认识蓝牙

蓝牙技术是一种无线数据和语音通信开放的全球规范，它是基于低成本的近距离无线连接，为固定和移动设备建立通信环境的一种特殊的近距离无线技术连接。

传统蓝牙和低功耗蓝牙

根据蓝牙的发展历程，将蓝牙普遍分为两种规格，即传统蓝牙模块(BT) 和低功耗蓝牙模块(BLE)。传统蓝牙模块常用在对数据传输带宽有一定要求的场景上。低功耗蓝牙是从蓝牙4.0起支持的协议，特点是耗电极低、传输速度更快，常用在对续航要求较高且只需小数据量传输的各种智能电子产品中。

蓝牙技术目前已经发展到5.0+版本，为现阶段最高级的蓝牙协议标准。BLE技术更契合新时代物联网的需求：更快、更省、更远、更便捷，也是我们小程序开发者在物联网项目最常用的技术。

蓝牙通信概述

低功耗蓝牙协议给设备定义了若干角色，其中最主要的角色是：外围设备（Peripheral） 与中心设备（Central）。

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  外围设备：用来提供数据，通过不停地向外广播数据，让中心设备发现自己。

  
  
  
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  中心设备：扫描外围设备，发现有外围设备存在后，可以与之建立连接，之后就可以使用外围设备提供的服务（Service）。

  
  
  

在两个蓝牙设备建立连接之后，双方的数据交互是基于一个叫做 GATT (Generic Attribute Profile，通用属性配置文件) 的规范，根据该规范可以定义出一个配置文件（Profile），描述该蓝牙设备提供的服务（Service）。

在整个通信过程中，有三个最主要的概念：配置文件（Profile） 、服务（Service） 、特征（Characteristic） 。

Characteristic：在 GATT 规范中最小的逻辑数据单元。实际上，在与蓝牙设备打交道，主要就是通过读写 Characteristic 的 value 完成。Characteristic 是通过一个 16bit 或 128bit 的 UUID 唯一标识。

Service：可以理解为蓝牙设备提供的服务，一个蓝牙设备可以提供多个服务，比如电量信息服务、系统信息服务等。每个 Service 又包含多个 Characteristic 特性值，比如电量信息服务就会有个 Characteristic 表示电量数据。同时也有一个 16bit 或 128bit 的 UUID 唯一标识该服务。

Profile：并不真实存在于蓝牙设备中，它只是被蓝牙标准预先定义的一些 Service 的集合。如果蓝牙设备之间要相互兼容，它们只要支持相同的 Profile 即可。一个蓝牙设备可以支持多个 Profile。

Desciptor: 描述符是描述特征值的已定义属性。例如，Desciptor 可指定人类可读的描述、特征值的取值范围或特定于特征值的度量单位。每个 Desciptor 由一个 UUID 唯一标识。

总结：每个蓝牙设备可能提供多个 Service，每个 Service 可能有多个 Characteristic，根据蓝牙设备的协议，用对应的 Characteristic 进行读写，即可达到与其通信的目的。

蓝牙开发实践

蓝牙通信过程介绍

整体上看，蓝牙通信的开发主要分为三部分：

1. 
   
2. 蓝牙资源和状态管理：包括蓝牙生命周期管理、蓝牙状态管理（开关、适配器、设备连接、数据接收等）、错误异常处理。
   
3. 搜寻外围设备并建立连接：包括搜寻设备、监听设备发现、处理获取到的设备信息、连接/断开设备等。
   
4. 读写数据：包括寻找目标服务和特征值、订阅特征值、监听并接收设备数据、分包处理数据等。
   

蓝牙数据读写

在小程序蓝牙开发联调中，推荐使用TLV协议对数据进行封包，TLV协议（Tag、Length、Value）是常见的一种面向物联网的通讯协议，对于不同的传输场景，甚至演变出混合型、指针型、循环型等不同类型的格式。

比如，在实践中往往只需要最简单的L-TLV格式，以下使用十六进制(Hex)表示：

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• 数据包总长（L）
  
• 数据的类型Tag/Type（T）
  
• Value的长度Length（L）
  
• 数据的值Value（V）
  

[0x07, 0x01, 0x01, 0x01, 0x02, 0x01, 0x01]

