Core Bluetooth: สถาปัตยกรรมและการพัฒนา BLE บน iOS

Core Bluetooth คืออะไร: สถาปัตยกรรมและส่วนประกอบ

Core Bluetooth แบ่งสแต็ก BLE ออกเป็นสองบทบาทเชิงตรรกะที่กำหนดโดยข้อกำหนด Bluetooth SIG บทบาทอุปกรณ์ศูนย์กลาง (Central) แสดงโดยคลาส CBCentralManager — เริ่มต้นการสแกน สร้างการเชื่อมต่อ และจัดการรายการของ CBPeripheral ที่เชื่อมต่อ บทบาทอุปกรณ์รอบข้าง (Peripheral) แสดงโดย CBPeripheralManager — เผยแพร่บริการและคุณลักษณะ ตอบสนองต่อคำขอจากศูนย์กลาง และส่งการแจ้งเตือน หนึ่งเซสชัน iOS สามารถทำงานพร้อมกันในทั้งสองบทบาทบนวิทยุ BLE ที่แตกต่างกัน แต่แอปพลิเคชันทั่วไปใช้บทบาทเดียว

สถาปัตยกรรม Core Bluetooth ประกอบด้วยนามธรรมสำคัญห้าประการ CBCentralManager จัดการสถานะของอะแดปเตอร์ Bluetooth ของอุปกรณ์: poweredOn (พร้อมทำงาน), poweredOff (Bluetooth ปิดใช้งาน), unauthorized (ไม่มีสิทธิ์), unsupported (BLE ไม่พร้อมใช้งาน) CBPeripheral แสดงถึงอุปกรณ์ BLE ระยะไกลด้วย UUID, ชื่อ, RSSI และลำดับชั้น GATT CBService — กลุ่มตรรกะของคุณลักษณะ CBCharacteristic — จุดข้อมูลสำหรับการอ่าน/เขียน/การแจ้งเตือน CBPeripheralManager สร้างเซิร์ฟเวอร์ GATT เฉพาะที่สำหรับจำลองอุปกรณ์รอบข้าง

สถานะของ CBCentralManager ควบคุมการดำเนินการ BLE ทั้งหมด เมื่อแอปเริ่มทำงาน centralManagerDidUpdateState จะถูกเรียกด้วยสถานะ Bluetooth ปัจจุบัน หากสถานะไม่ใช่ .poweredOn การเรียก BLE ใดๆ จะถูกละเว้นโดยระบบ นักพัฒนาต้องตรวจสอบสถานะก่อนการสแกนและการเชื่อมต่อแต่ละครั้ง การเปลี่ยนจาก .poweredOff เป็น .poweredOn เกิดขึ้นเมื่อเปิด Bluetooth ในการตั้งค่า iOS — ตัวแทนได้รับการเรียกซ้ำและแอปสามารถดำเนินการสแกนต่อได้

CBCentralManager: การสแกนและเชื่อมต่ออุปกรณ์ BLE

CBCentralManager คือจุดเริ่มต้นสำหรับการดำเนินการ BLE ทั้งหมดจากฝั่งอุปกรณ์ศูนย์กลาง การเริ่มต้นรับตัวแทน (CBCentralManagerDelegate) และ DispatchQueue — Apple แนะนำให้ใช้คิวหลักเพื่อความเรียบง่ายหรือคิวแบบอนุกรมเพื่อประสิทธิภาพ หลังจากการเริ่มต้น เฟรมเวิร์กจะตรวจสอบสถานะ Bluetooth โดยอัตโนมัติและเรียก centralManagerDidUpdateState: — ตัวแทนบังคับตัวแรกที่ต้องจัดการ

การสแกนเริ่มต้นด้วยเมธอด scanForPeripheralsWithServices:options: พารามิเตอร์แรกคืออาร์เรย์ของ CBUUID บริการสำหรับการกรอง: หากรู้จัก UUID ของบริการที่ต้องการ การส่งผ่านจะลดการใช้พลังงานและเวลาในการค้นหา หากเป็น nil อุปกรณ์ BLE ทั้งหมดในระยะจะถูกค้นพบ ตัวเลือกรวมถึง .allowDuplicatesKey (การค้นพบซ้ำของอุปกรณ์เดียวกัน) และ .solicitedServiceUUIDsKey (สำหรับบริการที่เผยแพร่บนศูนย์กลาง)

import CoreBluetooth

class BLECentral: NSObject {

    private var centralManager: CBCentralManager!
    private var discoveredPeripherals: [CBPeripheral] = []

    override init() {
        super.init()
        centralManager = CBCentralManager(delegate: self, queue: .main)
    }

