Characteristic: czym jest, typy danych i odczyt wartości

Czym jest Characteristic w BLE?

Characteristic to atrybut protokołu GATT, który zawiera wartość (value) i metadane. W architekturze BLE dane są przesyłane nie bezpośrednio między urządzeniami, ale przez odczyt i zapis wartości charakterystyk serwisu. Jeśli serwis to folder, to Characteristic to plik w tym folderze.

Każda Characteristic składa się z trzech komponentów: deklaracji (declaration), wartości (value) i deskryptorów (descriptors). Deklaracja zawiera UUID charakterystyki i jej właściwości. Wartość to właściwe dane przesyłane między Central a Peripheral. Deskryptory zapewniają dodatkową konfigurację.

Według Bluetooth Core Specification 5.4 (2023), wszystkie wymiany danych w BLE odbywają się przez operacje na charakterystykach. Nawet standardowe profile, takie jak Heart Rate Profile czy Battery Service, są zbudowane na zestawie charakterystyk z predefiniowanymi UUID. Zapewnia to kompatybilność urządzeń różnych producentów bez wstępnej konfiguracji.

Dla dewelopera ważne jest zrozumienie: każda Characteristic może obsługiwać różne kombinacje właściwości. Jedna charakterystyka może być tylko do odczytu, druga — do zapisu, trzecia — do powiadomień. Właściwy wybór właściwości określa scenariusz użycia i zużycie energii urządzenia.

Właściwości i uprawnienia Characteristic

Właściwości (properties) charakterystyki określają, jakie operacje są na niej dozwolone. Jest to maska bitowa, gdzie każdy bit włącza lub wyłącza określoną operację. Poniżej wymieniono główne właściwości.

Uprawnienia (permissions) to poziom dostępu na poziomie serwera GATT. W przeciwieństwie do właściwości, które są deklarowane w deklaracji charakterystyki, uprawnienia są sprawdzane przy każdej operacji. Mogą obejmować wymagania dotyczące szyfrowania i uwierzytelniania.

Standardowe charakterystyki Bluetooth SIG

Bluetooth SIG specyfikował ponad 500 standardowych charakterystyk, które obejmują większość powszechnych scenariuszy użycia BLE. Użycie standardowych UUID gwarantuje, że każde urządzenie odbiorcze poprawnie zinterpretuje dane bez wstępnej konfiguracji.

Oto najczęściej używane standardowe charakterystyki:

Jeśli istniejąca standardowa charakterystyka pokrywa twoje zadanie — użyj jej. To upraszcza certyfikację Bluetooth i zwiększa kompatybilność z ekosystemem. Twórz niestandardowe charakterystyki tylko dla unikalnych danych, których nie ma w rejestrze SIG.

Jak utworzyć Characteristic w iOS i Android

Tworzenie charakterystyki odbywa się po stronie Peripheral — urządzenia, które dostarcza dane. Rozważmy implementację na iOS (Swift) i Android (Java).

iOS: CBMutableCharacteristic

Core Bluetooth udostępnia klasę CBMutableCharacteristic do tworzenia charakterystyki z określeniem UUID, właściwości i wartości początkowej.

import CoreBluetooth

let characteristicUUID = CBUUID("2A19") // Charakterystyka poziomu baterii

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

// Aktualizuj wartość przy zmianie
let batteryData = Data([batteryLevel]) // uint8
peripheralManager.updateValue(
    batteryData,
    for: characteristic,
    onSubscribedCentrals: nil
)

Android: BluetoothGattCharacteristic

Na Androidzie charakterystyka jest tworzona przez BluetoothGattCharacteristic z określeniem UUID, właściwości i uprawnień.

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
    );

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

Odczyt, zapis i powiadomienia

Operacje na Characteristic dzielą się na trzy typy: odczyt (read), zapis (write) i powiadomienia (notify/indicate). Wybór operacji zależy od scenariusza: dane na żądanie są odczytywane, polecenia zapisywane, dane strumieniowe subskrybowane przez powiadomienia.

Read — Central wysyła żądanie odczytu wartości charakterystyki. Peripheral odpowiada bieżącą wartością. Operacja jest synchroniczna i wymaga wyraźnego żądania z każdej strony. Używana do danych, które rzadko się zmieniają: wersja oprogramowania, numer seryjny, ustawienia.

Write — Central wysyła dane do Peripheral. Są dwa tryby: Write with Response (potwierdzenie od Peripheral) i Write Without Response (bez potwierdzenia). Write with Response gwarantuje dostawę — Peripheral wysyła potwierdzenie po zapisie. Write Without Response jest szybszy, ale nie gwarantuje dostawy.

Notify i Indicate — Peripheral inicjuje wysyłkę danych do Central. Przy Notify dane są wysyłane bez potwierdzenia — jeśli Central nie zdążył odebrać pakietu, zostaje on utracony. Przy Indicate Central wysyła potwierdzenie (na poziomie PDU), co gwarantuje dostawę. Indicate jest wolniejszy, ale bardziej niezawodny. Aby zasubskrybować powiadomienia, Central zapisuje wartość 0x0001 w CCCD (Client Characteristic Configuration Descriptor).

MTU i rozmiar przesyłanych danych

MTU (Maximum Transmission Unit) określa maksymalny rozmiar pojedynczego pakietu danych BLE. Domyślnie MTU wynosi 23 bajty, z czego 3 bajty zajmuje nagłówek — ładunek użyteczny (ATT payload) wynosi 20 bajtów. To wystarcza dla większości danych czujnikowych, ale jest niewystarczające do przesyłania plików lub dużych konfiguracji.

Bluetooth Core Specification 5.4 obsługuje MTU negotiation (negocjację MTU) — Central i Peripheral mogą uzgodnić większy rozmiar pakietu do 517 bajtów. Proces wygląda następująco: Central wysyła żądanie MTU Exchange z propozycją swojego MTU; Peripheral odpowiada swoim MTU; używana jest mniejsza z dwóch wartości.

// iOS żąda MTU przy połączeniu
// Maksymalne MTU w iOS wynosi 185 bajtów
func peripheral(
    _ peripheral: CBPeripheral,
    didDiscoverServices error: Error?
) {
    // Żądaj MTU dla konkretnego urządzenia peryferyjnego
    peripheral.maximumWriteValueLength(for: .withResponse)
}

Według Bluetooth SIG (2023), zwiększenie MTU z 23 do 185 bajtów zmniejsza narzuty na transmisję danych do 80% dzięki redukcji liczby pakietów. Dla aplikacji przesyłających odczyty z wysoką częstotliwością (np. EKG lub akcelerometr), zwiększenie MTU jest krytyczne dla stabilności strumienia.