Characteristic: τι είναι, τύποι δεδομένων και ανάγνωση τιμών

Τι είναι το Characteristic στο BLE;

Characteristic είναι ένα χαρακτηριστικό του πρωτοκόλλου GATT που περιέχει μια τιμή (value) και μεταδεδομένα. Στην αρχιτεκτονική BLE, τα δεδομένα δεν μεταφέρονται απευθείας μεταξύ συσκευών, αλλά μέσω ανάγνωσης και εγγραφής τιμών χαρακτηριστικών της υπηρεσίας. Εάν η υπηρεσία είναι ένας φάκελος, τότε το Characteristic είναι ένα αρχείο μέσα σε αυτόν τον φάκελο.

Κάθε Characteristic αποτελείται από τρία συστατικά: δήλωση (declaration), τιμή (value) και περιγραφείς (descriptors). Η δήλωση περιέχει το UUID του χαρακτηριστικού και τις ιδιότητές του. Η τιμή είναι τα πραγματικά δεδομένα που μεταφέρονται μεταξύ Central και Peripheral. Οι περιγραφείς παρέχουν πρόσθετη διαμόρφωση.

Σύμφωνα με το Bluetooth Core Specification 5.4 (2023), όλες οι ανταλλαγές δεδομένων στο BLE γίνονται μέσω λειτουργιών σε χαρακτηριστικά. Ακόμα και τα τυπικά προφίλ, όπως το Heart Rate Profile ή το Battery Service, είναι χτισμένα πάνω σε ένα σύνολο χαρακτηριστικών με προκαθορισμένα UUID. Αυτό εξασφαλίζει συμβατότητα συσκευών διαφορετικών κατασκευαστών χωρίς προηγούμενη διαμόρφωση.

Είναι σημαντικό για τον προγραμματιστή να κατανοήσει: κάθε Characteristic μπορεί να υποστηρίζει διαφορετικούς συνδυασμούς ιδιοτήτων. Ένα χαρακτηριστικό μπορεί να είναι μόνο για ανάγνωση, άλλο — μόνο για εγγραφή, τρίτο — για ειδοποιήσεις. Η σωστή επιλογή ιδιοτήτων καθορίζει το σενάριο χρήσης και την κατανάλωση ενέργειας της συσκευής.

Ιδιότητες και δικαιώματα Characteristic

Ιδιότητες (properties) του χαρακτηριστικού καθορίζουν ποιες λειτουργίες επιτρέπονται σε αυτό. Είναι μια μάσκα byte, όπου κάθε bit ενεργοποιεί ή απενεργοποιεί μια συγκεκριμένη λειτουργία. Παρακάτω παρατίθενται οι κύριες ιδιότητες.

Δικαιώματα (permissions) είναι το επίπεδο πρόσβασης σε επίπεδο διακομιστή GATT. Σε αντίθεση με τις ιδιότητες που δηλώνονται στη δήλωση του χαρακτηριστικού, τα δικαιώματα ελέγχονται σε κάθε λειτουργία. Μπορεί να περιλαμβάνουν απαιτήσεις κρυπτογράφησης και πιστοποίησης ταυτότητας.

Τυπικά χαρακτηριστικά Bluetooth SIG

Bluetooth SIG έχει προσδιορίσει περισσότερα από 500 τυπικά χαρακτηριστικά που καλύπτουν τα περισσότερα κοινά σενάρια χρήσης BLE. Η χρήση τυπικών UUID εγγυάται ότι οποιαδήποτε συσκευή λήψης θα ερμηνεύσει σωστά τα δεδομένα χωρίς προηγούμενη διαμόρφωση.

Ακολουθούν τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα τυπικά χαρακτηριστικά:

Εάν ένα υπάρχον τυπικό χαρακτηριστικό καλύπτει την εργασία σας — χρησιμοποιήστε το. Αυτό απλοποιεί την πιστοποίηση Bluetooth και αυξάνει τη συμβατότητα με το οικοσύστημα. Δημιουργήστε προσαρμοσμένα χαρακτηριστικά μόνο για μοναδικά δεδομένα που δεν υπάρχουν στο μητρώο SIG.