    // เริ่มการสแกน BLE
    func startScan() {
        guard centralManager.state == .poweredOn else {
            print("Bluetooth ไม่พร้อมใช้งาน")
            return
        }
        // สแกนอุปกรณ์ทั้งหมด (nil = ไม่มีการกรอง)
        centralManager.scanForPeripherals(withServices: nil,
                                            options: [CBCentralManagerScanOptionAllowDuplicatesKey: true])
    }

    // หยุดการสแกน
    func stopScan() {
        centralManager.stopScan()
    }

    // เชื่อมต่อกับอุปกรณ์ที่เลือก
    func connect(to peripheral: CBPeripheral) {
        centralManager.connect(peripheral, options: nil)
    }
}

// MARK: - CBCentralManagerDelegate
extension BLECentral: CBCentralManagerDelegate {

    func centralManagerDidUpdateState(_ central: CBCentralManager) {
        if central.state == .poweredOn {
            startScan()
        }
    }

    func centralManager(_ central: CBCentralManager,
                        didDiscover peripheral: CBPeripheral,
                        advertisementData: [String : Any],
                        rssi: NSNumber) {
        if !discoveredPeripherals.contains(where: { $0.identifier == peripheral.identifier }) {
            discoveredPeripherals.append(peripheral)
            print("Found devices: \(peripheral.name ?? "Unknown"), RSSI: \(rssi)")
        }
    }

    func centralManager(_ central: CBCentralManager,
                        didConnect peripheral: CBPeripheral) {
        print("Connected: \(peripheral.identifier)")
        peripheral.delegate = self
        peripheral.discoverServices(nil)
    }

    func centralManager(_ central: CBCentralManager,
                        didDisconnectPeripheral peripheral: CBPeripheral,
                        error: Error?) {
        print("Disconnected: \(peripheral.identifier)")
    }
}

คลาส BLECentral แสดงวงจรเต็มรูปแบบของการสแกนและเชื่อมต่ออุปกรณ์ BLE centralManagerDidUpdateState เริ่มการสแกนเมื่อ Bluetooth เปิดใช้งาน didDiscoverPeripheral รวบรวมอุปกรณ์ที่พบในอาร์เรย์ discoveredPeripherals ด้วยการกำจัดรายการซ้ำตาม identifier หลังจากการเชื่อมต่อ (didConnect) การค้นพบบริการจะเริ่มทันที — นี่คือขั้นตอนบังคับก่อนการดำเนินการ GATT ใดๆ

CBPeripheralManager: การสร้างเซิร์ฟเวอร์ BLE บน iOS

CBPeripheralManager คือคลาสสำหรับจำลองอุปกรณ์รอบข้าง BLE บน iOS แอปในบทบาทรอบข้างสามารถเผยแพร่บริการและคุณลักษณะของตน ยอมรับคำขออ่าน/เขียนที่เข้ามาจากอุปกรณ์ศูนย์กลาง และส่งการแจ้งเตือน CBPeripheralManager ใช้สำหรับอุปกรณ์เสริม BLE ที่จำลองโดย iPhone: รีโมท คีย์บอร์ด ตัวติดตาม เกตเวย์ IoT

วงจรชีวิตของ CBPeripheralManager เริ่มต้นด้วยการเริ่มต้นและตัวแทน CBPeripheralManagerDelegate หลังจากได้รับการยืนยัน poweredOn ผ่าน peripheralManagerDidUpdateState: บริการจะถูกเผยแพร่ (addService:) และการโฆษณาจะเริ่มขึ้น (startAdvertising:) ข้อมูลโฆษณา CBAdvertisementData รวมถึงชื่อเฉพาะที่ (CBAdvertisementDataLocalNameKey), UUID บริการ (CBAdvertisementDataServiceUUIDsKey) และระดับกำลังส่ง (CBAdvertisementDataTxPowerLevelKey) ขนาดแพ็กเก็ตโฆษณาสูงสุดคือ 31 ไบต์สำหรับ BLE 4.0, 251 ไบต์สำหรับ extended advertising BLE 5.0+

