GATT — คืออะไร Generic Attribute Profile และการนำไปใช้ใน Android

GATT คืออะไร?

GATT (Generic Attribute Profile) คือโปรไฟล์ Bluetooth Low Energy (BLE) ที่กำหนดว่าอุปกรณ์ BLE สองเครื่องแลกเปลี่ยนข้อมูลผ่าน Attribute Protocol (ATT) อย่างไร GATT ทำให้โครงสร้างข้อมูลเป็นมาตรฐาน: ข้อมูลทั้งหมดถูกจัดระเบียบในลำดับชั้น “บริการ → คุณลักษณะ → ตัวอธิบาย” โปรไฟล์นี้ถูกนำมาใช้ในข้อกำหนด Bluetooth 4.0 (2010) พร้อมกับ BLE และตั้งแต่นั้นมาก็ยังคงเป็นกลไกหลักในการถ่ายโอนข้อมูลสำหรับอุปกรณ์ Bluetooth ที่ประหยัดพลังงาน ซึ่งแตกต่างจาก Bluetooth แบบดั้งเดิมที่ข้อมูลถูกส่งผ่านพอร์ตอนุกรม (SPP) GATT ให้การเข้าถึงข้อมูลที่มีโครงสร้างผ่านการดำเนินการอ่าน เขียน และแจ้งเตือน

บทบาทของ GATT ในสแต็ก BLE

สแต็ก BLE ประกอบด้วยหลายชั้น: ชั้นกายภาพ (วิทยุ), ชั้นลิงก์ (การจัดการการเชื่อมต่อ), L2CAP (การควบคุมช่องทางตรรกะ), ATT (Attribute Protocol — การเข้าถึงแอตทริบิวต์) และ GATT (โปรไฟล์บนพื้นฐาน ATT) GATT เป็นชั้นสูงสุดที่นักพัฒนาแอปพลิเคชันทำงานด้วย ATT ที่อยู่ข้างใต้ให้การดำเนินการพื้นฐาน: การอ่าน การเขียน การแจ้งเตือน และการบอกกล่าวแอตทริบิวต์ GATT เพิ่มความหมาย: มันกำหนดว่าบริการและคุณลักษณะคืออะไร จัดกลุ่มอย่างไร และกฎใดที่ใช้กับการอ่านและเขียน ตาม Bluetooth Core Specification 5.4 (2023) GATT รองรับสูงสุด 65,535 แอตทริบิวต์ (บริการ + คุณลักษณะ + ตัวอธิบาย) บนอุปกรณ์เดียว

สถาปัตยกรรม GATT: บริการ คุณลักษณะ และตัวอธิบาย

ลำดับชั้น GATT ประกอบด้วยสามระดับ บริการคือกลุ่มตรรกะของคุณลักษณะที่แก้ไขงานหนึ่งงาน (เช่น “บริการแบตเตอรี่” หรือ “บริการอัตราการเต้นของหัวใจ”) คุณลักษณะคือหน่วยข้อมูลที่มีประเภทที่รู้จัก: ระดับแบตเตอรี่ปัจจุบัน ค่าเซ็นเซอร์ สถานะสวิตช์ แต่ละคุณลักษณะมีค่าและตัวอธิบายหนึ่งรายการขึ้นไปที่อธิบายเมทาดาทา: หน่วยวัด การตั้งค่าการแจ้งเตือน ช่วงค่า UUID (ตัวระบุเฉพาะสากล) ระบุบริการและคุณลักษณะแต่ละรายการโดยไม่ซ้ำกัน

ประเภทการดำเนินการกับคุณลักษณะ

GATT รองรับการดำเนินการสี่ประเภทสำหรับการโต้ตอบกับคุณลักษณะ Read — ไคลเอนต์ขอค่าปัจจุบันของคุณลักษณะจากเซิร์ฟเวอร์ Write — ไคลเอนต์ส่งค่าใหม่ไปยังเซิร์ฟเวอร์ Notify — เซิร์ฟเวอร์ส่งค่าไปยังไคลเอนต์โดยไม่ต้องยืนยัน (เร็วกว่าแต่เชื่อถือได้น้อยกว่า) Indicate — เซิร์ฟเวอร์ส่งค่าพร้อมการยืนยันการรับ (เชื่อถือได้มากกว่าแต่ช้ากว่า) นักพัฒนาเลือกประเภทตามสถานการณ์: สำหรับค่าเซ็นเซอร์อัตราการเต้นของหัวใจ Notify ก็เพียงพอ สำหรับการเขียนการกำหนดค่าล็อคอัจฉริยะ จำเป็นต้องใช้ Write พร้อมการยืนยัน

// โครงสร้างข้อมูล GATT ในโค้ด Android
data class BleService(
    val uuid: UUID,
    val characteristics: List<BleCharacteristic>
)

data class BleCharacteristic(
    val uuid: UUID,
    val properties: Int, // READ, WRITE, NOTIFY, INDICATE
    val descriptors: List<BleDescriptor>,
    var value: ByteArray?
)

