iOSのCBCentralManager — 概要、BLE管理とCore Bluetooth

CBCentralManagerとは？

CBCentralManagerは、iOSのBLEアーキテクチャでCentralロールを実装するための主要なCore Bluetoothクラスです。スキャン中のデバイスの発見からデータ転送と切断まで、BLE接続のライフサイクル全体を管理します。CBCentralManagerはCBCentralManagerDelegateを介して非同期的に動作し、Bluetoothスタックのイベントをアプリに通知します。

CBCentralManagerの初期化はstate restorationプロセスを開始します。マネージャーはデバイスのBluetooth状態を確認し、アプリが閉じられていた場合は以前の接続を復元します。初期化プロセスはBluetoothの状態に応じて50〜500ミリ秒かかる場合があります。BLE操作を開始する前に、アプリはcentralManagerDidUpdateStateコールを待つ必要があります。

Core BluetoothアーキテクチャはDelegationパターンに基づいています。CBCentralManagerはイベント処理（デバイス発見、接続、エラー）をCBCentralManagerDelegateプロトコルに委任します。特定のペリフェラルを操作するには、CBPeripheralDelegateプロトコルが使用され、発見されたサービス、特性、受信データを通知します。この非同期モデルにより、ノンブロッキングUIが保証されます。

CBCentralManagerの状態

CBCentralManagerは複数の状態を経由します。これによりBLEスタックが利用可能かどうかが決まります。状態はデリゲートを介して渡されます：centralManagerDidUpdateState(_:)。開発者はすべての状態を処理する必要があります。poweredOnだけでなく、Bluetoothがオフまたは利用不可の場合も同様です。

未許可状態はiOS 13+以降ますます一般的になっています。このバージョン以降、アプリはInfo.plistにNSBluetoothAlwaysUsageDescription許可が必要です。これがないと、セントラルマネージャーは.unauthorized状態に移行し、スキャンは不可能になります。ユーザーはいつでも設定 > プライバシー > Bluetoothで許可を変更できます。

BLEデバイスのスキャン

scanForPeripherals(withServices:options:)はスキャンを開始するための主要メソッドです。withServicesパラメータはフィルタリング用のサービスUUIDの配列を受け入れます。nilを渡すとすべてのデバイスが発見され、消費電力が大幅に増加します。アプリに必要なサービスUUIDで常にフィルタリングすることをお勧めします。スキャンオプションにはCBCentralManagerScanOptionAllowDuplicatesKey（同じデバイスに関する繰り返し通知）が含まれます。

import CoreBluetooth

class BLEController: NSObject,
    CBCentralManagerDelegate {

    private var centralManager: CBCentralManager!

    override init() {
        super.init()
        centralManager =
            CBCentralManager(
                delegate: self,
                queue: nil
            )
    }

    func startScanning() {
        let serviceUUID =
            CBUUID("180F") // バッテリーサービス

        centralManager.scanForPeripherals(
            withServices: [serviceUUID],
            options: [
                CBCentralManagerScanOptionAllowDuplicatesKey: false
            ]
        )
    }
}

デバイスが発見されると、centralManager(_:didDiscover:advertisementData:rssi:)が呼び出されます。advertisementDataパラメータには、デバイス名（CBAdvertisementDataLocalNameKey）、サービスUUID（CBAdvertisementDataServiceUUIDsKey）、製造元データ（CBAdvertisementDataManufacturerDataKey）を含むアドバタイズメントパケットデータの完全な辞書が含まれます。RSSIは発見時に利用可能なシグナルレベル（dBm）です。

ペリフェラルへの接続

connect(_:options:)は、発見されたペリフェラルとのBLE接続を確立するメソッドです。connectを呼び出した後、iOSはデバイスへの接続を試みます。接続成功はcentralManager(_:didConnect:)で確認され、エラーはcentralManager(_:didFailToConnect:error:)で通知されます。接続オプションには、バックグラウンド通知用のCBConnectPeripheralOptionNotifyOnConnectionKey、CBConnectPeripheralOptionNotifyOnDisconnectionKey、CBConnectPeripheralOptionNotifyOnNotificationKeyが含まれます。

// BLEデバイスに接続
func connectToPeripheral(
    _ peripheral: CBPeripheral
) {
    centralManager.connect(peripheral, options: nil)

    // ペリフェラルのデリゲートを設定
    peripheral.delegate = self
}

// デリゲート: 接続成功
func centralManager(
    _ central: CBCentralManager,
    didConnect peripheral: CBPeripheral
) {
    print("接続先: " +
          "\(peripheral.name ?? "unknown")")

    // サービス発見を開始
    peripheral.discoverServices(nil)
}

// デリゲート: 接続エラー
func centralManager(
    _ central: CBCentralManager,
    didFailToConnect peripheral: CBPeripheral,
    error: Error?
) {
    print("Connection failed: 
          \(error?.localizedDescription ?? "")")
}

iOSの接続タイムアウトは30秒です。この時間内にデバイスが接続要求に応答しない場合、didFailToConnectが呼び出されます。タイムアウトは、デバイスまでの距離、干渉、デバイスが現在アドバタイズ中かどうかに影響されます。接続前に、デバイスが接続可能なアドバタイズモード（ADV_IND、ADV_NONCONN_INDではない）であることを確認してください。

