Central — ما هو، دوره في BLE وكيف يمسح الأجهزة

ما هو Central في BLE؟

Central هو عميل GATT في بنية Bluetooth Low Energy الذي يبدأ جميع الاتصالات. على عكس Peripheral الذي ينتظر الاتصالات بشكل سلبي ويعلن عن خدماته، يقوم Central بمسح الأثير بنشاط واكتشاف حزم الإعلان وبدء الاتصالات.

النموذج غير المتماثل Central-Peripheral هو سمة أساسية لـ BLE. يدير Central منطق التفاعل: يقرر أي جهاز يتصل به، وأي الخدمات يستكشف، وأي الخصائص يقرأ ويكتب. Peripheral يعمل كخادم بيانات — يخزن الخدمات والخصائص لكنه لا يبدأ الاتصالات.

وفقاً Bluetooth Core Specification 5.4 (2023)، يمكن للجهاز أن يكون Central و Peripheral في نفس الوقت (دور مزدوج). على سبيل المثال، يمكن للهاتف الذكي أن يكون Central لسوار اللياقة البدنية و Peripheral لهاتف ذكي آخر ينقل الملفات. ومع ذلك، فإن التشغيل المتزامن في كلا الدورين يزيد من استهلاك الطاقة وتعقيد إدارة الاتصالات.

في نظام تطوير الأجهزة المحمولة، دور Central هو السيناريو الأكثر شيوعاً. تطبيق على الهاتف الذكي يبحث عن أجهزة BLE (أجهزة استشعار، سماعات، أساور)، يتصل بها ويستقبل البيانات. يستخدم المطور واجهة برمجة تطبيقات نظام التشغيل للعمل مع Central: CBCentralManager على iOS، BluetoothLeScanner و BluetoothGatt على Android.

عملية مسح الأجهزة

المسح هو المرحلة الأولى من عمل Central. يستمع الجهاز على قنوات الراديو BLE (37، 38، 39) لاكتشاف حزم الإعلان التي ترسلها الأجهزة الطرفية بشكل دوري. تحتوي كل حزمة إعلان على اسم الجهاز وقائمة UUIDات الخدمة والبيانات المخصصة.

يمكن لـ Central العمل في وضعي مسح: المسح السلبي (استقبال حزم الإعلان فقط) والمسح النشط (إرسال طلب مسح للحصول على بيانات إضافية عبر استجابة المسح). المسح السلبي يوفر الطاقة لكنه يعطي معلومات أقل. المسح النشط يسمح بالحصول على بيانات كاملة لحزمة الإعلان، بما في ذلك اسم الجهاز وقائمة الخدمات الكاملة.

التصفية بواسطة UUID هي تحسين مهم. يمكن لـ Central مسح الأجهزة ذات UUID خدمة محدد فقط، متجاهلاً الباقي. هذا لا يوفر الطاقة فحسب، بل يبسط أيضاً منطق التطبيق: يتلقى المفوض الأجهزة ذات الصلة فقط.

import CoreBluetooth

class BLECentralManager: NSObject, CBCentralManagerDelegate {

    private var centralManager: CBCentralManager!

    override init() {
        super.init()
        centralManager = CBCentralManager(
            delegate: self,
            queue: nil
        )
    }

    func centralManagerDidUpdateState(_ central: CBCentralManager) {
        if central.state == .poweredOn {
            central.scanForPeripherals(
                withServices: nil,
                options: [
                    CBCentralManagerScanOptionAllowDuplicatesKey: false
                ]
            )
        }
    }
}

إدارة الاتصالات

إدارة الاتصالات هي المسؤولية الرئيسية لـ Central. بعد اكتشاف Peripheral مناسب، يبدأ Central اتصالاً. يتم إنشاء اتصال BLE من خلال إجراء إنشاء الاتصال الذي يتضمن تبادل المعلمات: فاصل الاتصال، وزمن استجابة التابع، ومهلة الإشراف.

يحدد فاصل الاتصال مدى تكرار تبادل البيانات بين Central و Peripheral بعد الاتصال. يمكن أن يتراوح الفاصل من 7.5 مللي ثانية إلى 4 ثوانٍ. كلما كان الفاصل أقصر، زادت الإنتاجية، ولكن زاد استهلاك الطاقة أيضاً. زمن استجابة التابع يسمح لـ Peripheral بتخطي عدة أحداث اتصال لتوفير الطاقة. مهلة الإشراف هي أقصى وقت دون استجابة وبعدها يعتبر الاتصال مفقوداً.

Central مسؤول عن إنهاء الاتصال بعد اكتمال تبادل البيانات. عادة لا تحافظ أجهزة BLE على اتصال دائم — يتصل Central ويحصل على البيانات وينقطع. هذا نمط قياسي لأجهزة استشعار إنترنت الأشياء: يمسح Central ويجد مستشعر درجة حرارة ويتصل ويقرأ القيمة وينقطع.

