Centralとは — BLEにおける役割とデバイススキャンの仕組み

BLEにおけるCentralとは？

CentralはBluetooth Low EnergyアーキテクチャにおけるGATTクライアントであり、すべての通信を開始します。受動的に接続を待ち、サービスをアドバタイズするPeripheralとは異なり、Centralは能動的に電波をスキャンし、アドバタイジングパケットを発見して接続を開始します。

非対称なCentral-PeripheralモデルはBLEの基本的な特徴です。Centralは相互作用のロジックを管理します。どのデバイスに接続するか、どのサービスを探索するか、どの特性を読み書きするかを決定します。Peripheralはデータサーバーとして機能し、サービスと特性を保存しますが、接続は開始しません。

Bluetooth Core Specification 5.4（2023）によると、デバイスはCentralとPeripheralの両方（デュアルロール）として同時に機能できます。たとえば、スマートフォンはフィットネスバンドのCentralとして、またファイルを転送する別のスマートフォンのPeripheralとして機能できます。ただし、両方のロールで同時に動作すると、消費電力と接続管理の複雑さが増加します。

モバイル開発エコシステムでは、Centralロールが最も一般的なシナリオです。スマートフォンのアプリはBLEデバイス（センサー、ヘッドフォン、バンド）を検索し、接続してデータを受信します。開発者はオペレーティングシステムのAPIを使用してCentralを操作します。iOSではCBCentralManager、AndroidではBluetoothLeScannerとBluetoothGattを使用します。

デバイススキャンプロセス

スキャンはCentralの動作の第一段階です。デバイスはBLE無線チャンネル（37、38、39）をリッスンして、Peripheralが定期的に送信するアドバタイジングパケットを検出します。各アドバタイジングパケットには、デバイス名、Service UUIDのリスト、カスタムデータが含まれています。

Centralは2つのスキャンモードで動作できます。パッシブスキャン（アドバタイジングパケットの受信のみ）とアクティブスキャン（スキャン応答を介して追加データを取得するためのスキャン要求の送信）です。パッシブスキャンは省電力ですが、得られる情報は少なくなります。アクティブスキャンでは、デバイス名や完全なサービスリストを含む、アドバタイジングパケットの完全なデータを取得できます。

UUIDによるフィルタリングは重要な最適化です。Centralは特定のService UUIDを持つデバイスのみをスキャンし、残りを無視できます。これにより、電力が節約されるだけでなく、アプリケーションのロジックも簡素化されます。デリゲートは関連するデバイスのみを受信します。

import CoreBluetooth

class BLECentralManager: NSObject, CBCentralManagerDelegate {

    private var centralManager: CBCentralManager!

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

    func centralManagerDidUpdateState(_ central: CBCentralManager) {
        if central.state == .poweredOn {
            central.scanForPeripherals(
                withServices: nil,
                options: [
                    CBCentralManagerScanOptionAllowDuplicatesKey: false
                ]
            )
        }
    }
}

接続管理

接続管理はCentralの主要な責任です。適切なPeripheralを発見した後、Centralは接続を開始します。BLE接続は、接続間隔、スレーブレイテンシ、スーパービジョンタイムアウトなどのパラメータ交換を含む接続確立手順を通じて確立されます。

接続間隔は、接続後にCentralとPeripheralがデータを交換する頻度を決定します。間隔は7.5ミリ秒から4秒の範囲です。間隔が短いほどスループットは高くなりますが、消費電力も大きくなります。スレーブレイテンシにより、Peripheralは省電力のために複数の接続イベントをスキップできます。スーパービジョンタイムアウトは、応答がない最大時間であり、これを超えると接続が失われたと見なされます。

