GATT — шта је то, Generic Attribute Profile и имплементација у Android-у

Шта је GATT?

GATT (Generic Attribute Profile) — је Bluetooth Low Energy (BLE) профил који дефинише како два BLE уређаја размењују податке путем Attribute Protocol (ATT). GATT стандардизује структуру података: сви подаци су организовани у хијерархију „сервис → карактеристика → дескриптор”. Профил је представљен у спецификацији Bluetooth 4.0 (2010) заједно са BLE и од тада остаје главни механизам преноса података за енергетски ефикасне Bluetooth уређаје. За разлику од класичног Bluetooth-а, где се подаци преносе преко серијског порта (SPP), GATT пружа структурирани приступ подацима кроз операције читања, уписа и обавештења.

Улога GATT-а у BLE стеку

BLE стек се састоји од неколико слојева: Physical Layer (радио), Link Layer (управљање везом), L2CAP (логички канални пренос), ATT (Attribute Protocol — приступ атрибутима) и GATT (профил заснован на ATT-у). GATT је највиши ниво са којим ради програмер апликације. Доњи ATT пружа основне операције: читање, упис, обавештење и индикацију атрибута. GATT додаје семантику: дефинише шта је сервис, карактеристика, како се групишу и која правила важе при њиховом читању и упису. Према Bluetooth Core Specification 5.4 (2023), GATT подржава до 65.535 атрибута (сервиса + карактеристика + дескриптора) на једном уређају.

Архитектура GATT-а: сервиси, карактеристике и дескриптори

GATT хијерархија се састоји од три нивоа. Сервис (Service) — логичка група карактеристика која решава један задатак (на пример, „Сервис батерије” или „Сервис Heart Rate”). Карактеристика (Characteristic) — јединица података са познатим типом: тренутни ниво напуњености, очитавања сензора, стање прекидача. Свака карактеристика има вредност (value) и један или више дескриптора (Descriptors) који описују метаподатке: мерне јединице, подешавања обавештења, опсег вредности. UUID (Universally Unique Identifier) јединствено идентификује сваки сервис и сваку карактеристику.

Типови операција са карактеристикама

GATT подржава четири типа операција за интеракцију са карактеристикама. Read — клијент захтева тренутну вредност карактеристике од сервера. Write — клијент шаље нову вредност на сервер. Notify — сервер шаље вредност клијенту без потврде (бржи, али мање поуздан начин). Indicate — сервер шаље вредност са потврдом пријема (поузданије, али спорије). Програмер бира тип у зависности од сценарија: за очитавања сензора пулса довољан је Notify, за упис конфигурације паметне браве — Write са потврдом.

// GATT структура података у Android коду
data class BleService(
    val uuid: UUID,
    val characteristics: List<BleCharacteristic>
)

data class BleCharacteristic(
    val uuid: UUID,
    val properties: Int, // ЧИТАЊЕ, УПИС, ОБАВЕШТЕЊЕ, ИНДИКАЦИЈА
    val descriptors: List<BleDescriptor>,
    var value: ByteArray?
)

GATT и GAP: разлике BLE профила

У спецификацији BLE дефинисана су два главна профила: GAP (Generic Access Profile) и GATT (Generic Attribute Profile). GAP је одговоран за откривање уређаја, успостављање везе и управљање видљивошћу — то је „мрежни слој” BLE-а. GATT — за размену података након успостављања везе, односно „апликативни слој”. Програмер користи GAP за скенирање и повезивање са уређајем, а GATT — за читање, упис и примање обавештења од повезаног уређаја.

Улоге у GATT-у

GATT дефинише две улоге: GATT Server и GATT Client. Сервер — уређај који пружа податке (на пример, фитнес тракер који преноси очитавања пулса). Клијент — уређај који захтева податке (на пример, паметни телефон који чита мерења). У већини сценарија, Android апликација наступа као GATT Client, а BLE периферија као GATT Server. Међутим, Android такође може бити GATT Server — на пример, ако апликација емулира BLE уређај за друге уређаје. Улога се одређује у фази успостављања GATT везе и не мења се током сесије.

Како функционише GATT комуникација у BLE-у

Процес GATT комуникације почиње након успостављања BLE везе између уређаја. Прво GATT Client открива сервисе на GATT Server-у кроз операцију Service Discovery — Android је извршава аутоматски при повезивању путем BluetoothGatt.discoverServices(). Након откривања, клијент добија листу доступних сервиса, карактеристика и дескриптора. Затим клијент може да чита вредности карактеристика (Read), уписује нове вредности (Write) или се претплати на обавештења (Set Notify/Indicate). GATT Server може да шаље Notify/Indicate клијенту у било ком тренутку након успостављања везе.

MTU — максимална величина пакета

Подразумевана величина једног GATT пакета (MTU, Maximum Transmission Unit) у BLE-у износи 23 бајта, од чега су 3 бајта заглавље ATT, а 20 бајтова су корисни подаци. Ако апликација треба да пренесе више података (на пример, OTA ажурирање фирмвера), може се затражити повећање MTU-а до 517 бајтова путем requestMtu() у Android-у. Повећани MTU смањује број пакета потребних за пренос једног блока података — уместо 50 малих пакета могу се послати 2 велика, што смањује потрошњу енергије и убрзава пренос. Максимални MTU зависи од верзије BLE-а и могућности чипа — Bluetooth 5.0 подржава до 517 бајтова, старије верзије — до 247 бајтова.

