewController: UIViewController, CBCentralManagerDelegate,CBPeripheralDelegate {
override func viewDidLoad() {
super.viewDidLoad()
}
}
1.） 建立中心角色
然后要定義一個管理中心的對象變量，它就是藍牙控制的主入口，然后在viewDidLoad()中實例化它：
class ViewController: UIViewController, CBCentralManagerDelegate,CBPeripheralDelegate {
var manager : CBCentralManager!
override func viewDidLoad() {
super.viewDidLoad()
manager = CBCentralManager.init(delegate: self, queue: DispatchQueue.main)
}
}
2.） 掃描外設
管理中心一但被初始化后就會檢查當前手機上的藍牙狀態(tài)，并調(diào)用 centralManagerDidUpdateState 方法，假設完整初始化后就馬上進行設備掃描，那就要在centralManagerDidUpdateState中進行，在 viewDidLoad下方加入以下的代碼:
func centralManagerDidUpdateState(_ central: CBCentralManager) {
switch central.state {
case .unknown:
print("未知的藍牙設備")
case .resetting:
print("藍牙正在被重置中")
case .unsupported:
print("不支持藍牙服務")
case .unauthorized:
print("藍牙服務未被授權")
case .poweredOff:
print("藍牙服務已關閉")
case .poweredOn:
print("藍牙已啟動,開始掃描...")
startScan()
}
}
/// 掃描藍牙設備
func startScan() {
manager.scanForPeripherals(withServices: nil, options: nil)
}
注：只有返回
.poweredOn狀態(tài)下才能進行藍牙設備的掃描。
scanForPeripherals方法就是對可發(fā)現(xiàn)的藍牙設備進行掃描，輸入的參數(shù)可以作一些過濾條件，我這里是不加任何的過濾條件無差別化地掃描。
3.） 連接外設
當scanForPeripherals方法被調(diào)用后，CoreBluetooth就會調(diào)用centralManager(_ central: CBCentralManager, didDiscover peripheral: CBPeripheral, advertisementData: [String : Any], rssi RSSI: NSNumber)，所以我們就得在這個方法內(nèi)將我們的目標藍牙設備找出來，然后用一個變量Hold住它，否則這個外設就會被釋放掉，然后你就會在XCode中得到一條提示信息說你沒有Hold住你需要的設備變量了。
// 定義一個變量來Hold住目標設備
var connectedPeripheral : CBPeripheral!
func centralManager(_ central: CBCentralManager, didDiscover peripheral: CBPeripheral, advertisementData: [String : Any], rssi RSSI: NSNumber) {
if (peripheral.name=="BT05") {
manager.connect(peripheral, options:nil)
// 找到的設備必須持有它，否則CBCentralManager中也不會保存peripheral，那么CBPeripheralDelegate中的方法也不會被調(diào)用！
connectedPeripheral = peripheral
print("正在連接:\(peripheral.name)...")
}
}
由于我不知道我的設備的ServiceUUID是什么，為了方便我編碼的需要所以我只找一個名為"BT05"的設備名稱（這是我藍牙模塊的默認名字）找到之后就馬上調(diào)用connect進行連接，注意：當中心對象不停止掃描(manager.stopScan())以上的方法就會不斷地被調(diào)用
一個主設備最多能連7個外設，每個外設最多只能給一個主設備連接,連接成功，失敗，斷開會進入各自的委托
func centralManager(_ central: CBCentralManager, didConnect peripheral: CBPeripheral)
func centralManager(_ central: CBCentralManager, didFailToConnect peripheral: CBPeripheral, error: Error?)
func centralManager(_ central: CBCentralManager, didDisconnectPeripheral peripheral: CBPeripheral, error: Error?)