// อุปกรณ์รอบข้าง BLE บน iOS ผ่าน CBPeripheralManager
class BLEPeripheral: NSObject {

    private var peripheralManager: CBPeripheralManager!

    let serviceUUID = CBUUID(string: "1234")
    let characteristicUUID = CBUUID(string: "5678")

    override init() {
        super.init()
        peripheralManager = CBPeripheralManager(delegate: self, queue: .main)
    }

    // เผยแพร่บริการพร้อมคุณลักษณะ
    func setupService() {
        let characteristic = CBMutableCharacteristic(
            type: characteristicUUID,
            properties: [.read, .write, .notify],
            value: nil,
            permissions: [.readable, .writeable]
        )
        let service = CBMutableService(type: serviceUUID, primary: true)
        service.characteristics = [characteristic]
        peripheralManager.add(service)
    }

    // เริ่มโฆษณา
    func startAdvertising() {
        let advertisementData: [String: Any] = [
            CBAdvertisementDataLocalNameKey: "My BLE Device",
            CBAdvertisementDataServiceUUIDsKey: [serviceUUID]
        ]
        peripheralManager.startAdvertising(advertisementData)
    }
}

// MARK: - CBPeripheralManagerDelegate
extension BLEPeripheral: CBPeripheralManagerDelegate {

    func peripheralManagerDidUpdateState(_ peripheral: CBPeripheralManager) {
        if peripheral.state == .poweredOn {
            setupService()
        }
    }

    func peripheralManager(_ peripheral: CBPeripheralManager,
                        didAdd service: CBService,
                        error: Error?) {
        if error == nil {
            startAdvertising()
        }
    }

    // จัดการคำขออ่าน
    func peripheralManager(_ peripheral: CBPeripheralManager,
                        didReceiveRead request: CBATTRequest) {
        let data = "CurrentValue".data(using: .utf8)!
        request.value = data
        peripheralManager.respond(to: request, withResult: .success)
    }

    // จัดการคำขอเขียน
    func peripheralManager(_ peripheral: CBPeripheralManager,
                        didReceiveWrite requests: [CBATTRequest]) {
        for request in requests {
            if let value = request.value {
                print("Write: \(value)")
            }
        }
        peripheralManager.respond(to: requests.first!, withResult: .success)
    }
}

คลาส BLEPeripheral สร้างเซิร์ฟเวอร์ BLE ด้วยคุณลักษณะเดียวที่รองรับการอ่าน การเขียน และการแจ้งเตือน หลังจากการเริ่มต้น peripheralManagerDidUpdateState เผยแพร่บริการผ่าน addService: จากนั้นเริ่มโฆษณาผ่าน startAdvertising: ตัวจัดการ didReceiveRead และ didReceiveWrite ตอบสนองต่อคำขอ GATT ที่เข้ามาจากอุปกรณ์ศูนย์กลาง เมธอด updateValue:forCharacteristic:onSubscribedCentrals: ใช้สำหรับส่งการแจ้งเตือน

การดำเนินการ GATT: การอ่าน การเขียน และการแจ้งเตือน

การดำเนินการ GATT (Generic Attribute Profile) เป็นพื้นฐานของการแลกเปลี่ยนข้อมูลใน Core Bluetooth หลังจากการค้นพบบริการและคุณลักษณะ อุปกรณ์ศูนย์กลางสามารถดำเนินการสามประเภท: อ่านค่าคุณลักษณะ เขียนค่า และสมัครรับการแจ้งเตือน/การบอกกล่าว การดำเนินการแต่ละครั้งเป็นแบบอะซิงโครนัสและส่งคืนผลลัพธ์ผ่านการเรียกกลับ CBPeripheralDelegate ที่เกี่ยวข้อง