Πώς να δημιουργήσετε Characteristic σε iOS και Android

Η δημιουργία χαρακτηριστικού γίνεται στην πλευρά του Peripheral — της συσκευής που παρέχει δεδομένα. Ας εξετάσουμε την υλοποίηση σε iOS (Swift) και Android (Java).

iOS: CBMutableCharacteristic

Το Core Bluetooth παρέχει την κλάση CBMutableCharacteristic για τη δημιουργία χαρακτηριστικού με καθορισμό UUID, ιδιοτήτων και αρχικής τιμής.

import CoreBluetooth

let characteristicUUID = CBUUID("2A19") // Χαρακτηριστικό επιπέδου μπαταρίας

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

// Ενημέρωση τιμής κατά την αλλαγή
let batteryData = Data([batteryLevel]) // uint8
peripheralManager.updateValue(
    batteryData,
    for: characteristic,
    onSubscribedCentrals: nil
)

Android: BluetoothGattCharacteristic

Στο Android, το χαρακτηριστικό δημιουργείται μέσω BluetoothGattCharacteristic με καθορισμό UUID, ιδιοτήτων και δικαιωμάτων.

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
    );

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

Ανάγνωση, εγγραφή και ειδοποιήσεις

Οι λειτουργίες στο Characteristic χωρίζονται σε τρεις τύπους: ανάγνωση (read), εγγραφή (write) και ειδοποιήσεις (notify/indicate). Η επιλογή λειτουργίας εξαρτάται από το σενάριο: τα δεδομένα κατόπιν αιτήματος διαβάζονται, οι εντολές γράφονται, τα δεδομένα ροής εγγράφονται σε ειδοποιήσεις.

Read — Το Central στέλνει αίτημα ανάγνωσης της τιμής του χαρακτηριστικού. Το Peripheral απαντά με την τρέχουσα τιμή. Η λειτουργία είναι σύγχρονη και απαιτεί σαφές αίτημα και από τις δύο πλευρές. Χρησιμοποιείται για δεδομένα που αλλάζουν σπάνια: έκδοση υλικολογισμικού, σειριακός αριθμός, ρυθμίσεις.

Write — Το Central στέλνει δεδομένα στο Peripheral. Υπάρχουν δύο τρόποι: Write with Response (επιβεβαίωση από το Peripheral) και Write Without Response (χωρίς επιβεβαίωση). Το Write with Response εγγυάται την παράδοση — το Peripheral στέλνει επιβεβαίωση μετά την εγγραφή. Το Write Without Response είναι ταχύτερο, αλλά δεν εγγυάται την παράδοση.

Notify και Indicate — Το Peripheral ξεκινά την αποστολή δεδομένων στο Central. Στο Notify, τα δεδομένα αποστέλλονται χωρίς επιβεβαίωση — εάν το Central δεν πρόλαβε να λάβει το πακέτο, χάνεται. Στο Indicate, το Central στέλνει επιβεβαίωση (σε επίπεδο PDU), που εγγυάται την παράδοση. Το Indicate είναι πιο αργό, αλλά πιο αξιόπιστο. Για εγγραφή σε ειδοποιήσεις, το Central γράφει την τιμή 0x0001 στο CCCD (Client Characteristic Configuration Descriptor).

MTU και μέγεθος μεταφερόμενων δεδομένων

MTU (Maximum Transmission Unit) καθορίζει το μέγιστο μέγεθος ενός πακέτου δεδομένων BLE. Από προεπιλογή, το MTU είναι 23 byte, εκ των οποίων τα 3 byte είναι η κεφαλίδα — το ωφέλιμο φορτίο (ATT payload) είναι 20 byte. Αυτό είναι αρκετό για τα περισσότερα δεδομένα αισθητήρων, αλλά ανεπαρκές για μεταφορά αρχείων ή μεγάλων διαμορφώσεων.

Το Bluetooth Core Specification 5.4 υποστηρίζει διαπραγμάτευση MTU (MTU negotiation) — το Central και το Peripheral μπορούν να συμφωνήσουν σε μεγαλύτερο μέγεθος πακέτου έως 517 byte. Η διαδικασία έχει ως εξής: το Central στέλνει αίτημα MTU Exchange με πρόταση του MTU του· το Peripheral απαντά με το δικό του MTU· χρησιμοποιείται η μικρότερη από τις δύο τιμές.

// Το iOS ζητά MTU κατά τη σύνδεση
// Μέγιστο MTU στο iOS είναι 185 byte
func peripheral(
    _ peripheral: CBPeripheral,
    didDiscoverServices error: Error?
) {
    // Αίτημα MTU για συγκεκριμένη περιφερειακή συσκευή
    peripheral.maximumWriteValueLength(for: .withResponse)
}

Σύμφωνα με το Bluetooth SIG (2023), η αύξηση του MTU από 23 σε 185 byte μειώνει το κόστος μεταφοράς δεδομένων έως και 80% λόγω μείωσης του αριθμού των πακέτων. Για εφαρμογές που μεταδίδουν μετρήσεις υψηλής συχνότητας (π.χ. ΗΚΓ ή επιταχυνσιόμετρο), η αύξηση του MTU είναι κρίσιμη για τη σταθερότητα της ροής.