Characteristic: چیست، انواع داده و خواندن مقادیر

Characteristic در BLE چیست؟

Characteristic یک ویژگی از پروتکل GATT است که شامل مقدار (value) و فراداده است. در معماری BLE، داده‌ها مستقیماً بین دستگاه‌ها منتقل نمی‌شوند، بلکه از طریق خواندن و نوشتن مقادیر characteristicهای سرویس منتقل می‌شوند. اگر سرویس یک پوشه باشد، Characteristic یک فایل درون آن پوشه است.

هر Characteristic از سه مؤلفه تشکیل شده است: اعلان (declaration)، مقدار (value) و توصیف‌گرها (descriptors). اعلان شامل UUID characteristic و ویژگی‌های آن است. مقدار، داده‌ای است که بین Central و Peripheral منتقل می‌شود. توصیف‌گرها پیکربندی اضافی را فراهم می‌کنند.

طبق Bluetooth Core Specification 5.4 (2023)، تمام تبادلات داده در BLE از طریق عملیات روی characteristicها انجام می‌شود. حتی پروفایل‌های استاندارد مانند Heart Rate Profile یا Battery Service بر روی مجموعه‌ای از characteristicها با UUIDهای از پیش تعریف‌شده ساخته شده‌اند. این امر سازگاری دستگاه‌های تولیدکنندگان مختلف را بدون پیکربندی قبلی تضمین می‌کند.

برای توسعه‌دهنده مهم است بداند: هر Characteristic می‌تواند از ترکیبات مختلفی از ویژگی‌ها پشتیبانی کند. یک characteristic ممکن است فقط خواندنی باشد، دیگری فقط نوشتنی و سومی برای اعلان‌ها. انتخاب صحیح ویژگی‌ها سناریوی استفاده و مصرف انرژی دستگاه را تعیین می‌کند.

ویژگی‌ها و مجوزهای Characteristic

ویژگی‌ها (properties) مشخص می‌کنند که چه عملیاتی روی characteristic مجاز است. این یک ماسک بایتی است که هر بیت یک عملیات خاص را فعال یا غیرفعال می‌کند. در زیر ویژگی‌های اصلی فهرست شده‌اند.

مجوزها (permissions) سطح دسترسی در سطح سرور GATT هستند. برخلاف ویژگی‌ها که در اعلان characteristic اعلام می‌شوند، مجوزها در هر عملیات بررسی می‌شوند. آنها می‌توانند شامل الزامات رمزنگاری و احراز هویت باشند.

characteristicهای استاندارد Bluetooth SIG

Bluetooth SIG بیش از ۵۰۰ characteristic استاندارد را مشخص کرده است که اکثر سناریوهای رایج استفاده از BLE را پوشش می‌دهند. استفاده از UUIDهای استاندارد تضمین می‌کند که هر دستگاه گیرنده داده‌ها را بدون پیکربندی قبلی به درستی تفسیر کند.

در زیر پرکاربردترین characteristicهای استاندارد آورده شده است:

اگر یک characteristic استاندارد موجود وظیفه شما را پوشش می‌دهد — از آن استفاده کنید. این کار صدور گواهی Bluetooth را ساده‌تر کرده و سازگاری با اکوسیستم را افزایش می‌دهد. characteristicهای سفارشی را فقط برای داده‌های منحصربه‌فردی که در رجیستری SIG وجود ندارند ایجاد کنید.

ایجاد Characteristic در iOS و Android

ایجاد characteristic در سمت Peripheral — دستگاهی که داده‌ها را ارائه می‌دهد — انجام می‌شود. بیایید پیاده‌سازی را در iOS (Swift) و Android (Java) بررسی کنیم.

iOS: CBMutableCharacteristic

Core Bluetooth کلاس CBMutableCharacteristic را برای ایجاد characteristic با مشخص کردن UUID، ویژگی‌ها و مقدار اولیه فراهم می‌کند.

import CoreBluetooth

let characteristicUUID = CBUUID("2A19") // characteristic سطح باتری

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

// به‌روزرسانی مقدار در هنگام تغییر
let batteryData = Data([batteryLevel]) // uint8
peripheralManager.updateValue(
    batteryData,
    for: characteristic,
    onSubscribedCentrals: nil
)

Android: BluetoothGattCharacteristic

در Android، characteristic از طریق BluetoothGattCharacteristic با مشخص کردن UUID، ویژگی‌ها و مجوزها ایجاد می‌شود.

