Characteristicとは何か、データ種類と値の読み取り

BLEのCharacteristicとは？

Characteristicは、値とメタデータを含むGATTプロトコルの属性です。BLEアーキテクチャでは、データはデバイス間で直接送信されるのではなく、サービスの特性の値を読み取ったり書き込んだりすることで送信されます。サービスがフォルダなら、Characteristicはそのフォルダ内のファイルです。

各Characteristicは、宣言（declaration）、値（value）、ディスクリプタ（descriptors）の3つのコンポーネントから構成されます。宣言には、特性のUUIDとそのプロパティが含まれます。値はCentralとPeripheralの間で実際に送信されるデータです。ディスクリプタは追加の設定を提供します。

Bluetooth Core Specification 5.4 (2023)によると、BLEのすべてのデータ交換は特性に対する操作を通じて行われます。Heart Rate ProfileやBattery Serviceといった標準プロファイルでさえ、事前定義されたUUIDを持つ特性のセットの上に構築されています。これにより、事前設定なしで異なるメーカーのデバイスの互換性が保証されます。

開発者が理解すべき重要な点は、各Characteristicが異なるプロパティの組み合わせをサポートできることです。ある特性は読み取りのみ、別の特性は書き込み用、さらに別の特性は通知用である可能性があります。プロパティの正しい選択が、使用シナリオとデバイスの消費電力を決定します。

Characteristicのプロパティとパーミッション

特性のプロパティ（properties）は、その特性に対して許可される操作を定義します。これはバイトマスクであり、各ビットが特定の操作を有効または無効にします。以下に主なプロパティを示します。

パーミッション（permissions）は、GATTサーバーレベルでのアクセスレベルです。特性宣言で宣言されるプロパティとは異なり、パーミッションは各操作においてチェックされます。および暗号化や認証の要件を含むことがあります。

Bluetooth SIG標準特性

Bluetooth SIGは、よくあるBLEのユースケースのほとんどをカバーする500以上の標準特性を指定しています。標準UUIDを使用することで、受信デバイスが事前設定なしでデータを正しく解釈できるようになります。

以下は、もっともよく使用される標準特性です：

既存の標準特性がタスクをカバーしている場合は、それを使用してください。これにより Bluetooth認証が簡単になり、エコシステムの互換性が向上します。SIG登録にない独自のデータのためのみ、カスタム特性を作成してください。

iOSおよびAndroidでのCharacteristic作成

特性の作成は、データを提供するデバイスであるPeripheral側で実行されます。iOS (Swift)およびAndroid (Java)での実装を見てみましょう。

iOS: CBMutableCharacteristic

Core Bluetoothは、UUID、プロパティ、および初期値を持つ特性を作成するための CBMutableCharacteristic クラスを提供します。

import CoreBluetooth

let characteristicUUID = CBUUID("2A19") // バッテリーレベル特性

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

// 変更時に値を更新
let batteryData = Data([batteryLevel]) // uint8
peripheralManager.updateValue(
    batteryData,
    for: characteristic,
    onSubscribedCentrals: nil
)

Android: BluetoothGattCharacteristic

Androidでは、UUID、プロパティ、およびパーミッションを持つ BluetoothGattCharacteristic を使用して特性が作成されます。

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
    );

// 値を設定
characteristic.setValue(batteryLevel, BluetoothGattCharacteristic.FORMAT_UINT8, 0);
gattServer.notifyCharacteristicChanged(device, characteristic, false);

読み取り、書き込み、および通知

Characteristicに対する操作は、3つのタイプに分けられます：読み取り（read）、書き込み（write）、および通知（notify/indicate）。選択はシナリオによります。オンデマンドデータは読み取られ、コマンドは書き込まれ、ストリーミングデータは通知にサブスクライブします。

Read：Centralが特性の値を読むリクエストを送信します。Peripheralが現在の値で答えます。この操作は同期的であり、各側からの明示的なリクエストが必要です。めったに変更されないデータ（ファームウェアバージョン、シリアル番号、設定）に使用されます。

Write：CentralがPeripheralにデータを送信します。モードは2つあります：Write with Response（Peripheralからの確認付き）とWrite Without Response（確認なし）。Write with Responseは配信を保証します—Peripheralが書き込み後に確認を送信します。Write Without Responseはより高速ですが、配信を保証しません。

NotifyおよびIndicate：PeripheralがCentralへのデータ送信を開始します。Notifyでは、データが確認なしで送信されます—Centralがパケットを受け取れなかった場合、失われます。Indicateでは、Centralが確認（PDUレベル）を送信し、配信を保証します。Indicateは遅いが、より信頼性が高いです。通知をサブスクライブするには、CentralがCCCD（Client Characteristic Configuration Descriptor）に値0x0001を書き込みます。

MTUと送信データサイズ

MTU (Maximum Transmission Unit)は、単一BLEデータパケットの最大サイズを定義します。デフォルトのMTUは23バイトで、このうち3バイトがヘッダーであり、ペイロード（ATT payload）は20バイトです。これは、大部分のセンサーデータには十分ですが、ファイル送信や大きな設定には十分ではありません。

Bluetooth Core Specification 5.4はMTU交渉（MTU negotiation）をサポートしており、CentralとPeripheralは最大517バイトまでの大きなパケットサイズで合意できます。プロセスは次のように動作します：Centralが提案するMTUを付したMTU Exchangeリクエストを送信し、Peripheralが自分のMTUで答え、両方のうち小さいほうが使用されます。

// iOSが接続時にMTUを要求
// iOSの最大MTUは185バイト
func peripheral(
    _ peripheral: CBPeripheral,
    didDiscoverServices error: Error?
) {
    // 特定のペリフェラルにMTUを要求
    peripheral.maximumWriteValueLength(for: .withResponse)
}

Bluetooth SIG (2023)によると、MTUを23から185バイトに増やすことで、パケット数が減ることにより、データ送信のオーバーヘッドが最大80%減少します。高周波数の読み取り（例：心電図や加速度計）を送信するアプリケーションでは、ストリームの安定性にMTUの拡大が不可欠です。