基于Android系统的低功耗蓝牙应用程序开发
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2． 1
BLE 应用程序体系结构和关键技术
应用程序体系结构 软件体系结构表示软件系统基础的结构组织方
［5 ］
案， 最常见的是分层结构
。 在分层结构中各层功
能明确， 高层使用低层提供的各种服务， 而低层并不 。 关注高层的存在 采用分层技术通常可以使各类开 · 134·
李侠， 等: 基于 Android 系统的低功耗蓝牙应用程序开发 ForＲesult（ ） 运行一个 Activity 让用户选择是否在一 定时间内开启蓝牙。 2． 3． 3 搜索 BLE 设备 为了搜索 BLE 设备， 必须使用 BluetoothAdapter EＲED） ； ｝ broadcas-
作者简介： 李侠（ 1977 － ） ， 女， 安徽蚌埠人， 硕士， 讲师， 研究方向为嵌入式系统开发 。
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李侠， 等: 基于 Android 系统的低功耗蓝牙应用程序开发 value 和 de识别码 ） 标识。 每个特征由 properties、 scriptor 字段组成。 Properties 表示是否可读 写； value 表示特征值； descriptor 用于对特征作更详细的描 述。在 Android 4． 3 编程中， 这些概念非常关键， 图 2 显示应用层中的心率规范 （ heart rate profile ） 及相 关概念。 心 率 规 范 由 HＲS （ Heart Ｒate Service ） 和 DIS （ Device Information Service ） 2 个 服 务 组 成。 HＲS 由 3 个特征组成， 图 2 只列出了 Measurement Notify 表 特征， 其中 80 表示心率传感器测量出的值， 示此值允许读取。 发者更专注于本层的工作而不需要知道其他层的情 ［6 ］ 况。传统蓝牙应用程序开发 较复杂， 为简化 BLE 程序开发， 在设计蓝牙 4． 0 的协议栈时就作了考虑。 BLE 应用程序设计为 3 层： 表示层、 业务层与通信 层。表示层处理用户与软件系统之间的交互 ， 如选 择连接设备、 断开设备、 显示业务层处理的各种结果 等； 业务层处理问题域中的各种业务， 如对通信层获 取的特征 value 字段值进行统计、 分析， 然后把结果 上传到表示层； 通信层负责与一个或多个 BLE 设备 连接通信并保证向上层及时可靠地提供信息 。 2． 2 设备地位的变化 当一个 Android 手机与一个 BLE 设备交互时， 手机作为中心（ Central） 设备存在， 负责扫描、 发现和
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蓝牙 4． 0 及低功耗技术协议栈
蓝牙 4． 0 是目前最新的蓝牙标准， 它包含了传 统蓝牙、 高速蓝牙和低功耗蓝牙标准， 核心是蓝牙低
收稿日期： 2014 － 03 － 20 基金项目： 安徽省国际科技合作计划项目（ 1303063006 ）
传感器应用在小型无线电子产品中用于收集特定类 型的信息。 BSＲ 设备包括手机、 平板电脑、 个人电 脑、 机顶盒及电视机等， 可接受传统蓝牙设备和 BLE 设备发送的数据， 并传送给相应的应用软件， 将数据 转换为有用的信息， 本文将以 Android 4． 3 平台手机 作为 BSＲ 典型设备进行说明。 蓝牙低功耗技术协议栈如图 1 所示。整个栈由 控制器（ Controller） 、 主机（ Host ） 和应用程序 （ Apps ） 组成。控制器层表示蓝牙采用的频段、 信道、 调制方 式、 数据包结构和控制流程等； 主机层由逻辑链路控 制适配协议 （ L2CAP ） 、 安全管理协议 （ SMP ） 、 属性 协议（ ATT） 、 通用属性规范（ GATT） 和通用接入规范 （ GAP） 组成。 应用程序层中定义的各种规范 （ profile） 规定了实现此功能的 BLE 设备向外提供的编 程接口要求。一个 BLE 设备可实现多个应用规范。 GAP 定义了如何发现 BLE 设备并建立与 BSＲ 设备 的连 接。 应 用 层 的 各 种 规 范 都 是 基 于 GATT 的， GATT 规定了如何发送和接收设备的各种属性值 。 ATT 把属性表示为服务（ service ） 的集合。 服务由多 个特征组成， 每个特征由 128 位的 UUID （ 通用唯一
