Peripheral — какво е, роля в BLE и как рекламира услуги

Какво е Peripheral в BLE?

Peripheral — BLE устройство, което имплементира GATT сървър и рекламира възможностите си чрез advertising канали. За разлика от Central, което активно търси устройства, Peripheral пасивно очаква свързване. Това е асиметричен модел, оптимизиран за енергийна ефективност на устройства с батерийно захранване.

Peripheral може да бъде в няколко режима: advertising (реклама), connected (свързан към Central), sleeping (сън с изключена реклама). В режим advertising, Peripheral периодично изпраща кратки пакети данни, консумирайки минимална енергия. След свързване, Peripheral преминава в режим connected, където обменя данни с Central според договорения connection interval.

Според Bluetooth Core Specification 5.4 (2023), устройството може динамично да превключва между ролите Peripheral и Central, но във всеки момент, за една връзка, ролята е фиксирана. Типичен сценарий: IoT сензор постоянно работи в ролята на Peripheral, а смартфонът управлява връзката като Central.

За разработчика е важно да разбере: Peripheral определя кои услуги и характеристики са налични и управлява достъпа до тях. Структурата на GATT сървъра на Peripheral определя какви данни Central може да чете и какви команди може да записва.

Процес на реклама (Advertising)

Advertising (реклама) — механизъм, чрез който Peripheral съобщава за присъствието си. Peripheral изпраща advertising пакети на три отделни канала (37, 38, 39) с интервал от 20 ms до 10.24 секунди. Всеки рекламен пакет съдържа фиксирана информация и може да включва опционални данни.

Съществуват два типа рекламни пакети: advertising PDU (основен пакет) и scan response PDU (отговор на заявка от Central). Основният пакет съдържа задължителни полета: тип на пакета, адрес на изпращача, данни. Ако Central изпрати scan request, Peripheral отговаря с допълнителен пакет, съдържащ по-пълна информация — например пълното име на устройството.

Параметрите на advertising влияят на скоростта на откриване и консумацията на енергия. Advertising interval — времето между изпращането на пакети. Колкото по-кратък е интервалът, толкова по-бързо Central открива устройството, но толкова повече енергия консумира Peripheral. Препоръчителен интервал: 100–1000 ms за повечето устройства.

Структура на рекламния пакет

BLE рекламният пакет има ограничение от 31 байта за advertising PDU и още 31 байта за scan response. Вътре в пакета данните са организирани във формат AD Structure (Advertising Data Structure): всяко поле има тип (1 байт), дължина (1 байт) и стойност.

Най-често използваните AD Type: Flags (0x01) — режими на свързване и откриване, Local Name (0x08 или 0x09) — име на устройството, Service UUID List (0x02–0x07) — списък на UUID на услугите, Manufacturer Specific Data (0xFF) — данни на производителя. Правилното опаковане на данни в 31-байтов пакет е важна задача за разработчика на вградени устройства.

За устройства, които трябва да предадат повече данни, съществува extended advertising (BLE 5.0+), което увеличава размера на рекламния пакет до 251 байта и добавя нови типове пакети. Extended advertising също поддържа кодирани канали (coded PHY) за увеличаване на обхвата до 1 km на открито.

При проектиране на рекламния пакет вземете предвид: колкото повече данни има в advertising пакета, толкова по-висока е вероятността от сблъсък с други устройства. За бързо откриване се препоръчва поставяне само на критични данни (Service UUID) в advertising PDU, а допълнителни данни — в scan response.

Peripheral като GATT сървър

GATT сървърът на Peripheral съдържа всички услуги и характеристики, които Central може да открие и с които може да взаимодейства. След свързване, Central открива услугите (discover services), след това характеристиките (discover characteristics) и взаимодейства с тях чрез GATT протокола.

Peripheral като GATT сървър трябва правилно да обработва заявки от Central: четене (read request), запис (write request), уведомления (notification) и потвърдени уведомления (indication). Всяка заявка преминава през GATT таблица, където всеки атрибут (услуга, характеристика, дескриптор) има Handle — 16-битов адрес.

Разработчикът на Peripheral определя правата за достъп до всеки атрибут: само четене, само запис, четене и запис, с криптиране или без. За поверителни данни (лична информация, медицински параметри) се препоръчва изискване на криптиране чрез MITM Protection.