サービスと特性の発見

接続後、ペリフェラルのサービス（discoverServices）と特性（discoverCharacteristics）を発見する必要があります。これはデータの読み取りまたは書き込み前の必須手順です。プロセスは非同期です。discoverServicesはperipheral(_:didDiscoverServices:)を介して結果を返し、discoverCharacteristicsはperipheral(_:didDiscoverCharacteristicsFor:error:)を介して結果を返します。

discoverServicesにはnilではなく関連するUUIDの配列を渡すことをお勧めします。フィルタリングにより発見が高速化され、電力が節約されます。サービスが見つからない場合、iOSは空の配列を報告します。特性を発見した後、値の読み取り（readValue）、通知への登録（setNotifyValue）、またはデータの書き込み（writeValue）が可能です。

重要な注意点：MTUは接続後に自動的にネゴシエーションされます。現在のMTUを取得するには、peripheral.maximumWriteValueLength(for: .withResponse)または.withoutResponseを使用します。iOSでは、BLE 5.0デバイスの最大MTUは512バイトです。MTUより大きいデータを転送する必要がある場合は、アプリケーションレベルでフラグメンテーションを実装してください。

バックグラウンドスキャンとiOSの制限

iOSでのBLEデバイスのバックグラウンドスキャンには特別な設定が必要です。Core Bluetoothはバックグラウンド実行をサポートしていますが、重要な制限があります。バックグラウンドで動作するには、プロジェクトのCapabilitiesでBackground Modesのbluetooth-centralを有効にし、state restoration用にCBCentralManagerOptionRestoreIdentifierKeyオプションを指定してCBCentralManagerを初期化し、バックグラウンド移行時にセントラルマネージャーのイベントを処理する必要があります。

iOSのバックグラウンドBLE制限：UUIDフィルタリングなしのscanForPeripheralsはバックグラウンドで機能しません。アプリはスキャン用に具体的なサービスUUIDを指定する必要があります。iOSはBLEイベントの配信を無期限に遅延させる可能性があります。Core Bluetoothは、アプリがバックグラウンドにあっても、一致するデバイスが発見されると自動的にスキャンを再開します。バックグラウンドスキャンのタイムアウト：iOSは電力を節約するために10〜30分後にスキャンを停止する場合があります。

State Restorationは、アプリの再起動またはiOSの再起動後にBLE接続を復元できるCore Bluetoothのメカニズムです。使用するには、初期化時にCBCentralManagerOptionRestoreIdentifierKeyを指定し、デリゲートでcentralManager(_:willRestoreState:)を実装し、渡された辞書から接続されたペリフェラルのリストを復元します。State Restorationは、フィットネストラッカーや医療機器など、バックグラウンドで動作するBLEアプリにとって重要な機能です。

エラー処理と接続復旧

CBCentralManagerはいくつかのシナリオでエラーを生成します：接続失敗（didFailToConnect）、接続切断（didDisconnectPeripheral）、特性が読み取り/書き込み不可（didWriteValueエラー）。すべてのCore Bluetoothエラーは、CBErrorDomainドメインのErrorオブジェクトを介して返されます。最も一般的なコード：CBErrorConnectionTimeout（0x04）、CBErrorPeripheralDisconnected（0x07）、CBErrorOperationNotSupported（0x0A）。

接続復旧戦略：didDisconnectPeripheralを受信したら、エラーコードを確認します。エラーがCBErrorConnectionTimeoutまたはCBErrorPeripheralDisconnectedの場合、1〜5秒後に自動再接続をスケジュールします。エラーがCBErrorOperationNotSupportedの場合は、ログに記録して操作を再試行しないでください。重要な接続（医療機器）の場合は、最大60秒の間隔で指数バックオフを使用します。

// 自動再接続による切断処理
func centralManager(
    _ central: CBCentralManager,
    didDisconnectPeripheral peripheral: CBPeripheral,
    error: Error?
) {
    guard let error = error else {
        return // 予想される切断
    }

    print("Disconnected: \(error.localizedDescription)")

    // 自動再接続
    if shouldAutoReconnect {
        DispatchQueue.main.asyncAfter(
            deadline: .now() + reconnectDelay
        ) {
            central.connect(peripheral)
        }
    }
}

iOSで堅牢なBLEアプリを開発する際の注意点：Core Bluetoothは弱いシグナルでの全パケットの配信を保証しません。信頼性の高い転送には、writeType .withResponse（確認済み書き込み）を使用し、ペリフェラルからデータを受信するために通知（setNotifyValue）に登録してください。本番環境での接続問題診断のためにエラーログを保持してください。