Characteristic: co to je, typy dat a čtení hodnot

Co je Characteristic v BLE?

Characteristic je atribut protokolu GATT, který obsahuje hodnotu (value) a metadata. V architektuře BLE se data nepřenášejí přímo mezi zařízeními, ale prostřednictvím čtení a zápisu hodnot charakteristik služby. Pokud je služba složka, pak Characteristic je soubor v této složce.

Každá Characteristic se skládá ze tří komponent: deklarace (declaration), hodnota (value) a deskriptory (descriptors). Deklarace obsahuje UUID charakteristiky a její vlastnosti. Hodnota jsou vlastní data přenášená mezi Central a Peripheral. Deskriptory poskytují dodatečnou konfiguraci.

Podle Bluetooth Core Specification 5.4 (2023) probíhají všechny výměny dat v BLE prostřednictvím operací nad charakteristikami. Dokonce i standardní profily, jako je Heart Rate Profile nebo Battery Service, jsou postaveny na sadě charakteristik s předdefinovanými UUID. To zajišťuje kompatibilitu zařízení různých výrobců bez předchozí konfigurace.

Pro vývojáře je důležité pochopit: každá Characteristic může podporovat různé kombinace vlastností. Jedna charakteristika může být pouze pro čtení, druhá — pro zápis, třetí — pro oznámení. Správný výběr vlastností určuje scénář použití a spotřebu energie zařízení.

Vlastnosti a oprávnění Characteristic

Vlastnosti (properties) charakteristiky určují, jaké operace jsou na ní povoleny. Jedná se o bajtovou masku, kde každý bit zapíná nebo vypíná určitou operaci. Níže jsou uvedeny hlavní vlastnosti.

Oprávnění (permissions) jsou úroveň přístupu na úrovni serveru GATT. Na rozdíl od vlastností, které jsou deklarovány v deklaraci charakteristiky, oprávnění se kontrolují při každé operaci. Mohou zahrnovat požadavky na šifrování a autentizaci.

Standardní charakteristiky Bluetooth SIG

Bluetooth SIG specifikoval více než 500 standardních charakteristik, které pokrývají většinu běžných scénářů použití BLE. Použití standardních UUID zaručuje, že jakékoli přijímací zařízení správně interpretuje data bez předchozí konfigurace.

Zde jsou nejčastěji používané standardní charakteristiky:

Pokud existující standardní charakteristika pokrývá váš úkol — použijte ji. To zjednodušuje certifikaci Bluetooth a zvyšuje kompatibilitu s ekosystémem. Vlastní charakteristiky vytvářejte pouze pro jedinečná data, která nejsou v registru SIG.

Jak vytvořit Characteristic v iOS a Android

Vytvoření charakteristiky se provádí na straně Peripheral — zařízení, které poskytuje data. Podívejme se na implementaci na iOS (Swift) a Android (Java).

iOS: CBMutableCharacteristic

Core Bluetooth poskytuje třídu CBMutableCharacteristic pro vytvoření charakteristiky s uvedením UUID, vlastností a počáteční hodnoty.

import CoreBluetooth

let characteristicUUID = CBUUID("2A19") // Charakteristika úrovně baterie

let characteristic = CBMutableCharacteristic(
    type: characteristicUUID,
    properties: [.read, .notify],
    value: nil,
    permissions: [.readable]
)

// Aktualizovat hodnotu při změně
let batteryData = Data([batteryLevel]) // uint8
peripheralManager.updateValue(
    batteryData,
    for: characteristic,
    onSubscribedCentrals: nil
)

Android: BluetoothGattCharacteristic

Na Androidu se charakteristika vytváří pomocí BluetoothGattCharacteristic s uvedením UUID, vlastností a oprávnění.

import android.bluetooth.*;

UUID charUuid = UUID.fromString("00002A19-0000-1000-8000-00805F9B34FB");

BluetoothGattCharacteristic characteristic =
    new BluetoothGattCharacteristic(
        charUuid,
        BluetoothGattCharacteristic.PROPERTY_READ
            | BluetoothGattCharacteristic.PROPERTY_NOTIFY,
        BluetoothGattCharacteristic.PERMISSION_READ
    );

// Nastavit hodnotu
characteristic.setValue(batteryLevel, BluetoothGattCharacteristic.FORMAT_UINT8, 0);
gattServer.notifyCharacteristicChanged(device, characteristic, false);

Čtení, zápis a oznámení

Operace nad Characteristic se dělí na tři typy: čtení (read), zápis (write) a oznámení (notify/indicate). Výběr operace závisí na scénáři: data na vyžádání se čtou, příkazy se zapisují, datové toky se odebírají prostřednictvím oznámení.

Read — Central odešle požadavek na čtení hodnoty charakteristiky. Peripheral odpoví aktuální hodnotou. Operace je synchronní a vyžaduje explicitní požadavek z obou stran. Používá se pro data, která se mění zřídka: verze firmwaru, sériové číslo, nastavení.

Write — Central odešle data na Peripheral. Existují dva režimy: Write with Response (potvrzení od Peripheral) a Write Without Response (bez potvrzení). Write with Response zaručuje doručení — Peripheral pošle potvrzení po zápisu. Write Without Response je rychlejší, ale nezaručuje doručení.

Notify a Indicate — Peripheral iniciuje odesílání dat Central. Při Notify jsou data odeslána bez potvrzení — pokud Central nestihl paket přijmout, je ztracen. Při Indicate Central odešle potvrzení (na úrovni PDU), což zaručuje doručení. Indicate je pomalejší, ale spolehlivější. Pro odběr oznámení zapíše Central hodnotu 0x0001 do CCCD (Client Characteristic Configuration Descriptor).

MTU a velikost přenášených dat

MTU (Maximum Transmission Unit) určuje maximální velikost jednoho datového paketu BLE. Ve výchozím nastavení je MTU 23 bajtů, z nichž 3 bajty tvoří hlavička — užitečné zatížení (ATT payload) je 20 bajtů. To je dostatečné pro většinu senzorových dat, ale nedostatečné pro přenos souborů nebo velkých konfigurací.

Bluetooth Core Specification 5.4 podporuje vyjednávání MTU (MTU negotiation) — Central a Peripheral se mohou dohodnout na větší velikosti paketu až do 517 bajtů. Proces vypadá takto: Central odešle požadavek MTU Exchange s návrhem svého MTU; Peripheral odpoví svým MTU; použije se menší z obou hodnot.

// iOS požaduje MTU při připojení
// Maximální MTU v iOS je 185 bajtů
func peripheral(
    _ peripheral: CBPeripheral,
    didDiscoverServices error: Error?
) {
    // Požadovat MTU pro konkrétní periferní zařízení
    peripheral.maximumWriteValueLength(for: .withResponse)
}

Podle Bluetooth SIG (2023) snižuje zvýšení MTU z 23 na 185 bajtů režii přenosu dat až o 80 % díky snížení počtu paketů. Pro aplikace přenášející údaje s vysokou frekvencí (např. EKG nebo akcelerometr) je zvýšení MTU kritické pro stabilitu datového toku.