Coin's Blog

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iOS Swift CoreBluetooth 蓝牙开发入门

2020 / 10 / 15

基于 iOS CoreBluetooth 框架的蓝牙开发实践，从 BLE 基础到实际开发经验分享。

因为一点机缘巧合，看了一下 iOS CoreBluetooth 文档 ，做了一个和 蓝牙交互传数据的 App

网上关于 iOS Swift 蓝牙开发的资料很少，遇到问题一度非常苦恼，好在最后把一点东西最基本的啃过来了，这里结合自己的一丁点儿开发经验方便以后查阅，也希望能给看到这里的朋友一点帮助。

CoreBlueTooth 蓝牙基础

低功耗蓝牙 Bluetooth Low Energy (BLE) 指蓝牙 4.0，特色是 小数据、低功耗，而在蓝牙4.0 以前是经典蓝牙，iOS Core Bluetooth 基于 Bluetooth 4.0 协议 ，兼容 iPhone 4S+ 的机器。

一些 iOS 蓝牙开发基本概念：

  • Central: 中心设备，可以理解为对外扫描蓝牙的设备，一般指本机
  • Peripheral: 外围设备，可以理解为蓝牙外部硬件设备
  • Services: 服务，可以理解为蓝牙低功耗硬件设备所提供的 多个功能集合
  • Chracteristics: 特征，一个特征对应了 一个功能

Charateristics 的功能一般由以下三种能力组合而成：

  1. Read: 读，表示设备为这个特征设置，可以被其他设备读取
  2. Write: 写，表示设备可以被写入数据
  3. Notify: 订阅/通知，该特诊对应的值可以被其他设备订阅，一旦本机对该值进行修改，就会把修改结果通知给订阅端

一图胜千言，用 Bluetility 这个工具能很好的帮助理解蓝牙的基本概念。

Bluetility-macOS App

CoreBlueTooth 蓝牙连接流程

中心设备 C: Central, 外围设备 P: Peripheral

蓝牙连接的主要代码逻辑如下：

  1. 创建并开启中心设备 C
  2. 开始 扫描 广播，寻找外围设备 P
  3. 中心设备 C 扫描到外围设备 P 发出的广播后。回调用中心设备 C 的代理方法，来连接外围设备 P
  4. 连接 到外围设备 P 后。回调中心设备 C 的代理方法，来搜寻此外围设备 P 提供的服务
  5. 通过 UUID 的比对找到合适的服务后。回调中心设备 C 的代理方法，来搜寻该服务下所有的特征
  6. 找到合适的特征后。回调中心设备 C。的代理方法，通过 UUID、特征属性等筛选找到目标特征
  7. 找到合适的写、读特征后。手动调用中心设备 C 的方法对对应的特征进行订阅、写、读，实现和外部设备 P 的数据收发读功能

Demo Practice

2019 WWDC 上放出了一个经典蓝牙开发的 Demo ，对着代码学习就完事了

  1. 新建工程

  2. 添加 Info.plist 确保用户能授权蓝牙权限

    iOS 12: NSBluetoothPeripheralUsageDescription

    iOS 13+: NSBluetoothAlwaysUsageDescription

    Apple Develop BLE

  3. 编写代理方法：实现 CBCentralManagerDelegate、CBPeripheralDelegate 方法

可能遇到的问题

个人在写项目过程中遇到过三个问题：数据分包收发问题、编码解码问题、显示数据换行符的问题

编码解码问题

在本项目中，App 和蓝牙交互的是文本字符串。可以确定的是，我们收发的文本数据发送之前都会被序列化（也可理解为编码）为二进制字节流，真正传输的数据都是字节流。而把一段文本序列化编码为怎样的二进制的字节流就有讲究了。

从 '字符串' 到 二进制，前人已经给出了多种编码方式：从最开始的 ASCII，到 GBK，再到后来的 Unicode，都是编码解码的解决方案，每一种编码都对应了一定的规则，可能是变长编码、可能编码码元不一致等。所以，需要注意的是，什么编码就用什么解码。否则就会出现字符集不一致导致的乱码问题。