// Претплатите се на обавештења карактеристике
fun enableNotifications(gatt: BluetoothGatt, characteristic: BluetoothGattCharacteristic) {
    gatt.setCharacteristicNotification(characteristic, true)

    // Омогућите CCCD (Client Characteristic Configuration Descriptor)
    val cccdUuid = UUID.fromString("00002902-0000-1000-8000-00805f9b34fb")
    val descriptor = characteristic.getDescriptor(cccdUuid)
    descriptor?.let {
        it.setValue(BluetoothGattDescriptor.ENABLE_NOTIFICATION_VALUE)
        gatt.writeDescriptor(it)
    }
}

Обрада обавештења

За примање обавештења од GATT Server-а у Android-у потребно је имплементирати колбек BluetoothGattCallback.onCharacteristicChanged(). У овој методи апликација добија ажурирану вредност карактеристике сваки пут када сервер пошаље Notify или Indicate. За обраду података у реалном времену користите бафер и Kotlin корутине — то ће омогућити да не блокирате UI нит при интензивним обавештењима (на пример, 100+ очитавања пулса у секунди). Код индикација (Indicate) обавезно позивајте gatt.sendResponse() на страни сервера — у Android клијенту то се обрађује аутоматски.

Имплементација GATT-а на Android-у

На Android-у рад са GATT-ом се реализује кроз класе пакета android.bluetooth: BluetoothGatt (веза), BluetoothGattService (сервис), BluetoothGattCharacteristic (карактеристика) и BluetoothGattDescriptor (дескриптор). Повезивање са BLE уређајем почиње позивањем BluetoothDevice.connectGatt() — овај метод враћа BluetoothGatt, преко којег се извршавају све даље операције. Сви GATT колбеци стижу у BluetoothGattCallback — ово је асинхрони интерфејс који се позива у истој нити у којој је креиран BluetoothGatt. Важно: све GATT операције морају се извршавати секвенцијално — истовремени позив више операција на истом BluetoothGatt-у доводи до грешака.

Животни циклус GATT везе

Правилно управљање животним циклусом GATT везе је критично за стабилност BLE апликације. Након позива connectGatt(), апликација чека колбек onConnectionStateChange() са стањем STATE_CONNECTED. Затим систем аутоматски покреће Service Discovery, након чијег завршетка се позива onServicesDiscovered(). Тек након тога се може извршити читање, упис и претплата. По завршетку рада обавезно позовите gatt.close() у onDestroy() или onPause() — незатворене GATT везе троше батерију и могу блокирати поновно повезивање са истим уређајем на Android-у.

// Повежите се са BLE уређајем путем GATT-а
private val gattCallback = object : BluetoothGattCallback() {
    override fun onConnectionStateChange(
        gatt: BluetoothGatt, status: Int, newState: Int
    ) {
        if (newState == BluetoothProfile.STATE_CONNECTED) {
            gatt.discoverServices()
        }
    }

    override fun onServicesDiscovered(gatt: BluetoothGatt, status: Int) {
        val service = gatt.getService(UUID.fromString("180D"))
        val characteristic = service?.getCharacteristic(
            UUID.fromString("2A37")
        )
        characteristic?.let { enableNotifications(gatt, it) }
    }
}

Стандардни GATT профили и сервиси

Bluetooth SIG (Special Interest Group) дефинише десетине стандардних GATT профила и сервиса са фиксним 16-битним UUID-овима. Најчешћи: сервис Battery Service (UUID 180F, карактеристика Battery Level 2A19), сервис Heart Rate (UUID 180D, карактеристика Heart Rate Measurement 2A37), сервис Device Information (UUID 180A, карактеристике Manufacturer Name, Serial Number). Коришћење стандардних сервиса гарантује компатибилност између уређаја различитих произвођача — било која фитнес наруквица са сервисом Heart Rate треба да ради са било којом Android апликацијом која га подржава.

Пројектовање прилагођених GATT сервиса

Ако стандардни сервиси не покривају задатак, програмер може креирати сопствене GATT сервисе са 128-битним UUID-овима (прилагођени UUID-ови). При пројектовању прилагођеног сервиса потребно је: дефинисати логичку групу карактеристика (на пример, „Сервис за управљање бравом”), доделити свакој карактеристици одговарајућа својства (Read, Write, Notify), одредити дозвољене вредности и мерне јединице кроз дескриптор Characteristic Presentation Format. За сложене протоколе препоручује се укључивање у сервис карактеристике Command са Write својством и карактеристике Status са Notify — то одговара обрасцу Command/Status који је прихваћен у индустријским BLE апликацијама.

// Креирајте прилагођени GATT сервис (Android као GATT Server)
private fun createCustomService(): BluetoothGattService {
    val serviceUuid = UUID.fromString("12345678-1234-5678-1234-56789abcdef0")
    val service = BluetoothGattService(
        serviceUuid, BluetoothGattService.SERVICE_TYPE_PRIMARY
    )

    val charUuid = UUID.fromString("12345678-1234-5678-1234-56789abcdef1")
    val characteristic = BluetoothGattCharacteristic(
        charUuid,
        BluetoothGattCharacteristic.PROPERTY_READ or
        BluetoothGattCharacteristic.PROPERTY_NOTIFY,
        BluetoothGattCharacteristic.PERMISSION_READ
    )
    service.addCharacteristic(characteristic)
    return service
}