GATT และ GAP: ความแตกต่างระหว่างโปรไฟล์ BLE

ข้อกำหนด BLE กำหนดโปรไฟล์หลักสองโปรไฟล์: GAP (Generic Access Profile) และ GATT (Generic Attribute Profile) GAP รับผิดชอบการค้นหาอุปกรณ์ การสร้างการเชื่อมต่อ และการจัดการการมองเห็น — มันคือ “ชั้นเครือข่าย” ของ BLE GATT รับผิดชอบการแลกเปลี่ยนข้อมูลหลังจากสร้างการเชื่อมต่อ — “ชั้นแอปพลิเคชัน” นักพัฒนาใช้ GAP สำหรับการสแกนและเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ และใช้ GATT สำหรับการอ่าน เขียน และรับการแจ้งเตือนจากอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อ

บทบาทใน GATT

GATT กำหนดสองบทบาท: เซิร์ฟเวอร์ GATT และ ไคลเอนต์ GATT เซิร์ฟเวอร์คืออุปกรณ์ที่ให้ข้อมูล (เช่น อุปกรณ์ติดตามฟิตเนสที่ส่งค่าอัตราการเต้นของหัวใจ) ไคลเอนต์คืออุปกรณ์ที่ขอข้อมูล (เช่น สมาร์ทโฟนที่อ่านค่า) ในสถานการณ์ส่วนใหญ่ แอป Android ทำหน้าที่เป็นไคลเอนต์ GATT และอุปกรณ์รอบข้าง BLE ทำหน้าที่เป็นเซิร์ฟเวอร์ GATT อย่างไรก็ตาม Android ก็สามารถเป็นเซิร์ฟเวอร์ GATT ได้ — ตัวอย่างเช่น เมื่อแอปจำลองอุปกรณ์ BLE สำหรับอุปกรณ์อื่น บทบาทจะถูกกำหนดในขั้นตอนการตั้งค่าการเชื่อมต่อ GATT และไม่เปลี่ยนแปลงระหว่างเซสชัน

การสื่อสาร GATT ใน BLE ทำงานอย่างไร

กระบวนการ การสื่อสาร GATT เริ่มต้นหลังจากสร้างการเชื่อมต่อ BLE ระหว่างอุปกรณ์ ก่อนอื่น ไคลเอนต์ GATT ค้นพบบริการบนเซิร์ฟเวอร์ GATT ผ่านการค้นพบบริการ — Android ทำสิ่งนี้โดยอัตโนมัติเมื่อเชื่อมต่อผ่าน BluetoothGatt.discoverServices() หลังจากการค้นพบ ไคลเอนต์จะได้รับรายการบริการ คุณลักษณะ และตัวอธิบายที่มีอยู่ จากนั้นไคลเอนต์สามารถอ่านค่าคุณลักษณะ (Read) เขียนค่าใหม่ (Write) หรือสมัครรับการแจ้งเตือน (Set Notify/Indicate) เซิร์ฟเวอร์ GATT สามารถส่ง Notify/Indicate ไปยังไคลเอนต์ได้ตลอดเวลาหลังจากสร้างการเชื่อมต่อ

MTU — หน่วยส่งสูงสุด

โดยค่าเริ่มต้น ขนาดของแพ็คเก็ต GATT หนึ่งแพ็คเก็ต (MTU) ใน BLE คือ 23 ไบต์ โดยที่ 3 ไบต์เป็นส่วนหัว ATT และ 20 ไบต์เป็นข้อมูลpayload หากแอปพลิเคชันจำเป็นต้องส่งข้อมูลมากขึ้น (เช่น การอัปเดตเฟิร์มแวร์ OTA) สามารถขอเพิ่ม MTU เป็น 517 ไบต์ผ่าน requestMtu() ใน Android การเพิ่ม MTU ช่วยลดจำนวนแพ็คเก็ตที่จำเป็นสำหรับการส่งข้อมูลบล็อกเดียว — แทนที่จะส่ง 50 แพ็คเก็ตเล็ก คุณสามารถส่ง 2 แพ็คเก็ตใหญ่ ซึ่งช่วยลดการใช้พลังงานและเพิ่มความเร็วในการส่ง MTU สูงสุดขึ้นอยู่กับเวอร์ชัน BLE และความสามารถของชิป — Bluetooth 5.0 รองรับสูงสุด 517 ไบต์ เวอร์ชันเก่ากว่ารองรับสูงสุด 247 ไบต์

// สมัครรับการแจ้งเตือนคุณลักษณะ
fun enableNotifications(gatt: BluetoothGatt, characteristic: BluetoothGattCharacteristic) {
    gatt.setCharacteristicNotification(characteristic, true)

    // เปิดใช้งาน CCCD (ตัวอธิบายการกำหนดค่าคุณลักษณะไคลเอนต์)
    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)
    }
}