การอ่าน: ดำเนินการโดยเรียก readValueForCharacteristic: ค่ามาถึงใน peripheral:didUpdateValueForCharacteristic:error: สำคัญ: การอ่านส่งคืนค่าปัจจุบันจากอุปกรณ์ ไม่ใช่ค่าที่แคชไว้ หากอุปกรณ์ไม่รองรับการอ่าน (คุณสมบัติ .read) การเรียกจะส่งคืนข้อผิดพลาด สำหรับค่าขนาดใหญ่ (ใหญ่กว่า MTU) BLE จะแยกส่วนและประกอบข้อมูลใหม่โดยอัตโนมัติที่ระดับ GATT

การเขียน: ดำเนินการโดยเรียก writeValue:forCharacteristic:type: BLE รองรับสองรูปแบบการเขียน: withResponse (เชื่อถือได้ พร้อมการยืนยัน) และ withoutResponse (รวดเร็ว ไม่มีการยืนยัน) คุณสมบัติ CBCharacteristic.properties กำหนดประเภทการเขียนที่พร้อมใช้งาน ขนาดสูงสุดของแพ็กเก็ตเขียนเดียวถูกจำกัดโดย MTU: 23 ไบต์สำหรับ BLE 4.0 (20 ไบต์เพย์โหลด + 3 ไบต์ส่วนหัว) สูงสุด 247 ไบต์สำหรับ BLE 5.0 พร้อม MTU แบบขยาย (MTU 251)

การแจ้งเตือน: เปิดใช้งานโดยเรียก setNotifyValue:true forCharacteristic: หลังจากการสมัครสมาชิก อุปกรณ์รอบข้างจะส่งการอัปเดตโดยอัตโนมัติผ่าน peripheral:didUpdateValueForCharacteristic: ทุกครั้งที่ค่าคุณลักษณะเปลี่ยนแปลง หากต้องการปิดการแจ้งเตือน ให้เรียก setNotifyValue:false forCharacteristic: Core Bluetooth จัดการตัวอธิบาย CCCD บนอุปกรณ์รอบข้างโดยอัตโนมัติ

โหมดพื้นหลังของ Core Bluetooth และ State Restoration

โหมดพื้นหลัง ใน Core Bluetooth ช่วยให้แอป BLE สามารถสแกนต่อ รักษาการเชื่อมต่อ และรับการแจ้งเตือนขณะอยู่ในพื้นหลัง ในการเปิดใช้งาน ให้เปิดความสามารถ “Uses Bluetooth LE accessories” ใน Xcode (Info.plist → Required background modes → App communicates using Core Bluetooth) และเพิ่มคีย์ “bluetooth-central” ใน UIBackgroundModes สำหรับบทบาทรอบข้าง — “bluetooth-peripheral”

State Restoration เป็นกลไกของ Core Bluetooth สำหรับการคืนค่าสถานะของการเชื่อมต่อ BLE หลังจากที่ iOS รีสตาร์ทแอป เมื่อโหมดพื้นหลังทำงานและมีการระบุ restoreIdentifier ในการเริ่มต้น CBCentralManager หรือ CBPeripheralManager iOS จะบันทึกสถานะสแต็ก BLE เมื่อแอปสิ้นสุดและคืนค่าเมื่อเปิดใช้ครั้งถัดไป ตัวแทน centralManager:willRestoreState: รับพจนานุกรมพร้อม CBPeripheral ที่บันทึกไว้และการเชื่อมต่อที่รอดำเนินการ

// การกำหนดค่า Core Bluetooth พร้อม State Restoration
class BLECentralWithRestoration: NSObject {

    let restoreIdentifier = "com.app.blecentral"
    private var centralManager: CBCentralManager!