｛ broadcastUpdate （ ACTION _ DATA _ AVAILABLE ，characteristic） ； ｝ 发现服务、 读取特 当发生 BLE 设备状态改变、 征和特征更改等事件时， 就会执行上面对应的回调 函数， 每个回调函数中都调用 broadcastUpdate （ ） 函 有 2 种形式： 一种 数， 该函数是自定义的重载函数， 只有 1 个参数表示 Intent， 对接收的值进行广播； 另 一种有 2 个参数， 第 1 个参数表示一个 Intent， 第2 个参数表示接收到的 BLE 的特征， 此函数根据心率 格式规范分析出特征中的 Value 值， 如图 2 所示， 然 后将此值附加到 Intent 中进行广播。 该函数广播出 的值由 应 用 程 序 业 务 层 通 过 mGattUpdateＲeceiver 中的回调函数接收并进行统计、 排序等处理。 这样 就实现了 BLE 设备数据传递到 Android 手机中的功 能。业务层中相关代码如下： private final BroadcastＲeceiver mGattUpdateＲeceiver = new BroadcastＲeceiver （ ） ｛ public void onＲeceive （ Context context，Intent intent） ｛ 接收 BLE 传递的值。根据这些值来更 ｝； 新程序表示层中的用户界面。
［4 ］ 功 耗 技 术 （ Bluetooth Low Energy， 简 称 BLE ） 。 BLE 耗电大概是传统蓝牙的十分之一， 低功耗主要 体现在等机功耗的减少、 高速连接的实现和峰值功 率 的 降 低 等 3 个 方 面。 蓝 牙 4． 0 支 持 Bluetooth Smart Ｒeady （ 简称 BSＲ） 设备和 Bluetooth Smart （ 简 称 BS） 设备。BLE 设备与 BSＲ 设备进行连接， 作为
蓝牙无线技术是目前使用最为广泛的短距离无 ［1 ］ 线传输标准之一 。 尽管蓝牙技术联盟 （ Bluetooth SIG） 于 2010 年 6 月就已发布蓝牙 4． 0 技术标准， 但 应用于 Android 智能手机则是从 2012 年 5 月 Galaxy S3 发布开始。随后支持蓝牙 4． 0 的 Android 机型纷 纷发布。但 Android 原生系统不支持蓝牙 4． 0 ， 导致 开发者无法开发可以运行在不同品牌不同机型的 Android 应用程序。2013 年 7 月 Android 4． 3 系统发 布， 正式支持蓝牙 4． 0 。 相对于蓝牙 2． 1 或者 3． 0 等传统蓝牙技术的高耗电性， 对于那些采用纽扣电 池供电的小蓝牙外设必须经常更换电池或充电 ， 因 此， 蓝牙外设没有得到广泛应用。 蓝牙 4． 0 极低的 运行和待机功耗使一粒纽扣电池可连续工作 1 a。 根据目前安卓设备全球 75% 的占有率和蓝牙 4． 0 外设与安卓设备之间低功耗的连接方式 ， 可穿戴设 备及物联网将会得到快速发展。采用传统蓝牙进行 产品开发的文献较多， 但由于 Android 4． 3 发布近 10 个月， 有关开发文献较少， 另一方面蓝牙 4． 0 开 ［3 ］ 发与传统蓝牙开发技术差别较大 。因此本文首先 简要介绍蓝牙 4． 0 及低功耗技术协议栈， 然后重点 介绍 Android 4． 3 低功耗应用程序分层结构和关键 技术， 最后给出一个应用程序开发实例进行分析 。
图2 心率规范组成
检查并开启 BLE 功能
应用程序使用蓝牙功能时， 首先需要验证手机 操作系统 Android 是否支持 BLE 功能。 如果支持， 则需要检查手机是否具有蓝牙硬件功能 。软件通过 蓝牙 适 配 器 类 BluetoothAdapter 表 示 此 硬 件 功 能。 应用程序与适配器对象进行交互， 获取适配器之后， 需要查看是否开启， 可以调用 isEnabled （ ） 来查询当 前蓝牙设备的开关状态， 如果返回值为 false， 则表示 蓝牙设备没有打开， 这时以 ACTION_ＲEQUEST_ENABLE 为参数新建一个 intent， 然后调用 startActivity-