[数据总长，type，length，value，type，length，value] 

举例

假设业务规定各字段type如下

想要向设备传输一条写入account的指令，value为ABC。

ABC 通过 UTF-8 编码转 Hex String 分别是0x41、0x42、0x43。

那么数据包总长6字节，type是0，value总长3字节。

字符集编码

实际业务场景中，如果需要传输中文字符，则需要通过协商好的字符集进行转换。

常见字符集有：ASCII字符集、GB2312字符集、GBK字符集、 GB18030字符集、Unicode字符集等。

比如小写字母a，ASCII编码对应的Hex值是0x61，而GB2312字符集编码对应的Hex值是253631

将文本字符串转换为Hex字符串的时候，不同的字符集编码对应的Hex值不一样，所以小程序与蓝牙设备应当使用同一套字符集编码。推荐统一使用Unicode的UTF-8标准。

以下是字符转换示例:

// 中文转UTF-8
encodeURI('好').replace(/%/g, ''); // 'E5A5BD'

// UTF-8转中文
hex2String('E5A5BD'); // '好'

/**

 * * read UTF-8

 * @param { number[] } arr

 * @returns {string}

 */
const readUTF = (arr: number [] ) => {
let UTF = '';
const _arr = arr;
for (let i = 0; i < _arr.length; i++) {
// 10进制转2进制        
const one = _arr[i].toString(2);
const v = one.match(/^1+?(?=0)/);
if (v && one.length == 8) {
const bytesLength = v[0].length;
let store = _arr[i].toString(2).slice(7 - bytesLength);
for (let st = 1; st < bytesLength; st++) {

                store += _arr[st + i].toString(2).slice(2);

            }
// 二进制序列转charCode，再拼接
UTF += String.fromCharCode(parseInt(store, 2));

            i += bytesLength - 1;

        } else {
UTF += String.fromCharCode(_arr[i]);

        }

    }
return UTF;

};

/**

 * * transfer hex to string

 * @param { string } str

 * @returns {string}

 */
const hex2String =  (hex: string) => {
const buf = [];
// 转10进制数组
for (let i = 0; i < hex.length; i += 2) {

        buf.push(parseInt(hex.substring(i, i + 2), 16));

    }

return readUTF(buf);

};

蓝牙分包

但是实际场景往往不是传输几个字母这么简单。虽然小程序不会对写入数据包大小做限制，但与蓝牙设备传输数据时，数据量超过 MTU （最大传输单元） 容易导致系统错误，所以要主动对数据进行分片传输。

参考各小程序开放平台文档：

分包的过程，需要用到 ArrayBuffer

ArrayBuffer 对象用来表示通用的、固定长度的原始二进制数据缓冲区。

ArrayBuffer 是对固定长度的连续内存空间的引用。

在 Web 开发中，当我们处理文件时（创建，上传，下载），经常会遇到二进制数据。另一个典型的应用场景是图像处理。这些都可以通过 JavaScript 进行处理，而且二进制操作性能更高。

ArrayBuffer 只是一个内存区域，里面存储着一些原始的字节序列，它和普通的Array完全不是一个概念，它的长度是固定的，无法增加或减少，也无法直接用buffer[index]进行访问。

要想写入值、遍历它或者访问单个字节，需要使用视图（View） 进行操作，以下为一些常用的视图：

Uint8Array ：将 ArrayBuffer 中的每个字节视为 0 到 255 之间的单个数字（每个字节是 8 位，因此只能容纳那么多）。称为 “8 位无符号整数”。

Uint16Array：将每 2 个字节视为一个 0 到 65535 之间的整数。称为 “16 位无符号整数”。

所有这些视图（Uint8Array，Uint32Array 等）的通用术语是 TypedArray（类型化数组）。它们都享有同一组方法和属性，类似于常规数组，具有索引，并且是可迭代的。

实际上，不同平台的小程序API定义的数据接口，都多少会用到ArrayBuffer

微信小程序-写入特征值

飞书小程序-获取设备信息

但也不排除有些操作，开发平台已经帮忙处理了

飞书小程序-写入特征值

因此学习并使用 ArrayBuffer，可以：

1. 
   