    override init() {
        super.init()
        let options: [String: Any] = [
            CBCentralManagerOptionRestoreIdentifierKey: restoreIdentifier,
            CBCentralManagerOptionShowPowerAlertKey: true
        ]
        centralManager = CBCentralManager(delegate: self,
                                          queue: nil,
                                          options: options)
    }
}

extension BLECentralWithRestoration: CBCentralManagerDelegate {

    // คืนค่าสถานะหลังจากรีสตาร์ท
    func centralManager(_ central: CBCentralManager,
                        willRestoreState dict: [String : Any]) {
        if let peripherals = dict[CBCentralManagerRestoredStatePeripheralsKey]
            as? [CBPeripheral] {
            for peripheral in peripherals {
                peripheral.delegate = self
                // คืนค่าการค้นพบ GATT
                peripheral.discoverServices(nil)
            }
        }
    }

    func centralManagerDidUpdateState(_ central: CBCentralManager) {
        if central.state == .poweredOn {
            print("Bluetooth พร้อมหลังจากการคืนค่า")
        }
    }
}

ในการกำหนดค่า BLECentralWithRestoration คีย์ CBCentralManagerOptionRestoreIdentifierKey เปิดใช้งานการบันทึกสถานะ หากแอปถูก iOS ยุติ (เช่น เนื่องจากหน่วยความจำไม่เพียงพอ) ในการเปิดใช้ครั้งถัดไป centralManager:willRestoreState: จะได้รับรายการของ CBPeripheral ที่เชื่อมต่อก่อนหน้านี้ แอปจะคืนค่าตัวแทนและดำเนินการค้นพบบริการอีกครั้ง — ผู้ใช้ไม่สังเกตเห็นการขัดจังหวะการเชื่อมต่อ หากไม่มี State Restoration เซสชัน BLE ทั้งหมดจะหายไปเมื่อแอปสิ้นสุด

ตัวอย่างแอป BLE ใน Swift: ศูนย์กลางและรอบข้าง

ตัวอย่างที่สมบูรณ์ ของแอป BLE ใน Swift รวมอุปกรณ์ศูนย์กลางและรอบข้างไว้ในโปรเจกต์เดียว แอปสามารถทำงานในสองโหมด: ค้นพบและเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ BLE (ศูนย์กลาง) หรือจำลองอุปกรณ์เสริม BLE (รอบข้าง) ด้านล่างนี้คือสถาปัตยกรรมพร้อมตัวจัดการ BLE ทั่วไปที่เลือกบทบาทเมื่อเริ่มต้น

// ตัวจัดการ BLE สากลสำหรับศูนย์กลางและรอบข้าง
class BLEManager {

    enum Role {
        case central
        case peripheral
    }

    private let role: Role
    private var centralManager: CBCentralManager?
    private var peripheralManager: CBPeripheralManager?
    let advertisedServiceUUID = CBUUID(string: "A001")

    init(role: Role) {
        self.role = role
        switch role {
        case .central:
            centralManager = CBCentralManager(delegate: nil, queue: .main)
        case .peripheral:
            peripheralManager = CBPeripheralManager(delegate: nil, queue: .main)
        }
    }

    // อุปกรณ์ศูนย์กลาง: การสแกน
    func scanForDevices() {
        centralManager?.scanForPeripherals(withServices: nil, options: nil)
    }

    // อุปกรณ์รอบข้าง: การโฆษณา
    func advertiseService() {
        let data: [String: Any] = [
            CBAdvertisementDataServiceUUIDsKey: [advertisedServiceUUID]
        ]
        peripheralManager?.startAdvertising(data)
    }
}

// การใช้งานเมื่อเริ่มต้น
let isCentral = UserDefaults.standard.bool(forKey: "isCentral")
let manager = BLEManager(role: isCentral ? .central : .peripheral)

if isCentral {
    manager.scanForDevices()
} else {
    manager.advertiseService()
}

BLEManager เลือกบทบาทเมื่อเริ่มต้นและสร้างตัวจัดการที่เกี่ยวข้อง (CBCentralManager หรือ CBPeripheralManager) แฟล็กบทบาทสามารถเก็บไว้ใน UserDefaults หรือส่งผ่านเซิร์ฟเวอร์การกำหนดค่า วิธีการนี้ช่วยให้แอป BLE ปรับตัวตามกรณีการใช้งาน: ณ จุดขาย iPhone ทำงานเป็นศูนย์กลางสำหรับสแกนเครื่องชำระเงิน บนเกตเวย์ IoT — เป็นอุปกรณ์รอบข้างสำหรับรวบรวมข้อมูลจากเซ็นเซอร์