Peripheral — co to je, role v BLE a jak inzeruje služby

Co je Peripheral v BLE?

Peripheral — je BLE zařízení, které implementuje GATT server a inzeruje své schopnosti prostřednictvím advertising kanálů. Na rozdíl od Central, které aktivně vyhledává zařízení, Peripheral pasivně čeká na připojení. Jedná se o asymetrický model optimalizovaný pro energetickou účinnost zařízení napájených bateriemi.

Peripheral může být v několika režimech: advertising (reklama), connected (připojeno k Central), sleeping (spánek s vypnutou reklamou). V režimu advertising Peripheral periodicky vysílá krátké datové pakety s minimální spotřebou energie. Po připojení přejde Peripheral do režimu connected, kde si vyměňuje data s Central podle dohodnutého connection intervalu.

Podle Bluetooth Core Specification 5.4 (2023) může zařízení dynamicky přepínat mezi rolemi Peripheral a Central, ale v každém okamžiku je pro jedno připojení role pevná. Typický scénář: IoT senzor neustále pracuje v roli Peripheral a smartphone spravuje připojení jako Central.

Pro vývojáře je důležité pochopit: Peripheral určuje, které služby a charakteristiky jsou dostupné, a spravuje k nim přístup. Struktura GATT serveru na Peripheral určuje, jaká data může Central číst a jaké příkazy může zapisovat.

Proces reklamy (Advertising)

Advertising (reklama) — je mechanismus, kterým Peripheral oznamuje svou přítomnost. Peripheral vysílá advertising pakety na třech vyhrazených kanálech (37, 38, 39) v intervalu od 20 ms do 10.24 sekund. Každý reklamní paket obsahuje pevné informace a může zahrnovat volitelná data.

Existují dva typy reklamních paketů: advertising PDU (hlavní paket) a scan response PDU (odpověď na dotaz Central). Hlavní paket obsahuje povinná pole: typ paketu, adresu odesílatele, data. Pokud Central odešle scan request, Peripheral odpoví dalším paketem s úplnějšími informacemi — například s plným názvem zařízení.

Parametry advertising ovlivňují rychlost detekce a spotřebu energie. Advertising interval — čas mezi odesíláním paketů. Čím kratší interval, tím rychleji Central detekuje zařízení, ale tím více energie Peripheral spotřebovává. Doporučený interval: 100–1000 ms pro většinu zařízení.

Struktura reklamního paketu

Reklamní paket BLE má omezení 31 bajtů pro advertising PDU a dalších 31 bajtů pro scan response. Uvnitř paketu jsou data organizována ve formátu AD Structure (Advertising Data Structure): každé pole má typ (1 bajt), délku (1 bajt) a hodnotu.

Nejčastěji používané AD Type: Flags (0x01) — režimy připojení a detekce, Local Name (0x08 nebo 0x09) — název zařízení, Service UUID List (0x02–0x07) — seznam UUID služeb, Manufacturer Specific Data (0xFF) — data výrobce. Správné zabalení dat do 31bajtového paketu je důležitým úkolem pro vývojáře vestavěných zařízení.

Pro zařízení, která potřebují přenést více dat, existuje extended advertising (BLE 5.0+), které zvyšuje velikost reklamního paketu na 251 bajtů a přidává nové typy paketů. Extended advertising také podporuje kódované kanály (coded PHY) pro zvýšení dosahu až na 1 km na otevřeném prostranství.

Při návrhu reklamního paketu zvažte: čím více dat v advertising paketu, tím vyšší je pravděpodobnost kolize s jinými zařízeními. Pro rychlou detekci se doporučuje umístit do advertising PDU pouze kritická data (Service UUID) a doplňková data do scan response.

Peripheral jako GATT server

GATT server na Peripheral obsahuje všechny služby a charakteristiky, které Central může objevit a se kterými může interagovat. Po připojení Central objeví služby (discover services), poté charakteristiky (discover characteristics) a interaguje s nimi prostřednictvím GATT protokolu.

Peripheral jako GATT server musí správně zpracovávat požadavky od Central: čtení (read request), zápis (write request), oznámení (notification) a potvrzená oznámení (indication). Každý požadavek prochází GATT tabulkou, kde každému atributu (služba, charakteristika, deskriptor) odpovídá Handle — 16bitová adresa.

Vývojář Peripheral určuje přístupová práva pro každý atribut: pouze čtení, pouze zápis, čtení i zápis, s šifrováním nebo bez. Pro důvěrná data (osobní informace, lékařské parametry) se doporučuje vyžadovat šifrování prostřednictvím MITM Protection.

Peripheral v iOS: CBPeripheralManager

CBPeripheralManager — třída Core Bluetooth pro implementaci role Peripheral v iOS. Spravuje GATT server, publikuje služby a charakteristiky, zpracovává požadavky od Central. Na rozdíl od CBCentralManager, CBPeripheralManager neskenuje — pouze inzeruje a obsluhuje připojení.

Hlavní kroky implementace Peripheral v iOS: inicializace CBPeripheralManager, přidání služeb pomocí add, spuštění reklamy pomocí startAdvertising, zpracování požadavků od Central prostřednictvím delegáta 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 umožňuje Peripheral pracovat v režimu na pozadí, pokud je v Background Modes přítomen klíč bluetooth-peripheral. Na pozadí může iOS inzerovat s omezenou sadou dat a obsluhovat připojení. Pro dlouhodobou reklamu (více než 180 sekund) použijte volbu CBAdvertisementDataWaitForResponseFromCentral pro úsporu energie.

Peripheral v Android: BluetoothLeAdvertiser

Android poskytuje BluetoothLeAdvertiser pro práci v roli Peripheral (od API 21). API umožňuje spustit reklamu s konfigurovatelnými parametry: výkon vysílače, interval reklamy, data paketu. Android také podporuje extended advertising (BLE 5.0) na kompatibilních zařízeních.

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
    );
}

V Androidu závisí podpora Peripheral na výrobci a verzi OS. Ne všechna zařízení podporují BluetoothLeAdvertiser — ověřte pomocí adapter.isMultipleAdvertisementSupported(). Od Androidu 10 je pro práci v roli Peripheral vyžadováno oprávnění BLUETOOTH_ADVERTISE, stejně jako runtime požadavek pro aplikace s target SDK 31+.

Energetická účinnost Peripheral

Energetická účinnost — klíčová výhoda BLE a Peripheral v tom hraje hlavní roli. Zařízení může pracovat na baterii CR2032 (220 mAh) déle než rok díky optimalizované spotřebě energie. Peripheral tráví většinu času v režimu spánku s vypnutou reklamou a probouzí se pouze pro odeslání reklamního paketu nebo zpracování požadavku od Central.

Spotřeba energie Peripheral v různých režimech: režim spánku (deep sleep) — 1–5 µA, idle se zapnutým časovačem — 10–50 µA, advertising — 5–15 mA (po dobu odesílání paketu), connected — 5–10 mA (po dobu connection event). Při advertising intervalu 1000 ms a délce paketu 4 ms je průměrný proud přibližně 50–100 µA.

Podle Texas Instruments Application Report (SWRA478, 2024) snižuje optimalizace advertising intervalu ze 100 ms na 1000 ms průměrnou spotřebu energie o 90%. Další úspory je dosaženo použitím slave latency (přeskakování connection events), snížením Tx Power na krátké vzdálenosti a vypnutím reklamy po připojení (connectable advertising).