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
    );

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

خواندن، نوشتن و اعلان‌ها

عملیات روی Characteristic به سه نوع تقسیم می‌شوند: خواندن (read)، نوشتن (write) و اعلان‌ها (notify/indicate). انتخاب عملیات به سناریو بستگی دارد: داده‌های درخواستی خوانده می‌شوند، دستورات نوشته می‌شوند، داده‌های جریانی از طریق اعلان‌ها دریافت می‌شوند.

Read — Central درخواست خواندن مقدار characteristic را ارسال می‌کند. Peripheral با مقدار فعلی پاسخ می‌دهد. عملیات همزمان است و از هر طرف نیاز به درخواست صریح دارد. برای داده‌هایی که به ندرت تغییر می‌کنند استفاده می‌شود: نسخه فریمور، شماره سریال، تنظیمات.

Write — Central داده‌ها را به Peripheral ارسال می‌کند. دو حالت وجود دارد: Write with Response (تأیید از Peripheral) و Write Without Response (بدون تأیید). Write with Response تحویل را تضمین می‌کند — Peripheral پس از نوشتن تأییدیه ارسال می‌کند. Write Without Response سریع‌تر است اما تحویل را تضمین نمی‌کند.

Notify و Indicate — Peripheral ارسال داده به Central را آغاز می‌کند. در Notify داده‌ها بدون تأیید ارسال می‌شوند — اگر Central فرصت دریافت بسته را نداشته باشد، از دست می‌رود. در Indicate Central یک تأیید (در سطح PDU) ارسال می‌کند که تحویل را تضمین می‌کند. Indicate کندتر اما قابل‌اعتمادتر است. برای اشتراک در اعلان‌ها، Central مقدار 0x0001 را در CCCD (Client Characteristic Configuration Descriptor) می‌نویسد.

MTU و اندازه داده‌های منتقل‌شده

MTU (Maximum Transmission Unit) حداکثر اندازه یک بسته داده BLE را تعیین می‌کند. به طور پیش‌فرض MTU ۲۳ بایت است که ۳ بایت آن هدر است — بار مفید (ATT payload) ۲۰ بایت است. این برای اکثر داده‌های سنسوری کافی است، اما برای انتقال فایل‌ها یا پیکربندی‌های بزرگ کافی نیست.

Bluetooth Core Specification 5.4 از توافق MTU (MTU negotiation) پشتیبانی می‌کند — Central و Peripheral می‌توانند بر روی اندازه بسته بزرگتر تا ۵۱۷ بایت توافق کنند. فرآیند به این صورت است: Central یک درخواست MTU Exchange با پیشنهاد MTU خود ارسال می‌کند؛ Peripheral با MTU خود پاسخ می‌دهد؛ از کوچک‌ترین مقدار استفاده می‌شود.

// iOS در اتصال MTU درخواست می‌کند
// حداکثر MTU در iOS ۱۸۵ بایت است
func peripheral(
    _ peripheral: CBPeripheral,
    didDiscoverServices error: Error?
) {
    // درخواست MTU برای Peripheral خاص
    peripheral.maximumWriteValueLength(for: .withResponse)
}

طبق Bluetooth SIG (2023)، افزایش MTU از ۲۳ به ۱۸۵ بایت سربار انتقال داده را تا ۸۰٪ کاهش می‌دهد به دلیل کاهش تعداد بسته‌ها. برای برنامه‌هایی که خوانش‌ها را با فرکانس بالا منتقل می‌کنند (مانند نوار قلب یا شتاب‌سنج)، افزایش MTU برای پایداری جریان حیاتی است.