Peripheral в iOS: CBPeripheralManager

CBPeripheralManager — класът Core Bluetooth за имплементиране на ролята Peripheral в iOS. Той управлява GATT сървъра, публикува услуги и характеристики, обработва заявки от Central. За разлика от CBCentralManager, CBPeripheralManager не сканира — само рекламира и обслужва връзки.

Основни стъпки за имплементиране на Peripheral в iOS: инициализиране на CBPeripheralManager, добавяне на услуги чрез add, стартиране на реклама чрез startAdvertising, обработка на заявки от Central чрез делегата CBPeripheralManagerDelegate.

import CoreBluetooth

class BLEPeripheralManager: NSObject, CBPeripheralManagerDelegate {

    private var peripheralManager: CBPeripheralManager!

    func startAdvertising() {
        let advertisementData: [String: Any] = [
            CBAdvertisementDataLocalNameKey: "BLE Sensor",
            CBAdvertisementDataServiceUUIDsKey: [
                CBUUID("180F")
            ]
        ]
        peripheralManager.startAdvertising(advertisementData)
    }

    func peripheralManagerDidUpdateState(
        _ peripheral: CBPeripheralManager
    ) {
        if peripheral.state == .poweredOn {
            startAdvertising()
        }
    }
}

iOS позволява на Peripheral да работи във фонов режим, когато ключът bluetooth-peripheral присъства в Background Modes. На заден план, iOS може да рекламира с ограничен набор от данни и да обслужва връзки. За дълготрайна реклама (над 180 секунди), използвайте опцията CBAdvertisementDataWaitForResponseFromCentral за пестене на енергия.

Peripheral в Android: BluetoothLeAdvertiser

Android предоставя BluetoothLeAdvertiser за работа в ролята на Peripheral (от API 21). API-то позволява стартиране на реклама с конфигурируеми параметри: мощност на предавателя, интервал на реклама, данни на пакета. Android също поддържа extended advertising (BLE 5.0) на съвместими устройства.

import android.bluetooth.le.*;

private BluetoothLeAdvertiser advertiser;

public void startPeripheral() {
    BluetoothAdapter adapter =
        BluetoothAdapter.getDefaultAdapter();
    advertiser = adapter.getBluetoothLeAdvertiser();

    AdvertiseData data = new AdvertiseData.Builder()
        .setIncludeDeviceName(true)
        .addServiceUuid(
            new ParcelUuid(
                UUID.fromString("0000180F-0000-1000-8000-00805F9B34FB")
            )
        )
        .build();

    AdvertiseSettings settings = new AdvertiseSettings.Builder()
        .setAdvertiseMode(AdvertiseSettings.ADVERTISE_MODE_LOW_POWER)
        .setTxPowerLevel(AdvertiseSettings.ADVERTISE_TX_POWER_MEDIUM)
        .build();

    advertiser.startAdvertising(
        settings, data, advertiseCallback
    );
}

На Android, поддръжката на Peripheral зависи от производителя и версията на ОС. Не всички устройства поддържат BluetoothLeAdvertiser — проверявайте чрез adapter.isMultipleAdvertisementSupported(). От Android 10, за работа в ролята на Peripheral се изисква разрешение BLUETOOTH_ADVERTISE, както и runtime заявка за приложения с target SDK 31+.

Енергийна ефективност на Peripheral

Енергийната ефективност — ключовото предимство на BLE, като Peripheral играе основна роля в това. Устройството може да работи на батерия CR2032 (220 mAh) повече от една година благодарение на оптимизирана консумация на енергия. Peripheral прекарва по-голямата част от времето си в режим на сън с изключена реклама, събуждайки се само за изпращане на рекламен пакет или обработка на заявка от Central.

Консумацията на енергия на Peripheral в различни режими: режим на сън (deep sleep) — 1–5 µA, idle с включен таймер — 10–50 µA, advertising — 5–15 mA (за времето на изпращане на пакет), connected — 5–10 mA (за времето на connection event). При advertising interval от 1000 ms и продължителност на пакета 4 ms, средният ток е около 50–100 µA.

Според Texas Instruments Application Report (SWRA478, 2024), оптимизирането на advertising interval от 100 ms на 1000 ms намалява средната консумация на енергия с 90%. Допълнително пестене се постига чрез използване на slave latency (пропускане на connection events), намаляване на Tx Power на къси разстояния и изключване на рекламата след свързване (connectable advertising).