Central — czym jest, rola w BLE i jak skanuje urządzenia

Czym jest Central w BLE?

Central — to klient GATT w architekturze Bluetooth Low Energy, który inicjuje całą komunikację. W przeciwieństwie do Peripheral, które pasywnie oczekuje na połączenie i reklamuje swoje usługi, Central aktywnie skanuje kanał radiowy, wykrywa pakiety reklamowe i inicjuje połączenie.

Asymetryczny model Central-Peripheral to fundamentalna cecha BLE. Central zarządza logiką interakcji: decyduje, z którym urządzeniem się połączyć, które usługi zbadać, które cechy odczytać i zapisać. Peripheral pełni rolę serwera danych — przechowuje usługi i cechy, ale nie inicjuje połączeń.

Według Bluetooth Core Specification 5.4 (2023), urządzenie może być jednocześnie Central i Peripheral (dual role). Na przykład smartfon może być Central dla opaski fitness i Peripheral dla innego smartfona przesyłającego pliki. Jednak jednoczesna praca w obu rolach zwiększa pobór mocy i złożoność zarządzania połączeniami.

W ekosystemie programowania mobilnego rola Central to najczęstszy scenariusz. Aplikacja na smartfonie szuka urządzeń BLE (czujników, słuchawek, opasek), łączy się z nimi i otrzymuje dane. Deweloper korzysta z API systemu operacyjnego do pracy z Central: CBCentralManager w iOS, BluetoothLeScanner i BluetoothGatt w Android.

Proces skanowania urządzeń

Skanowanie — to pierwszy etap pracy Central. Urządzenie nasłuchuje kanałów radiowych BLE (37, 38, 39) w celu wykrycia pakietów reklamowych, które okresowo wysyłają Peripheral. Każdy pakiet reklamowy zawiera nazwę urządzenia, listę UUID usług i dane użytkownika.

Central może pracować w dwóch trybach skanowania: passive scanning (tylko odbiór pakietów reklamowych) i active scanning (wysyłanie scan request w celu uzyskania dodatkowych danych przez scan response). Passive scanning oszczędza energię, ale daje mniej informacji. Active scanning pozwala uzyskać pełne dane pakietu reklamowego, w tym nazwę urządzenia i pełną listę usług.

Filtracja po UUID — ważna optymalizacja. Central może skanować tylko urządzenia z określonym Service UUID, ignorując pozostałe. To nie tylko oszczędza energię, ale także upraszcza logikę aplikacji: delegat otrzymuje tylko istotne urządzenia.

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
                ]
            )
        }
    }
}

Zarządzanie połączeniami

Zarządzanie połączeniami — kluczowy obowiązek Central. Po wykryciu odpowiedniego Peripheral Central inicjuje połączenie. Połączenie BLE jest nawiązywane poprzez procedurę connection establishment, która obejmuje wymianę parametrów: connection interval, slave latency i supervision timeout.

Connection interval określa, jak często Central i Peripheral wymieniają dane po połączeniu. Interwał może wynosić od 7.5 ms do 4 sekund. Im krótszy interwał, tym wyższa przepustowość, ale większy pobór mocy. Slave latency pozwala Peripheral na pominięcie kilku connection events w celu oszczędzania energii. Supervision timeout — maksymalny czas bez odpowiedzi, po którym połączenie jest uznawane za utracone.

Central odpowiada za zerwanie połączenia po zakończeniu wymiany danych. Urządzenia BLE zwykle nie utrzymują połączenia stale — Central łączy się, pobiera dane i rozłącza. To standardowy wzorzec dla czujników IoT: Central skanuje, znajduje czujnik temperatury, łączy się, odczytuje wartość i rozłącza się.

Central w iOS: Core Bluetooth

Core Bluetooth — framework Apple do pracy z BLE na iOS i macOS. Klasa CBCentralManager zapewnia pełne API do implementacji roli Central: skanowanie, łączenie, zarządzanie połączeniami. Praca z Central w iOS opiera się na modelu delegatów: CBCentralManagerDelegate otrzymuje zdarzenia zmiany stanu, wykrywania urządzeń i wyników połączenia.