下文就會補充這幾個委托方法的實現(xiàn)
4.1） 獲取外設的服務
當連接成功后 centralManager(_ central: CBCentralManager, didConnect peripheral: CBPeripheral) 就會被調(diào)用，在這里我們會設置找到的外設對象的委托（self），通常這個方法內(nèi)會做另一種篩選那就是服務特征，通俗點說就是這個藍牙設備可以提供些啥服務，例如寫入，讀取，或者其它什么的一些動作。
func centralManager(_ central: CBCentralManager, didConnect peripheral: CBPeripheral){
print("正在查找Service")
// 外設尋找目標服務
peripheral.discoverServices(nil)
peripheral.delegate = self
self.title = peripheral.name
// 停止掃描
manager.stopScan()
}
4.2） 獲取外設特征
discoverServices(nil)傳入了nil 那么就啥服務信息都直接獲取,然后對服務進行發(fā)現(xiàn)，這個過程和前文中的設備發(fā)現(xiàn)非常的像
// 這個服務地址可以從設備中查到的
let ServiceUUID = "FFE0"
//掃描到Services
func peripheral(_ peripheral: CBPeripheral, didDiscoverServices error: Error?){
if (error != nil){
print("查找 services 時 \(peripheral.name) 報錯 \(error?.localizedDescription)")
}
for service in peripheral.services! {
// 需要連接的 CBCharacteristic 的 UUID
if service.uuid.uuidString == ServiceUUID {
peripheral.discoverCharacteristics(nil, for: service)
}
}
}
5） 與外設做數(shù)據(jù)交互
這樣我們實現(xiàn)的CBPeripheralDelegate委托接口中的peripheral(_ peripheral: CBPeripheral, didUpdateValueFor characteristic: CBCharacteristic, error: Error?)將會被調(diào)用，用于讀取藍牙傳過來的數(shù)據(jù)。
// 同理我們要Hold住特征變量，否則會被釋放掉
var savedCharacteristic : CBCharacteristic!
var lastString : NSString!
// Interface Build 中的標簽對象，用來顯示從傳感器讀取的室溫
@IBOutlet weak var ?lbTemperature: UILabel!
//獲取的charateristic的值，處理收接到的數(shù)據(jù)
func peripheral(_ peripheral: CBPeripheral, didUpdateValueFor characteristic: CBCharacteristic, error: Error?) {
// 好了，charcteristic.value 就是從藍牙設備傳過來的原數(shù)據(jù)內(nèi)容，我們可以在這里進行處理
let resultStr = NSString(data: characteristic.value!, encoding: String.Encoding.utf8.rawValue)
print(resultStr)
// 將溫度顯示到標簽中
lbTemperature.text = resultStr
if lastString == resultStr {
return;
}
self.savedCharacteristic = characteristic
}
6） 訂閱 Characteristic 的通知
由于BLE4.0的"減弱式呼吸"工作特性我們需要對外設置發(fā)出的通知進行訂閱，如數(shù)據(jù)發(fā)生改變中心可以第一時間獲知。
/// 掃描到 characteristic 時
func peripheral(_ peripheral: CBPeripheral, didDiscoverCharacteristicsFor service: CBService, error: Error? {
if error != nil {
print("查找 characteristics 時 \(peripheral.name) 報錯 \(error?.localizedDescription)")
}
//獲取Characteristic的值，讀到數(shù)據(jù)會進入方法：
for characteristic in service.characteristics! {
peripheral.readValue(for: characteristic)
//設置 characteristic 的 notifying 屬性 為 true ， 表示接受廣播
peripheral.setNotifyValue(true, for: characteristic)
}
}
7） 斷開連接
其實到此這個App就完成了，以下的這些代碼是對相關的錯誤處理進行補全：
/// 連接到Peripherals-失敗
func centralManager(_ central: CBCentralManager, didFailToConnect peripheral: CBPeripheral, error: Error?){
print("連接到名字為 \(peripheral.name) 的設備失敗，原因是 \(error?.localizedDescription)")
}
/// 斷開
func centralManager(_ central: CBCentralManager, didDisconnectPeripheral peripheral: CBPeripheral, error: Error?){
print("連接到名字為 \(peripheral.name) 的設備斷開，原因是 \(error?.localizedDescription)"
let alertView = UIAlertController.init(title: "抱歉", message: "藍牙設備\(peripheral.name)連接斷開，請重新掃描設備連接", preferredStyle: UIAlertControllerStyle.alert)
alertView.show(self, sender: nil)
}
func peripheral(_ peripheral: CBPeripheral, didWriteValueFor characteristic: CBCharacteristic, error: Error?){
if error != nil{
print("寫入 characteristics 時 \(peripheral.name) 報錯 \(error?.localizedDescription)")
}
// 這里可以處理向設備寫入數(shù)據(jù)時的回調(diào)
}
在下一篇中將會介紹藍牙設備與Arduino 一端關于硬件部分與固件部分的制作。