2. 
   

   方便操作分包，方便读取设备返回的数据、向设备写入数据。

   
   
   
3. 
   

   在不同小程序平台灵活处理，更好地兼容

   
   
   

回到主题，蓝牙分包的思路是：

Text String --> Hex String --> ArrayBuffer(分包)

举个例子，上文中想要向设备传输一条写入password的指令，value为bytedance123456789ABC。

[数据总长，type，length，value] MTU为20字节
[0x14, 0x01, 0x11, 0x62, 0x79, 0x74, ...] 第一个包 bytedance12345678
[0x07, 0x01, 0x04, 0x39, 0x41, 0x42, ...] 第二个包 9ABC

设备端会将多个相同type的包的值追加，而不是覆盖。

如何与设备端协商分包交互机制？

1. 
   
2. 规定服务、特征值UUID，建议不同操作使用不同的UUID，读、写、订阅分开。
   
3. 遵循TLV协议，双方协商好Type对应的字段类型和含义。
   
4. 双方使用同一套字符编码集。
   
5. 约定连在一起的两次（或多次）相同类型的设置，应该把它们的值追加连接，而不是覆盖
   
6. 可约定在一次涉及业务逻辑的通信过程中，发送“开始”和“结束”的蓝牙包，告知设备处于这两个信号之间的蓝牙包为一次完整的通信数据流。
   
7. 双方共同约定一个超时时间，若在此时间内由于各种原因未能完成读/写通信，则认为通信失败，小程序端必须给予用户友好提示。
   

问题排查手段

在开发过程中可能会遇到调用API失败、连接断开等问题

1. 
   
2. 检查API调用顺序
   

小程序的蓝牙API使用起来比较简单，但是需要严格遵循一定的调用顺序（参考上文的流程图）。比如检查是否在开关蓝牙适配器之外进行操作，或者是否在特征值发生变化后才进行事件监听等

2. 
   
3. 对比测试
   

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• 业务小程序、开放平台官方蓝牙demo 对比
  
• 开放平台(非微信)官方蓝牙demo、微信官方demo 对比
  
• 同厂商设备、同芯片、同蓝牙模组，多台设备对比
  
• iOS、Android，蓝牙调试软件 与小程序的对比 （iOS：LightBlue，Android：BLE调试宝、nRF Connect）
  

经过以上对比测试，基本可以缩小问题范围，定位问题究竟是出在哪一方。但并不百分之百准确。

3. 
   
4. 
   

   一些Tips：

   
   
   • 
     
   • 设备Server端在自定义特征值UUID时未遵循GATT的Attribute Structure，而蓝牙服务iOS的实现会比Android更严格。
     
   • 外围设备使用deviceId作为唯一标识，但iOS 和 Android在拿到的信息上有所差异。Android上获取到的deviceId为设备MAC地址，iOS上则是系统根据外围设备 MAC 地址及发现设备的时间生成的 UUID，因此deviceId不能硬编码。
     
   • 蓝牙模块比较耗费系统资源，做好生命周期管理必不可少，比如建立连接和断开连接应该成对出现，如果未能及时关闭连接释放资源，容易导致连接异常。另外，大多数蓝牙模组只支持单链路，最大连接数量为1，若未能及时断开连接，必然出现设备搜寻不到或连接不上的情况。
     
   
   
   
5. 
   

   日志排查

   
   
   

作为小程序的开发者，很多疑难问题往往不能直观看出。如果你有对应的资源可以联系到开放平台的维护人员，即可拿到日志。我们项目组曾与飞书开放平台建立蓝牙专项问题解决渠道，结合开平和设备端同学捕获的日志，可以加快排查速度。

参考文章

http://www.bluetooth.com/learn-about…
http://www.cnblogs.com/chusiyong/p…
http://www.jianshu.com/p/62eb2f540…
zh.javascript.info/arraybuffer…