Characteristic: Was es ist, Datentypen und Werte auslesen

Was ist eine Characteristic in BLE?

Eine Characteristic ist ein Attribut des GATT-Protokolls, das einen Wert und Metadaten enthält. In der BLE-Architektur werden Daten nicht direkt zwischen Geräten übertragen, sondern durch Lesen und Schreiben der Werte von Dienst-Characteristics. Wenn ein Dienst ein Ordner ist, dann ist eine Characteristic eine Datei in diesem Ordner.

Jede Characteristic besteht aus drei Komponenten: Deklaration (declaration), Wert (value) und Deskriptoren (descriptors). Die Deklaration enthält die UUID der Characteristic und ihre Eigenschaften. Der Wert sind die tatsächlichen Daten, die zwischen Central und Peripheral übertragen werden. Deskriptoren bieten zusätzliche Konfiguration.

Laut der Bluetooth Core Specification 5.4 (2023) erfolgen alle Datenaustausche in BLE über Operationen an Characteristics. Sogar Standardprofile wie Heart Rate Profile oder Battery Service basieren auf einer Reihe von Characteristics mit vordefinierten UUIDs. Dies gewährleistet die Kompatibilität von Geräten verschiedener Hersteller ohne Vorkonfiguration.

Für Entwickler ist es wichtig zu verstehen: Jede Characteristic kann verschiedene Eigenschaftskombinationen unterstützen. Eine Characteristic kann schreibgeschützt sein, eine andere zum Schreiben, eine dritte für Benachrichtigungen. Die richtige Wahl der Eigenschaften bestimmt das Nutzungsszenario und den Stromverbrauch des Geräts.

Eigenschaften und Berechtigungen der Characteristic

Die Eigenschaften (properties) einer Characteristic definieren, welche Operationen an ihr erlaubt sind. Es handelt sich um eine Byte-Maske, bei der jedes Bit eine bestimmte Operation aktiviert oder deaktiviert. Nachfolgend sind die wichtigsten Eigenschaften aufgeführt.

Berechtigungen (permissions) sind die Zugriffsebene auf der GATT-Serverebene. Im Gegensatz zu Eigenschaften, die in der Deklaration der Characteristic deklariert werden, werden Berechtigungen bei jeder Operation überprüft. Sie können Verschlüsselungs- und Authentifizierungsanforderungen umfassen.

Standard-Characteristics von Bluetooth SIG

Bluetooth SIG hat über 500 Standard-Characteristics spezifiziert, die die meisten gängigen BLE-Anwendungsfälle abdecken. Die Verwendung von Standard-UUIDs stellt sicher, dass jedes empfangende Gerät die Daten ohne Vorkonfiguration korrekt interpretiert.

Hier sind die am häufigsten verwendeten Standard-Characteristics:

Wenn eine vorhandene Standard-Characteristic Ihre Aufgabe abdeckt, verwenden Sie sie. Dies vereinfacht die Bluetooth-Zertifizierung und verbessert die Kompatibilität mit dem Ökosystem. Erstellen Sie benutzerdefinierte Characteristics nur für eindeutige Daten, die nicht im SIG-Register enthalten sind.

Erstellen einer Characteristic in iOS und Android

Das Erstellen einer Characteristic erfolgt auf der Peripheral-Seite — dem Gerät, das die Daten bereitstellt. Sehen wir uns die Implementierungen auf iOS (Swift) und Android (Java) an.

iOS: CBMutableCharacteristic

Core Bluetooth stellt die Klasse CBMutableCharacteristic zum Erstellen einer Characteristic mit UUID, Eigenschaften und Anfangswert bereit.

import CoreBluetooth

let characteristicUUID = CBUUID("2A19") // Batteriestandsmerkmal

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

// Wert bei Änderung aktualisieren
let batteryData = Data([batteryLevel]) // uint8
peripheralManager.updateValue(
    batteryData,
    for: characteristic,
    onSubscribedCentrals: nil
)

Android: BluetoothGattCharacteristic

Unter Android wird eine Characteristic mit BluetoothGattCharacteristic mit UUID, Eigenschaften und Berechtigungen erstellt.

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
    );

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

Lesen, Schreiben und Benachrichtigungen

Die Operationen an einer Characteristic unterteilen sich in drei Typen: Lesen (read), Schreiben (write) und Benachrichtigungen (notify/indicate). Die Wahl hängt vom Szenario ab: Daten auf Abruf werden gelesen, Befehle geschrieben, Streaming-Daten abonnieren Benachrichtigungen.

Read: Central sendet eine Anfrage zum Lesen des Characteristic-Werts. Peripheral antwortet mit dem aktuellen Wert. Die Operation ist synchron und erfordert eine explizite Anfrage von jeder Seite. Verwendet für Daten, die sich selten ändern: Firmware-Version, Seriennummer, Einstellungen.

Write: Central sendet Daten an Peripheral. Es gibt zwei Modi: Write with Response (Bestätigung von Peripheral) und Write Without Response (ohne Bestätigung). Write with Response garantiert die Zustellung — Peripheral sendet nach dem Schreiben eine Bestätigung. Write Without Response ist schneller, garantiert jedoch keine Zustellung.

Notify und Indicate: Peripheral initiiert die Datenübertragung an Central. Bei Notify werden Daten ohne Bestätigung gesendet — wenn Central das Paket nicht empfängt, geht es verloren. Bei Indicate sendet Central eine Bestätigung (PDU-Ebene), was die Zustellung garantiert. Indicate ist langsamer, aber zuverlässiger. Um Benachrichtigungen zu abonnieren, schreibt Central den Wert 0x0001 in den CCCD (Client Characteristic Configuration Descriptor).

MTU und Größe der übertragenen Daten

MTU (Maximum Transmission Unit) definiert die maximale Größe eines einzelnen BLE-Datenpakets. Standardmäßig beträgt das MTU 23 Bytes, wovon 3 Bytes der Header sind — die Nutzlast (ATT-Payload) beträgt 20 Bytes. Dies ist für die meisten Sensordaten ausreichend, aber nicht für Dateiübertragungen oder große Konfigurationen.

Bluetooth Core Specification 5.4 unterstützt MTU-Aushandlung — Central und Peripheral können sich auf eine größere Paketgröße von bis zu 517 Bytes einigen. Der Prozess funktioniert wie folgt: Central sendet eine MTU-Exchange-Anfrage mit seinem vorgeschlagenen MTU; Peripheral antwortet mit seinem MTU; der kleinere der beiden Werte wird verwendet.

// iOS fordert MTU bei Verbindung an
// Maximale MTU in iOS ist 185 Bytes
func peripheral(
    _ peripheral: CBPeripheral,
    didDiscoverServices error: Error?
) {
    // MTU für bestimmtes Peripheriegerät anfordern
    peripheral.maximumWriteValueLength(for: .withResponse)
}

Laut Bluetooth SIG (2023) reduziert die Erhöhung des MTU von 23 auf 185 Bytes den Datenübertragungs-Overhead um bis zu 80% aufgrund weniger Pakete. Für Anwendungen, die hochfrequente Messwerte übertragen (z. B. EKG oder Beschleunigungsmesser), ist die MTU-Erhöhung für die Stream-Stabilität entscheidend.