การจัดการการแจ้งเตือน

ในการรับการแจ้งเตือนจาก เซิร์ฟเวอร์ GATT บน Android คุณต้องใช้ callback BluetoothGattCallback.onCharacteristicChanged() ในเมธอดนี้ แอปจะได้รับค่าคุณลักษณะที่อัปเดตทุกครั้งที่เซิร์ฟเวอร์ส่ง Notify หรือ Indicate สำหรับการประมวลผลข้อมูลแบบเรียลไทม์ ให้ใช้บัฟเฟอร์และ coroutine ของ Kotlin — ซึ่งจะป้องกันการบล็อกเธรด UI ระหว่างการแจ้งเตือนที่เข้มข้น (เช่น ค่าอัตราการเต้นของหัวใจมากกว่า 100 ครั้งต่อวินาที) สำหรับ Indicate คุณต้องเรียก gatt.sendResponse() ฝั่งเซิร์ฟเวอร์ — บนไคลเอนต์ Android สิ่งนี้ถูกจัดการโดยอัตโนมัติ

การนำ GATT ไปใช้บน Android

บน Android การทำงานกับ GATT ถูกนำไปใช้ผ่านคลาสของแพ็คเกจ android.bluetooth: BluetoothGatt (การเชื่อมต่อ), BluetoothGattService (บริการ), BluetoothGattCharacteristic (คุณลักษณะ) และ BluetoothGattDescriptor (ตัวอธิบาย) การเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ BLE เริ่มต้นด้วยการเรียก BluetoothDevice.connectGatt() — เมธอดนี้คืนค่า BluetoothGatt ซึ่งใช้ดำเนินการทั้งหมดต่อไป callback GATT ทั้งหมดมาถึงใน BluetoothGattCallback — นี่คืออินเทอร์เฟซแบบอะซิงโครนัสที่ถูกเรียกบนเธรดเดียวกันกับที่สร้าง BluetoothGatt สำคัญ: การดำเนินการ GATT ทั้งหมดต้องทำตามลำดับ — การเรียกหลายการดำเนินการพร้อมกันบน BluetoothGatt เดียวกันทำให้เกิดข้อผิดพลาด

วงจรชีวิตการเชื่อมต่อ GATT

การจัดการ วงจรชีวิตการเชื่อมต่อ GATT อย่างถูกต้องเป็นสิ่งสำคัญสำหรับความเสถียรของแอป BLE หลังจากเรียก connectGatt() แอปรอ callback onConnectionStateChange() ด้วยสถานะ STATE_CONNECTED จากนั้นระบบจะเริ่มการค้นพบบริการโดยอัตโนมัติ หลังจากเสร็จสิ้นจะเรียก onServicesDiscovered() หลังจากนี้เท่านั้นที่คุณสามารถอ่าน เขียน และสมัครรับข้อมูลได้ เมื่อเสร็จแล้ว ให้เรียก gatt.close() ใน onDestroy() หรือ onPause() เสมอ — การเชื่อมต่อ GATT ที่ไม่ได้ปิดจะทำให้แบตเตอรี่หมดและอาจบล็อกการเชื่อมต่อใหม่กับอุปกรณ์เดียวกันบน Android

// เชื่อมต่อกับอุปกรณ์ BLE ผ่าน GATT
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) }
    }
}

โปรไฟล์และบริการ GATT มาตรฐาน

Bluetooth SIG กำหนดโปรไฟล์และบริการ GATT มาตรฐานหลายสิบรายการด้วย UUID 16 บิตคงที่ ที่พบบ่อยที่สุด: Battery Service (UUID 180F, คุณลักษณะ Battery Level 2A19), บริการ Heart Rate (UUID 180D, คุณลักษณะ Heart Rate Measurement 2A37), บริการ Device Information (UUID 180A, คุณลักษณะ Manufacturer Name และ Serial Number) การใช้บริการมาตรฐานรับประกันความเข้ากันได้ระหว่างอุปกรณ์จากผู้ผลิตต่างๆ — สายรัดฟิตเนสใดๆ ที่มีบริการ Heart Rate ควรทำงานกับแอป Android ใดๆ ที่รองรับ

การออกแบบบริการ GATT แบบกำหนดเอง

หากบริการมาตรฐานไม่ครอบคลุมงาน นักพัฒนาสามารถสร้าง บริการ GATT แบบกำหนดเองด้วย UUID 128 บิต เมื่อออกแบบบริการแบบกำหนดเอง คุณต้อง: กำหนดกลุ่มตรรกะของคุณลักษณะ (เช่น “บริการควบคุมล็อค”) กำหนดคุณสมบัติที่ถูกต้องให้แต่ละคุณลักษณะ (Read, Write, Notify) กำหนดค่าที่อนุญาตและหน่วยวัดผ่านตัวอธิบาย Characteristic Presentation Format สำหรับโปรโตคอลที่ซับซ้อน ขอแนะนำให้รวมคุณลักษณะ Command พร้อมคุณสมบัติ Write และคุณลักษณะ Status พร้อม Notify — ซึ่งเป็นไปตามรูปแบบ Command/Status ที่ใช้ในแอปพลิเคชัน BLE อุตสาหกรรม

// สร้างบริการ GATT แบบกำหนดเอง (Android เป็นเซิร์ฟเวอร์ GATT)
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
}