Characteristic: что это, типы данных и чтение значений

Что такое Characteristic в BLE?

Characteristic — это атрибут GATT-протокола, который содержит значение (value) и метаданные. В архитектуре BLE данные передаются не напрямую между устройствами, а через чтение и запись значений характеристик сервиса. Если сервис — это папка, то Characteristic — это файл внутри папки.

Каждая Characteristic состоит из трёх компонентов: объявления (declaration), значения (value) и дескрипторов (descriptors). Объявление содержит UUID характеристики и её свойства. Значение — это собственно данные, которые передаются между Central и Peripheral. Дескрипторы предоставляют дополнительную конфигурацию.

По данным Bluetooth Core Specification 5.4 (2023), все обмены данными в BLE происходят через операции над характеристиками. Даже стандартные профили, такие как Heart Rate Profile или Battery Service, построены на наборе характеристик с предопределёнными UUID. Это обеспечивает совместимость устройств разных производителей без предварительной настройки.

Разработчику важно понимать: каждая Characteristic может поддерживать разные комбинации свойств. Одна характеристика может быть только для чтения, другая — для записи, третья — для уведомлений. Правильный выбор свойств определяет сценарий использования и энергопотребление устройства.

Свойства и разрешения Characteristic

Свойства (properties) характеристики определяют, какие операции над ней разрешены. Это байтовая маска, где каждый бит включает или отключает определённую операцию. Ниже перечислены основные свойства.

Разрешения (permissions) — это уровень доступа на уровне GATT-сервера. В отличие от свойств, которые декларируются в объявлении характеристики, разрешения проверяются при каждой операции. Они могут включать требования к шифрованию и аутентификации.

Стандартные характеристики Bluetooth SIG

Bluetooth SIG специфицировал более 500 стандартных характеристик, которые охватывают большинство распространённых сценариев использования BLE. Использование стандартных UUID гарантирует, что любое устройство-получатель правильно интерпретирует данные без предварительной настройки.

Вот наиболее часто используемые стандартные характеристики:

Если существующая стандартная характеристика покрывает вашу задачу — используйте её. Это упрощает сертификацию Bluetooth и повышает совместимость с экосистемой. Кастомные характеристики создавайте только для уникальных данных, которых нет в реестре SIG.

Как создать Characteristic в iOS и Android

Создание характеристики выполняется на стороне Peripheral — устройстве, которое предоставляет данные. Рассмотрим реализацию на iOS (Swift) и Android (Java).

iOS: CBMutableCharacteristic

Core Bluetooth предоставляет класс CBMutableCharacteristic для создания характеристики с указанием UUID, свойств и начального значения.

import CoreBluetooth

let characteristicUUID = CBUUID("2A19") // Battery Level characteristic

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

// Update value on change
let batteryData = Data([batteryLevel]) // uint8
peripheralManager.updateValue(
    batteryData,
    for: characteristic,
    onSubscribedCentrals: nil
)

Android: BluetoothGattCharacteristic

На Android характеристика создаётся через BluetoothGattCharacteristic с указанием UUID, свойств и Permission.

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
    );

// Set the value
characteristic.setValue(batteryLevel, BluetoothGattCharacteristic.FORMAT_UINT8, 0);
gattServer.notifyCharacteristicChanged(device, characteristic, false);

Чтение, запись и уведомления

Операции над Characteristic делятся на три типа: чтение (read), запись (write) и уведомления (notify/indicate). Выбор операции зависит от сценария: данные по запросу читаются, команды записываются, потоковые данные подписываются на уведомления.

Read — Central отправляет запрос на чтение значения характеристики. Peripheral отвечает текущим значением. Операция синхронная и требует явного запроса с каждой стороны. Используется для данных, которые меняются редко: версия прошивки, серийный номер, настройки.

Write — Central отправляет данные на Peripheral. Есть два режима: Write with Response (подтверждение от Peripheral) и Write Without Response (без подтверждения). Write with Response гарантирует доставку — Peripheral отправляет подтверждение после записи. Write Without Response быстрее, но не гарантирует доставку.

Notify и Indicate — Peripheral инициирует отправку данных Central. При Notify данные отправляются без подтверждения — если Central не успел принять пакет, он теряется. При Indicate Central отправляет подтверждение (PDU-уровень), что гарантирует доставку. Indicate медленнее, но надёжнее. Для подписки на уведомления Central записывает значение 0x0001 в CCCD (Client Characteristic Configuration Descriptor).

MTU и размер передаваемых данных

MTU (Maximum Transmission Unit) определяет максимальный размер одного пакета данных BLE. По умолчанию MTU составляет 23 байта, из которых 3 байта занимает заголовок — полезная нагрузка (ATT payload) равна 20 байтам. Этого достаточно для большинства сенсорных данных, но недостаточно для передачи файлов или больших конфигураций.

Bluetooth Core Specification 5.4 поддерживает MTU negotiation (согласование MTU) — Central и Peripheral могут договориться о большем размере пакета до 517 байт. Процесс выглядит так: Central отправляет запрос MTU Exchange с предложением своего MTU; Peripheral отвечает своим MTU; используется минимальное из двух значений.

// iOS requests MTU on connect
// Max MTU in iOS is 185 bytes
func peripheral(
    _ peripheral: CBPeripheral,
    didDiscoverServices error: Error?
) {
    // Request MTU for specific peripheral
    peripheral.maximumWriteValueLength(for: .withResponse)
}

По данным Bluetooth SIG (2023), увеличение MTU с 23 до 185 байт снижает накладные расходы на передачу данных до 80% благодаря уменьшению числа пакетов. Для приложений, передающих показания с высокой частотой (например, ЭКГ или акселерометр), увеличение MTU критично для стабильности потока.