Characteristic: шта је то, типови података и читање вредности

Шта је Characteristic у BLE?

Characteristic је атрибут GATT протокола који садржи вредност (value) и метаподатке. У BLE архитектури подаци се не преносе директно између уређаја, већ кроз читање и упис вредности карактеристика сервиса. Ако је сервис фасцикла, онда је Characteristic датотека унутар те фасцикле.

Свака Characteristic се састоји од три компоненте: декларације (declaration), вредности (value) и дескриптора (descriptors). Декларација садржи UUID карактеристике и њена својства. Вредност су сами подаци који се преносе између Central и Peripheral. Дескриптори пружају додатну конфигурацију.

Према Bluetooth Core Specification 5.4 (2023), све размене података у BLE се одвијају кроз операције над карактеристикама. Чак и стандардни профили, као што су Heart Rate Profile или Battery Service, изграђени су на скупу карактеристика са унапред дефинисаним UUID-овима. Ово обезбеђује компатибилност уређаја различитих произвођача без претходне конфигурације.

Програмеру је важно да разуме: свака Characteristic може подржавати различите комбинације својстава. Једна карактеристика може бити само за читање, друга — за упис, трећа — за обавештења. Правилан избор својстава одређује сценарио коришћења и потрошњу енергије уређаја.

Својства и дозволе Characteristic

Својства (properties) карактеристике дефинишу које операције су над њом дозвољене. То је бајтовска маска, где сваки бит укључује или искључује одређену операцију. Испод су наведена главна својства.

Дозволе (permissions) су ниво приступа на нивоу GATT сервера. За разлику од својстава која се декларишу у декларацији карактеристике, дозволе се проверавају при свакој операцији. Оне могу укључивати захтеве за шифровање и аутентификацију.

Стандардне карактеристике Bluetooth SIG

Bluetooth SIG је специфицирао преко 500 стандардних карактеристика које покривају већину уобичајених сценарија коришћења BLE. Коришћење стандардних UUID-ова гарантује да ће сваки пријемни уређај правилно интерпретирати податке без претходне конфигурације.

Ево најчешће коришћених стандардних карактеристика:

Ако постојећа стандардна карактеристика покрива ваш задатак — користите је. То поједностављује сертификацију Bluetooth и повећава компатибилност са екосистемом. Прилагођене карактеристике креирајте само за јединствене податке који не постоје у SIG регистру.

Како креирати Characteristic у iOS и Android

Креирање карактеристике се обавља на страни Peripheral — уређаја који пружа податке. Размотримо имплементацију на iOS (Swift) и Android (Java).

iOS: CBMutableCharacteristic

Core Bluetooth пружа класу CBMutableCharacteristic за креирање карактеристике са навођењем UUID-а, својстава и почетне вредности.

import CoreBluetooth

let characteristicUUID = CBUUID("2A19") // Карактеристика нивоа батерије

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

// Ажурирај вредност при промени
let batteryData = Data([batteryLevel]) // uint8
peripheralManager.updateValue(
    batteryData,
    for: characteristic,
    onSubscribedCentrals: nil
)

Android: BluetoothGattCharacteristic

На Android-у, карактеристика се креира кроз BluetoothGattCharacteristic са навођењем UUID-а, својстава и дозвола.

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
    );

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

Читање, упис и обавештења

Операције над Characteristic се деле на три типа: читање (read), упис (write) и обавештења (notify/indicate). Избор операције зависи од сценарија: подаци на захтев се читају, команде се уписују, подаци у току се претплаћују на обавештења.

Read — Central шаље захтев за читање вредности карактеристике. Peripheral одговара тренутном вредношћу. Операција је синхрона и захтева експлицитан захтев са обе стране. Користи се за податке који се ретко мењају: верзија фирмвера, серијски број, подешавања.

Write — Central шаље податке на Peripheral. Постоје два режима: Write with Response (потврда од Peripheral) и Write Without Response (без потврде). Write with Response гарантује доставу — Peripheral шаље потврду након уписа. Write Without Response је бржи, али не гарантује доставу.

Notify и Indicate — Peripheral покреће слање података ка Central. Код Notify подаци се шаљу без потврде — ако Central није стигао да прими пакет, он се губи. Код Indicate Central шаље потврду (на PDU нивоу), што гарантује доставу. Indicate је спорији, али поузданији. За претплату на обавештења, Central уписује вредност 0x0001 у CCCD (Client Characteristic Configuration Descriptor).

MTU и величина пренетих података

MTU (Maximum Transmission Unit) одређује максималну величину једног BLE пакета података. Подразумевано, MTU износи 23 бајта, од којих 3 бајта заузима заглавље — корисни терет (ATT payload) је 20 бајтова. Ово је довољно за већину сензорских података, али није довољно за пренос датотека или великих конфигурација.

Bluetooth Core Specification 5.4 подржава MTU преговарање (MTU negotiation) — Central и Peripheral могу договорити већу величину пакета до 517 бајтова. Процес изгледа овако: Central шаље захтев MTU Exchange са предлогом свог MTU; Peripheral одговара својим MTU; користи се мања од две вредности.

// iOS захтева MTU при повезивању
// Максимални MTU у iOS-у је 185 бајтова
func peripheral(
    _ peripheral: CBPeripheral,
    didDiscoverServices error: Error?
) {
    // Захтевај MTU за одређени периферни уређај
    peripheral.maximumWriteValueLength(for: .withResponse)
}

Према Bluetooth SIG (2023), повећање MTU са 23 на 185 бајтова смањује трошкове преноса података до 80% захваљујући смањењу броја пакета. За апликације које преносе очитавања високом фреквенцијом (нпр. ЕКГ или акцелерометар), повећање MTU је критично за стабилност тока.