图1 蓝牙低功耗技术协议栈
如果手机发送数据给测量计， 手机就是服务器， 测量 计是客户机。本文开发的手机应用程序是 GATT 客 户机 程 序， 从 测 量 计 获 取 数 据； 心 率 测 量 计 作 为 GATT 服务器向手机提供测量数据。 2． 3 开发 BLE 应用程序的关键技术 BLE 程序开发的主要内容有用户界面设计、 业
务层数据处理和通信层数据通信。通信层程序实现 的关键 技 术 包 括 BLE 授 权、 开 启 BLE 功 能、 搜索 BLE 外设、 建立连接及通信等。 2． 3． 1 BLE 授权 与普通蓝牙程序一样， 为了使 Android 手机能 够与蓝牙外设通信， 必须要在应用程序的 AndroidManifest． xml 文件中进行授权。 2． 3． 2
连接 BLE 设备； BLE 设备作为外设 （ Peripheral ） 存 在， 负责响应连接。当两者一旦建立联系后， 在进行 通信的 过 程 中， 它 们 的 地 位 就 发 生 了 改 变。 例 如 Android 4． 3 手机和心率测量计的关系； 心率测量计 是符合心率测量计规范 （ Heart Ｒate Profile ） 的 BLE 外设， 手机上安装支持 BLE 的心率测量应用程序。 当用户握住心率测量计就可以测量出心跳次数 。 如 果心率测量计把测量数据传送给手机， 这时心率测 量计是 GATT 服务器， 手机是 GATT 客户机。 反之，
第 16 卷 第 5 期
重庆科技学院学报（ 自然科学版）
2014 年 10 月
基于 Android 系统的低功耗蓝牙应用程序开发
李侠
1
沈峰
2
李德胜
2
( 1． 安徽电子信息职业技术学院软件学院，安徽 蚌埠 233000 ; 2． 安徽科技学院计算机科学与技术系，安徽 凤阳 233100 )
摘 要： 针对 Android 4． 3 开发低功耗蓝牙程序涉及低功耗蓝牙协议栈 、 蓝牙外设及与传统蓝牙开发区别较大等问
题， 从蓝牙低功耗技术协议栈 、 程序分层结构和关键技术等方面进行阐述 。 对于蓝牙低功耗技术协议栈， 应用程序 主要考虑与 GATT 层通信和应用层规范； 程序体系结构设计为分层结构 。 通过实例讨论低功耗蓝牙程序的关键技 术， 程序运行结果表明该系统开发达到了设计要求 。 关键词： 低功耗蓝牙； Android 4． 3 ； 心率测量计； 分层结构； GATT 服务器 中图分类号： TP391． 9 文献标识码： A 文章编号： 1673 － 1980 （ 2014 ） 05 － 0133 － 04
public void onCharacteristicＲead （ ） ｛ tic） ； ｝ public void onCharacteristicChanged （ ）
tUpdate （ ACTION _ DATA _ AVAILABLE ，characteris-
类的 startLeScan （ ） 方 法， 此 方 法 使 用 接 口 BluetoothAdapter． LeScanCallback 作为参数， 必须要实现 这个回调接口， 通过接口中的回调函数得到 BLE 设 备。与传统蓝牙程序相似， 由于搜索外设非常消耗 电能， 因此一旦搜索到所需设备， 应该立即停止搜 索。另外， 搜索时长必须设定限制， 不能无限制进 行。如果只想搜索指定类型的 BLE 外设， 则调用 ］ ，BluetoothAdapter． LeScanCalstartLeScan （ UUID ［ lback） ， ］数 组 中 指 定 GATT 服 务 器 的 在 UUID ［ UUID。实现上述功能的主要代码如下： mBluetoothAdapter． startLeScan （ mLeScanCallback） ； private BluetoothAdapter． LeScanCallback mLeScanCallback = new BluetoothAdapter． LeScanCallback（ ） ｛ …｝ ； 2． 3． 4 与 GATT 服务器建立连接及通信 Android 手机为了与 BLE 搜索到 BLE 设备后，
