Characteristic: ce este, tipuri de date și citirea valorilor

Ce este Characteristic în BLE?

Characteristic este un atribut al protocolului GATT care conține o valoare (value) și metadate. În arhitectura BLE, datele nu sunt transmise direct între dispozitive, ci prin citirea și scrierea valorilor caracteristicilor serviciului. Dacă serviciul este un folder, atunci Characteristic este un fișier în acel folder.

Fiecare Characteristic constă din trei componente: declarație (declaration), valoare (value) și descriptori (descriptors). Declarația conține UUID-ul caracteristicii și proprietățile sale. Valoarea reprezintă datele propriu-zise transmise între Central și Peripheral. Descriptorii oferă configurație suplimentară.

Conform Bluetooth Core Specification 5.4 (2023), toate schimburile de date în BLE au loc prin operații asupra caracteristicilor. Chiar și profilurile standard, cum ar fi Heart Rate Profile sau Battery Service, sunt construite pe un set de caracteristici cu UUID-uri predefinite. Aceasta asigură compatibilitatea dispozitivelor de la diferiți producători fără configurare prealabilă.

Este important ca dezvoltatorul să înțeleagă: fiecare Characteristic poate suporta diferite combinații de proprietăți. O caracteristică poate fi doar pentru citire, alta — pentru scriere, a treia — pentru notificări. Alegerea corectă a proprietăților determină scenariul de utilizare și consumul de energie al dispozitivului.

Proprietăți și permisiuni Characteristic

Proprietățile (properties) caracteristicii definesc ce operații sunt permise asupra acesteia. Este o mască de octeți, unde fiecare bit activează sau dezactivează o anumită operație. Mai jos sunt enumerate proprietățile principale.

Permisiunile (permissions) reprezintă nivelul de acces la nivelul serverului GATT. Spre deosebire de proprietăți, care sunt declarate în declarația caracteristicii, permisiunile sunt verificate la fiecare operație. Acestea pot include cerințe de criptare și autentificare.

Caracteristici standard Bluetooth SIG

Bluetooth SIG a specificat peste 500 de caracteristici standard care acoperă majoritatea scenariilor comune de utilizare BLE. Utilizarea UUID-urilor standard garantează că orice dispozitiv receptor va interpreta corect datele fără configurare prealabilă.

Iată cele mai frecvent utilizate caracteristici standard:

Dacă o caracteristică standard existentă acoperă sarcina dumneavoastră — utilizați-o. Aceasta simplifică certificarea Bluetooth și crește compatibilitatea cu ecosistemul. Creați caracteristici personalizate doar pentru date unice care nu există în registrul SIG.

Cum să creați Characteristic în iOS și Android

Crearea caracteristicii se realizează pe partea de Peripheral — dispozitivul care furnizează datele. Să analizăm implementarea pe iOS (Swift) și Android (Java).

iOS: CBMutableCharacteristic

Core Bluetooth oferă clasa CBMutableCharacteristic pentru crearea unei caracteristici cu specificarea UUID-ului, proprietăților și valorii inițiale.

import CoreBluetooth

let characteristicUUID = CBUUID("2A19") // Caracteristica nivelului bateriei

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

// Actualizați valoarea la modificare
let batteryData = Data([batteryLevel]) // uint8
peripheralManager.updateValue(
    batteryData,
    for: characteristic,
    onSubscribedCentrals: nil
)

Android: BluetoothGattCharacteristic

Pe Android, caracteristica se creează prin BluetoothGattCharacteristic cu specificarea UUID-ului, proprietăților și permisiunilor.

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
    );

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

Citire, scriere și notificări

Operațiile asupra Characteristic se împart în trei tipuri: citire (read), scriere (write) și notificări (notify/indicate). Alegerea operației depinde de scenariu: datele la cerere se citesc, comenzile se scriu, datele în flux se abonează prin notificări.

Read — Central trimite o cerere de citire a valorii caracteristicii. Peripheral răspunde cu valoarea curentă. Operația este sincronă și necesită o cerere explicită din ambele părți. Este utilizată pentru date care se schimbă rar: versiunea firmware-ului, numărul de serie, setări.

Write — Central trimite date către Peripheral. Există două moduri: Write with Response (confirmare de la Peripheral) și Write Without Response (fără confirmare). Write with Response garantează livrarea — Peripheral trimite o confirmare după scriere. Write Without Response este mai rapid, dar nu garantează livrarea.

Notify și Indicate — Peripheral inițiază trimiterea datelor către Central. La Notify, datele sunt trimise fără confirmare — dacă Central nu a reușit să primească pachetul, acesta se pierde. La Indicate, Central trimite o confirmare (la nivel PDU), ceea ce garantează livrarea. Indicate este mai lent, dar mai fiabil. Pentru abonarea la notificări, Central scrie valoarea 0x0001 în CCCD (Client Characteristic Configuration Descriptor).

MTU și dimensiunea datelor transmise

MTU (Maximum Transmission Unit) definește dimensiunea maximă a unui singur pachet de date BLE. În mod implicit, MTU este de 23 de octeți, dintre care 3 octeți sunt ocupați de antet — sarcura utilă (ATT payload) este de 20 de octeți. Acest lucru este suficient pentru majoritatea datelor senzorilor, dar insuficient pentru transmiterea de fișiere sau configurații mari.

Bluetooth Core Specification 5.4 acceptă negocierea MTU (MTU negotiation) — Central și Peripheral pot conveni asupra unei dimensiuni mai mari a pachetului de până la 517 octeți. Procesul arată astfel: Central trimite o cerere MTU Exchange cu propunerea propriului MTU; Peripheral răspunde cu propriul MTU; se utilizează valoarea minimă dintre cele două.

// iOS solicită MTU la conectare
// MTU maxim în iOS este de 185 de octeți
func peripheral(
    _ peripheral: CBPeripheral,
    didDiscoverServices error: Error?
) {
    // Solicitați MTU pentru un periferic specific
    peripheral.maximumWriteValueLength(for: .withResponse)
}

Conform Bluetooth SIG (2023), creșterea MTU de la 23 la 185 de octeți reduce costurile de transmisie a datelor cu până la 80% datorită reducerii numărului de pachete. Pentru aplicațiile care transmit citiri cu frecvență înaltă (de exemplu, EKG sau accelerometru), creșterea MTU este critică pentru stabilitatea fluxului.