Central على iOS: Core Bluetooth

Core Bluetooth هو إطار عمل Apple للعمل مع BLE على iOS و macOS. توفر فئة CBCentralManager واجهة برمجة تطبيقات كاملة لتنفيذ دور Central: المسح والاتصال وإدارة الاتصالات. يعتمد العمل مع Central على iOS على نموذج المفوض: يتلقى CBCentralManagerDelegate أحداث تغيير الحالة واكتشاف الأجهزة ونتائج الاتصال.

الخطوات الرئيسية لـ Central على iOS: تهيئة CBCentralManager، التحقق من حالة Bluetooth، بدء المسح، معالجة الأجهزة المكتشفة عبر المفوض، الاتصال بـ Peripheral المحدد، اكتشاف الخدمات والخصائص، تبادل البيانات.

// الاتصال بـ Peripheral المكتشف
func centralManager(
    _ central: CBCentralManager,
    didDiscover peripheral: CBPeripheral,
    advertisementData: [String: Any],
    rssi RSSI: NSNumber
) {
    // الاحتفاظ بمرجع إلى peripheral والاتصال
    discoveredPeripheral = peripheral
    central.connect(peripheral, options: nil)
}

// اتصال ناجح
func centralManager(
    _ central: CBCentralManager,
    didConnect peripheral: CBPeripheral
) {
    peripheral.delegate = self
    peripheral.discoverServices(nil)
}

يقيد iOS عمل BLE في الخلفية: في الخلفية، يمكن للتطبيق المسح فقط بمفاتيح محددة في Info.plist، ويمكن للأجهزة المتصلة إخطار Central بتغييرات البيانات. للتطبيقات الحرجة (الأجهزة الطبية)، استخدم أوضاع الخلفية مع مفتاح bluetooth-central.

Central على Android: BluetoothLeScanner

Android يوفر واجهة برمجة تطبيقات BluetoothLeScanner لمسح أجهزة BLE و BluetoothGatt لإدارة الاتصالات. ابتداءً من Android 5.0 (API 21)، حل BluetoothLeScanner محل startLeScan القديم. تتطلب واجهة برمجة التطبيقات أذونات BLUETOOTH و BLUETOOTH_ADMIN و ACCESS_FINE_LOCATION (أو ACCESS_BACKGROUND_LOCATION لنظام Android 10+).

import android.bluetooth.le.*;
import android.bluetooth.*;

private BluetoothLeScanner scanner;
private BluetoothGatt bluetoothGatt;

// تكوين المسح
ScanSettings settings = new ScanSettings.Builder()
    .setScanMode(ScanSettings.SCAN_MODE_LOW_LATENCY)
    .build();

// بدء المسح
scanner.startScan(null, settings, new ScanCallback() {
    @Override
    public void onScanResult(
            int callbackType,
            ScanResult result
    ) {
        BluetoothDevice device = result.getDevice();
        // الاتصال بالجهاز
        bluetoothGatt = device.connectGatt(
            context, false, gattCallback
        );
    }
});

على Android، من المهم مراعاة قيود المسح: ابتداءً من Android 7 (API 24)، لا يمكن بدء المسح أكثر من 5 مرات كل 30 ثانية في التطبيقات التي لا تستخدم الموقع. يتطلب Android 12+ أذونات BLUETOOTH_SCAN و BLUETOOTH_CONNECT و ADVERTISE، بالإضافة إلى طلبات وقت التشغيل لهذه الأذونات.

استهلاك الطاقة لـ Central

استهلاك الطاقة لـ Central أعلى من Peripheral بسبب الحاجة إلى مسح قنوات الراديو باستمرار. يستقبل Central حزم BLE ويعالجها ويدير الاتصالات وغالباً ما يقوم بعمليات حسابية على معالج التطبيق. وفقاً لـ Bluetooth SIG، يستهلك المسح من 30 مللي أمبير إلى 100 مللي أمبير حسب الوضع.

هناك العديد من استراتيجيات توفير الطاقة لـ Central. المسح المتقطع هو الطريقة الأكثر فعالية: يمسح Central بنوافذ قصيرة (نافذة المسح) مع فترات توقف طويلة (فاصل المسح). على سبيل المثال، مع نافذة مسح 30 مللي ثانية وفاصل مسح 1000 مللي ثانية، ينخفض استهلاك الطاقة بنسبة 97% مقارنة بالمسح المستمر.

تحسين إضافي هو التصفية بواسطة UUID. يعالج Central حزم الإعلان ذات الصلة فقط بشكل أسرع، متجاهلاً الباقي. هذا يقلل من حمل المعالج ويزيد من عمر بطارية الجهاز. يُوصى أيضاً بإيقاف المسح فوراً بعد العثور على الجهاز المطلوب وعدم الاحتفاظ بالاتصال لفترة أطول من اللازم.