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BLE 应用程序体系结构和关键技术
应用程序体系结构 软件体系结构表示软件系统基础的结构组织方
［5 ］
案， 最常见的是分层结构
。 在分层结构中各层功
能明确， 高层使用低层提供的各种服务， 而低层并不 。 关注高层的存在 采用分层技术通常可以使各类开 · 134·
李侠， 等: 基于 Android 系统的低功耗蓝牙应用程序开发 ForＲesult（ ） 运行一个 Activity 让用户选择是否在一 定时间内开启蓝牙。 2． 3． 3 搜索 BLE 设备 为了搜索 BLE 设备， 必须使用 BluetoothAdapter EＲED） ； ｝ broadcas-
作者简介： 李侠（ 1977 － ） ， 女， 安徽蚌埠人， 硕士， 讲师， 研究方向为嵌入式系统开发 。
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李侠， 等: 基于 Android 系统的低功耗蓝牙应用程序开发 value 和 de识别码 ） 标识。 每个特征由 properties、 scriptor 字段组成。 Properties 表示是否可读 写； value 表示特征值； descriptor 用于对特征作更详细的描 述。在 Android 4． 3 编程中， 这些概念非常关键， 图 2 显示应用层中的心率规范 （ heart rate profile ） 及相 关概念。 心 率 规 范 由 HＲS （ Heart Ｒate Service ） 和 DIS （ Device Information Service ） 2 个 服 务 组 成。 HＲS 由 3 个特征组成， 图 2 只列出了 Measurement Notify 表 特征， 其中 80 表示心率传感器测量出的值， 示此值允许读取。 发者更专注于本层的工作而不需要知道其他层的情 ［6 ］ 况。传统蓝牙应用程序开发 较复杂， 为简化 BLE 程序开发， 在设计蓝牙 4． 0 的协议栈时就作了考虑。 BLE 应用程序设计为 3 层： 表示层、 业务层与通信 层。表示层处理用户与软件系统之间的交互 ， 如选 择连接设备、 断开设备、 显示业务层处理的各种结果 等； 业务层处理问题域中的各种业务， 如对通信层获 取的特征 value 字段值进行统计、 分析， 然后把结果 上传到表示层； 通信层负责与一个或多个 BLE 设备 连接通信并保证向上层及时可靠地提供信息 。 2． 2 设备地位的变化 当一个 Android 手机与一个 BLE 设备交互时， 手机作为中心（ Central） 设备存在， 负责扫描、 发现和
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蓝牙 4． 0 及低功耗技术协议栈
蓝牙 4． 0 是目前最新的蓝牙标准， 它包含了传 统蓝牙、 高速蓝牙和低功耗蓝牙标准， 核心是蓝牙低
收稿日期： 2014 － 03 － 20 基金项目： 安徽省国际科技合作计划项目（ 1303063006 ）
传感器应用在小型无线电子产品中用于收集特定类 型的信息。 BSＲ 设备包括手机、 平板电脑、 个人电 脑、 机顶盒及电视机等， 可接受传统蓝牙设备和 BLE 设备发送的数据， 并传送给相应的应用软件， 将数据 转换为有用的信息， 本文将以 Android 4． 3 平台手机 作为 BSＲ 典型设备进行说明。 蓝牙低功耗技术协议栈如图 1 所示。整个栈由 控制器（ Controller） 、 主机（ Host ） 和应用程序 （ Apps ） 组成。控制器层表示蓝牙采用的频段、 信道、 调制方 式、 数据包结构和控制流程等； 主机层由逻辑链路控 制适配协议 （ L2CAP ） 、 安全管理协议 （ SMP ） 、 属性 协议（ ATT） 、 通用属性规范（ GATT） 和通用接入规范 （ GAP） 组成。 应用程序层中定义的各种规范 （ profile） 规定了实现此功能的 BLE 设备向外提供的编 程接口要求。一个 BLE 设备可实现多个应用规范。 GAP 定义了如何发现 BLE 设备并建立与 BSＲ 设备 的连 接。 应 用 层 的 各 种 规 范 都 是 基 于 GATT 的， GATT 规定了如何发送和接收设备的各种属性值 。 ATT 把属性表示为服务（ service ） 的集合。 服务由多 个特征组成， 每个特征由 128 位的 UUID （ 通用唯一