Centralはデータ交換の完了後に接続を終了する責任があります。BLEデバイスは通常、永続的に接続を維持しません。Centralは接続し、データを取得し、切断します。これはIoTセンサーの標準的なパターンです。Centralがスキャンし、温度センサーを見つけ、接続し、値を読み取り、切断します。

iOSのCentral：Core Bluetooth

Core Bluetoothは、iOSおよびmacOSでBLEを操作するためのAppleのフレームワークです。CBCentralManagerクラスは、Centralロールを実装するための完全なAPI（スキャン、接続、接続管理）を提供します。iOSでのCentralの操作はデリゲートモデルに基づいています。CBCentralManagerDelegateが状態変更、デバイス発見、接続結果のイベントを受信します。

iOSでのCentralの主要な手順：CBCentralManagerの初期化、Bluetooth状態の確認、スキャンの開始、デリゲートを介した発見デバイスの処理、選択したPeripheralへの接続、サービスと特性の発見、データ交換。

// 発見したPeripheralに接続
func centralManager(
    _ central: CBCentralManager,
    didDiscover peripheral: CBPeripheral,
    advertisementData: [String: Any],
    rssi RSSI: NSNumber
) {
    // Peripheralへの参照を保持して接続
    discoveredPeripheral = peripheral
    central.connect(peripheral, options: nil)
}

// 接続成功
func centralManager(
    _ central: CBCentralManager,
    didConnect peripheral: CBPeripheral
) {
    peripheral.delegate = self
    peripheral.discoverServices(nil)
}

iOSはバックグラウンドでのBLE動作を制限しています。バックグラウンドでは、アプリはInfo.plistの特定のキーでのみスキャンでき、接続されたデバイスはCentralにデータ変更を通知できます。重要なアプリケーション（医療機器）の場合は、bluetooth-centralキーを使用したバックグラウンドモードを使用してください。

AndroidのCentral：BluetoothLeScanner

Androidは、BLEデバイスをスキャンするためのBluetoothLeScanner APIと、接続管理のためのBluetoothGattを提供します。Android 5.0（API 21）以降、BluetoothLeScannerは非推奨のstartLeScanを置き換えました。このAPIにはBLUETOOTH、BLUETOOTH_ADMIN、ACCESS_FINE_LOCATIONの権限（Android 10+の場合はACCESS_BACKGROUND_LOCATION）が必要です。

import android.bluetooth.le.*;
import android.bluetooth.*;

private BluetoothLeScanner scanner;
private BluetoothGatt bluetoothGatt;

// スキャンを設定
ScanSettings settings = new ScanSettings.Builder()
    .setScanMode(ScanSettings.SCAN_MODE_LOW_LATENCY)
    .build();

// スキャンを開始
scanner.startScan(null, settings, new ScanCallback() {
    @Override
    public void onScanResult(
            int callbackType,
            ScanResult result
    ) {
        BluetoothDevice device = result.getDevice();
        // デバイスに接続
        bluetoothGatt = device.connectGatt(
            context, false, gattCallback
        );
    }
});

Androidでは、スキャン制限を考慮することが重要です。Android 7（API 24）以降、位置情報を使用しないアプリでは、30秒間に5回を超えてスキャンを開始できません。Android 12+では、BLUETOOTH_SCAN、BLUETOOTH_CONNECT、ADVERTISEの権限と、これらの権限のランタイム要求が必要です。

Centralの消費電力

Centralの消費電力は、無線チャンネルを常時スキャンする必要があるため、Peripheralよりも高くなります。CentralはBLEパケットを受信し、処理し、接続を管理し、アプリケーションプロセッサで計算を実行することもよくあります。Bluetooth SIGによると、スキャンの消費電力はモードに応じて30 mAから100 mAの範囲です。

Centralの省電力戦略はいくつかあります。間欠スキャンは最も効果的な方法です。Centralは短いウィンドウ（スキャンウィンドウ）でスキャンし、長い休止（スキャン間隔）を取ります。たとえば、スキャンウィンドウ30 ms、スキャン間隔1000 msの場合、継続的スキャンと比較して消費電力が97%削減されます。

追加の最適化としてUUIDフィルタリングがあります。Centralは関連するアドバタイジングパケットのみを迅速に処理し、残りを無視します。これによりCPU負荷が軽減され、デバイスのバッテリー寿命が延びます。また、目的のデバイスを見つけたらすぐにスキャンを停止し、必要以上に接続を維持しないことをお勧めします。