当然，所以出于验证的角度，万物皆可 ASCII 解码（后来的编码都兼容 ASCII，其中的英文和字母一定可以被正常地解码，作为验证方案，已经很足够了）

在本项目中，硬件部分用 U 盘存储了 GBK 编码字符的 CSV 文件（其实主要是为了能在默认编码为 GBK 的垃圾串口调试程序 XCOM 上能看到正确的字符串），因此在 iOS App 这边就需要用 GBK 来解码来反序列化解码，而 iOS 这边本身没有直接提供 GBK 编码，最后通过 GB18030(GBK 的父集) 来解决了 GBK 解码的问题。

let GBK_ENC_RAWVALUE = CFStringConvertEncodingToNSStringEncoding(CFStringEncoding(CFStringEncodings.GB_18030_2000.rawValue))
let UTF8_ENC_RAWVALUE = String.Encoding.utf8.rawValue
let USING_ENC = GBK_ENC_RAWVALUE

if let tmpString = String(data: actualData, encoding: String.Encoding(rawValue: USING_ENC)) {
  print("This is str encoded with GBK \(tmpString)")
}

分包问题

因为蓝牙的低功耗的特色，蓝牙收发数据是有长度限制的。大数据需要被拆分为小数据，才能保证数据能被正常完整地接受。其实下面的解决思路有点处理 TCP 上层应用层的拆包、粘包问题的那味道了。

假设 C 是中心设备，P 是外部硬件蓝牙设备

  1. C 发数据：发送数据超过了 Maxmium Transmission Unit (MTU) 是一定涉及到分包的，否则数据就收不到完整的数据，甚至直接被丢掉。一定要注意的是：

    • 数据分包要基于 min(MTU, sendData)
    • 发送间隔要足够: Interval Min >= 20ms

  2. P 收数据：假设 C 这边发出的数据是直接分包发送的，那么到达的数据顺序可能会不一致，简单的拼接操作得不到准确的数据。解决思路：

    • 运用蓝牙协议栈中的头部，解析蓝牙数据的头部 Data iOS蓝牙开发如何更好地收发数据
    • A 按序将分包后的数据间隔 0.n 毫秒发送，异步操作发送数据。同时，在分包数据里面加上标志位，如 START\END，方便接收方知道消息的开始和结束，明确数据边界。

数据换行符问题

在 Windows，Classic macOS，Unix 及其衍生系统中，换行符是有差别的:

OSTerminatorTerminator ASCII Number(Hexdecimal)意义
Unix/macOS(新版)\n0x0ALine Feed
Classic macOS\r0x0DCarriage return
Windows/DOS\r\n0x0D 0x0ACRLF

注: 在 Swift String 中，默认的换行符是 newline(\n)。而要想在 Windows 的串口程序（XCOM for Windows）控制栏上显示正确地换行，需要在发送数据中每一行结尾处手动加上 \r

在 ASCII 中，回车和换行是不同的字符。0x0A 是回车，即光标移动到本行的最左面；0x0D 是换行，即光标移动到下一行。

关于换行和回车，有三种不错的解释：

回车 \r ：本义是光标重新回到本行开头，r 的英文 return，控制字符可以写成 CR，即 Carriage Return 换行 \n ：本义是光标往下一行（不一定到下一行行首），n 的英文 newline，控制字符可以写成 LF，即 Line Feed

回车，横向操作 carriage return CR，这个名字可能是指打印头像运作起来像奔跑的马车 换行，纵向操作 line feed LF, 被吃掉一行

回车中的 "车" 指的是纸车，带着纸一起左右移动的模块; 当开始打第一个字之前，要把纸车拉到最右边，上紧弹簧，随着打字，弹簧把纸车拉回去; 每当打完一行后，纸车就完全收回去了，所以叫回车。 换行的概念就是：打字机左边有个 "把手", 往下 扳动一下，纸会上移一行

以下文章或工具对理解蓝牙的基本知识和 模拟蓝牙调试 非常有用

工具：

  1. macOS：Bluetility
  2. iOS: LightBlue

BLE：

  1. BLE技术揭秘
  2. Swift 连接 BLE 蓝牙打印机
  3. Apple-BLE-Demo

换行符：

  1. CRLF
  2. 调试查看
  3. 回车和换行
  4. 跨平台换行符
  5. 为什么 "回车键" 要被称作 "回车键"