｛ broadcastUpdate （ ACTION _ DATA _ AVAILABLE ，characteristic） ； ｝ 发现服务、 读取特 当发生 BLE 设备状态改变、 征和特征更改等事件时， 就会执行上面对应的回调 函数， 每个回调函数中都调用 broadcastUpdate （ ） 函 有 2 种形式： 一种 数， 该函数是自定义的重载函数， 只有 1 个参数表示 Intent， 对接收的值进行广播； 另 一种有 2 个参数， 第 1 个参数表示一个 Intent， 第2 个参数表示接收到的 BLE 的特征， 此函数根据心率 格式规范分析出特征中的 Value 值， 如图 2 所示， 然 后将此值附加到 Intent 中进行广播。 该函数广播出 的值由 应 用 程 序 业 务 层 通 过 mGattUpdateＲeceiver 中的回调函数接收并进行统计、 排序等处理。 这样 就实现了 BLE 设备数据传递到 Android 手机中的功 能。业务层中相关代码如下： private final BroadcastＲeceiver mGattUpdateＲeceiver = new BroadcastＲeceiver （ ） ｛ public void onＲeceive （ Context context，Intent intent） ｛ 接收 BLE 传递的值。根据这些值来更 ｝； 新程序表示层中的用户界面。
［4 ］ 功 耗 技 术 （ Bluetooth Low Energy， 简 称 BLE ） 。 BLE 耗电大概是传统蓝牙的十分之一， 低功耗主要 体现在等机功耗的减少、 高速连接的实现和峰值功 率 的 降 低 等 3 个 方 面。 蓝 牙 4． 0 支 持 Bluetooth Smart Ｒeady （ 简称 BSＲ） 设备和 Bluetooth Smart （ 简 称 BS） 设备。BLE 设备与 BSＲ 设备进行连接， 作为
蓝牙无线技术是目前使用最为广泛的短距离无 ［1 ］ 线传输标准之一 。 尽管蓝牙技术联盟 （ Bluetooth SIG） 于 2010 年 6 月就已发布蓝牙 4． 0 技术标准， 但 应用于 Android 智能手机则是从 2012 年 5 月 Galaxy S3 发布开始。随后支持蓝牙 4． 0 的 Android 机型纷 纷发布。但 Android 原生系统不支持蓝牙 4． 0 ， 导致 开发者无法开发可以运行在不同品牌不同机型的 Android 应用程序。2013 年 7 月 Android 4． 3 系统发 布， 正式支持蓝牙 4． 0 。 相对于蓝牙 2． 1 或者 3． 0 等传统蓝牙技术的高耗电性， 对于那些采用纽扣电 池供电的小蓝牙外设必须经常更换电池或充电 ， 因 此， 蓝牙外设没有得到广泛应用。 蓝牙 4． 0 极低的 运行和待机功耗使一粒纽扣电池可连续工作 1 a。 根据目前安卓设备全球 75% 的占有率和蓝牙 4． 0 外设与安卓设备之间低功耗的连接方式 ， 可穿戴设 备及物联网将会得到快速发展。采用传统蓝牙进行 产品开发的文献较多， 但由于 Android 4． 3 发布近 10 个月， 有关开发文献较少， 另一方面蓝牙 4． 0 开 ［3 ］ 发与传统蓝牙开发技术差别较大 。因此本文首先 简要介绍蓝牙 4． 0 及低功耗技术协议栈， 然后重点 介绍 Android 4． 3 低功耗应用程序分层结构和关键 技术， 最后给出一个应用程序开发实例进行分析 。
图2 心率规范组成
检查并开启 BLE 功能
应用程序使用蓝牙功能时， 首先需要验证手机 操作系统 Android 是否支持 BLE 功能。 如果支持， 则需要检查手机是否具有蓝牙硬件功能 。软件通过 蓝牙 适 配 器 类 BluetoothAdapter 表 示 此 硬 件 功 能。 应用程序与适配器对象进行交互， 获取适配器之后， 需要查看是否开启， 可以调用 isEnabled （ ） 来查询当 前蓝牙设备的开关状态， 如果返回值为 false， 则表示 蓝牙设备没有打开， 这时以 ACTION_ＲEQUEST_ENABLE 为参数新建一个 intent， 然后调用 startActivity-