Główne kroki pracy Central w iOS: inicjalizacja CBCentralManager, sprawdzenie stanu Bluetooth, uruchomienie skanowania, przetwarzanie wykrytych urządzeń przez delegata, połączenie z wybranym Peripheral, wykrywanie usług i cech, wymiana danych.

// Połącz się z wykrytym Peripheral
func centralManager(
    _ central: CBCentralManager,
    didDiscover peripheral: CBPeripheral,
    advertisementData: [String: Any],
    rssi RSSI: NSNumber
) {
    // Zachowaj referencję do peripheral i połącz
    discoveredPeripheral = peripheral
    central.connect(peripheral, options: nil)
}

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

iOS ogranicza pracę BLE w tle: w trybie tła aplikacja może skanować tylko z określonymi kluczami w Info.plist, a połączone urządzenia mogą powiadamiać Central o zmianie danych. Dla krytycznych aplikacji (urządzenia medyczne) używaj Background Modes z kluczem bluetooth-central.

Central w Android: BluetoothLeScanner

Android udostępnia API BluetoothLeScanner do skanowania urządzeń BLE i BluetoothGatt do zarządzania połączeniami. Od Androida 5.0 (API 21), BluetoothLeScanner zastąpił przestarzały startLeScan. API wymaga uprawnień BLUETOOTH, BLUETOOTH_ADMIN i ACCESS_FINE_LOCATION (lub ACCESS_BACKGROUND_LOCATION dla Androida 10+).

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

private BluetoothLeScanner scanner;
private BluetoothGatt bluetoothGatt;

// Skonfiguruj skanowanie
ScanSettings settings = new ScanSettings.Builder()
    .setScanMode(ScanSettings.SCAN_MODE_LOW_LATENCY)
    .build();

// Rozpocznij skanowanie
scanner.startScan(null, settings, new ScanCallback() {
    @Override
    public void onScanResult(
            int callbackType,
            ScanResult result
    ) {
        BluetoothDevice device = result.getDevice();
        // Połącz z urządzeniem
        bluetoothGatt = device.connectGatt(
            context, false, gattCallback
        );
    }
});

W Android ważne jest uwzględnienie ograniczeń skanowania: od Androida 7 (API 24) skanowanie nie może być uruchamiane częściej niż 5 razy na 30 sekund w aplikacjach niekorzystających z Location. Android 12+ wymaga uprawnień BLUETOOTH_SCAN, BLUETOOTH_CONNECT i ADVERTISE, a także żądania tych uprawnień w czasie wykonania.

Pobór mocy Central

Pobór mocy Central jest wyższy niż Peripheral ze względu na konieczność ciągłego skanowania kanałów radiowych. Central odbiera dane przez pakiety BLE, przetwarza je, zarządza połączeniami i często wykonuje obliczenia na procesorze aplikacji. Według Bluetooth SIG, skanowanie pobiera od 30 mA do 100 mA w zależności od trybu.

Istnieje kilka strategii oszczędzania energii dla Central. Skanowanie interwałowe — najskuteczniejsza metoda: Central skanuje w krótkich oknach (scan window) z długimi przerwami (scan interval). Na przykład przy scan window 30 ms i scan interval 1000 ms pobór mocy zmniejsza się o 97% w porównaniu do ciągłego skanowania.

Dodatkowa optymalizacja — filtracja po UUID. Central szybciej przetwarza tylko istotne pakiety reklamowe, ignorując pozostałe. To zmniejsza obciążenie procesora i wydłuża czas pracy urządzenia na baterii. Zaleca się również wyłączanie skanowania natychmiast po wykryciu potrzebnego urządzenia i nieutrzymywanie połączenia dłużej niż to konieczne.