图1 蓝牙低功耗技术协议栈
如果手机发送数据给测量计， 手机就是服务器， 测量 计是客户机。本文开发的手机应用程序是 GATT 客 户机 程 序， 从 测 量 计 获 取 数 据； 心 率 测 量 计 作 为 GATT 服务器向手机提供测量数据。 2． 3 开发 BLE 应用程序的关键技术 BLE 程序开发的主要内容有用户界面设计、 业
务层数据处理和通信层数据通信。通信层程序实现 的关键 技 术 包 括 BLE 授 权、 开 启 BLE 功 能、 搜索 BLE 外设、 建立连接及通信等。 2． 3． 1 BLE 授权 与普通蓝牙程序一样， 为了使 Android 手机能 够与蓝牙外设通信， 必须要在应用程序的 AndroidManifest． xml 文件中进行授权。 2． 3． 2
连接 BLE 设备； BLE 设备作为外设 （ Peripheral ） 存 在， 负责响应连接。当两者一旦建立联系后， 在进行 通信的 过 程 中， 它 们 的 地 位 就 发 生 了 改 变。 例 如 Android 4． 3 手机和心率测量计的关系； 心率测量计 是符合心率测量计规范 （ Heart Ｒate Profile ） 的 BLE 外设， 手机上安装支持 BLE 的心率测量应用程序。 当用户握住心率测量计就可以测量出心跳次数 。 如 果心率测量计把测量数据传送给手机， 这时心率测 量计是 GATT 服务器， 手机是 GATT 客户机。 反之，
第 16 卷 第 5 期
重庆科技学院学报（ 自然科学版）
2014 年 10 月
基于 Android 系统的低功耗蓝牙应用程序开发
李侠
1
沈峰
2
李德胜
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( 1． 安徽电子信息职业技术学院软件学院，安徽 蚌埠 233000 ; 2． 安徽科技学院计算机科学与技术系，安徽 凤阳 233100 )
摘 要： 针对 Android 4． 3 开发低功耗蓝牙程序涉及低功耗蓝牙协议栈 、 蓝牙外设及与传统蓝牙开发区别较大等问
题， 从蓝牙低功耗技术协议栈 、 程序分层结构和关键技术等方面进行阐述 。 对于蓝牙低功耗技术协议栈， 应用程序 主要考虑与 GATT 层通信和应用层规范； 程序体系结构设计为分层结构 。 通过实例讨论低功耗蓝牙程序的关键技 术， 程序运行结果表明该系统开发达到了设计要求 。 关键词： 低功耗蓝牙； Android 4． 3 ； 心率测量计； 分层结构； GATT 服务器 中图分类号： TP391． 9 文献标识码： A 文章编号： 1673 － 1980 （ 2014 ） 05 － 0133 － 04
public void onCharacteristicＲead （ ） ｛ tic） ； ｝ public void onCharacteristicChanged （ ）
tUpdate （ ACTION _ DATA _ AVAILABLE ，characteris-
类的 startLeScan （ ） 方 法， 此 方 法 使 用 接 口 BluetoothAdapter． LeScanCallback 作为参数， 必须要实现 这个回调接口， 通过接口中的回调函数得到 BLE 设 备。与传统蓝牙程序相似， 由于搜索外设非常消耗 电能， 因此一旦搜索到所需设备， 应该立即停止搜 索。另外， 搜索时长必须设定限制， 不能无限制进 行。如果只想搜索指定类型的 BLE 外设， 则调用 ］ ，BluetoothAdapter． LeScanCalstartLeScan （ UUID ［ lback） ， ］数 组 中 指 定 GATT 服 务 器 的 在 UUID ［ UUID。实现上述功能的主要代码如下： mBluetoothAdapter． startLeScan （ mLeScanCallback） ； private BluetoothAdapter． LeScanCallback mLeScanCallback = new BluetoothAdapter． LeScanCallback（ ） ｛ …｝ ； 2． 3． 4 与 GATT 服务器建立连接及通信 Android 手机为了与 BLE 搜索到 BLE 设备后，