Peripheral — คืออะไร บทบาทใน BLE และวิธีการโฆษณาบริการ

Peripheral ใน BLE คืออะไร?

Peripheral — คืออุปกรณ์ BLE ที่ implement GATT-เซิร์ฟเวอร์และโฆษณาความสามารถของตนผ่านช่องสัญญาณ advertising แตกต่างจาก Central ที่ค้นหาอุปกรณ์อย่าง-active Peripheral จะรอการเชื่อมต่อแบบพาสซีฟ นี่คือโมเดลแบบอสมมาตรที่ถูกปรับให้เหมาะสมสำหรับประสิทธิภาพการใช้พลังงานของอุปกรณ์ที่ใช้แบตเตอรี่

Peripheral สามารถอยู่ในหลายโหมด: advertising (การโฆษณา), connected (เชื่อมต่อกับ Central), sleeping (สลีปโดยปิดการโฆษณา) ในโหมด advertising Peripheral จะส่งแพ็กเก็ตข้อมูลสั้น ๆ เป็นระยะ โดยใช้พลังงานน้อยที่สุด หลังจากเชื่อมต่อ Peripheral จะเปลี่ยนเป็นโหมด connected ซึ่งจะแลกเปลี่ยนข้อมูลกับ Central ตาม connection interval ที่ตกลงร่วมกัน

ตาม Bluetooth Core Specification 5.4 (2023) อุปกรณ์สามารถสลับระหว่างบทบาท Peripheral และ Central ได้อย่างไดนามิก แต่ในแต่ละช่วงเวลาสำหรับการเชื่อมต่อหนึ่งบทบาทจะถูกกำหนดคงที่ สถานการณ์ทั่วไป: เซ็นเซอร์ IoT ทำงานในบทบาท Peripheral อย่างต่อเนื่อง ในขณะที่สมาร์ทโฟนจัดการการเชื่อมต่อในฐานะ Central

นักพัฒนาควรเข้าใจ: Peripheral เป็นตัวกำหนดว่า บริการและคุณลักษณะใดบ้างที่พร้อมใช้งาน และจัดการการเข้าถึงบริการเหล่านั้น โครงสร้าง GATT-เซิร์ฟเวอร์บน Peripheral กำหนดว่า Central สามารถอ่านข้อมูลใดและเขียนคำสั่งใดได้บ้าง

กระบวนการโฆษณา (Advertising)

Advertising (การโฆษณา) — เป็นกลไกที่ Peripheral ใช้ประกาศการมีอยู่ของตน Peripheral จะส่งแพ็กเก็ต advertising บนช่องสัญญาณที่กำหนดสามช่อง (37, 38, 39) ด้วยช่วงเวลาตั้งแต่ 20 ms ถึง 10.24 วินาที แต่ละแพ็กเก็ตโฆษณาประกอบด้วยข้อมูลคงที่และสามารถรวมข้อมูลเพิ่มเติมได้

แพ็กเก็ตโฆษณามีสองประเภท: advertising PDU (แพ็กเก็ตหลัก) และ scan response PDU (การตอบสนองต่อคำขอของ Central) แพ็กเก็ตหลักประกอบด้วยฟิลด์บังคับ: ประเภทแพ็กเก็ต ที่อยู่ผู้ส่ง ข้อมูล หาก Central ส่ง scan request Peripheral จะตอบกลับด้วยแพ็กเก็ตเพิ่มเติมที่มีข้อมูลครบถ้วนมากขึ้น — เช่น ชื่อเต็มของอุปกรณ์

พารามิเตอร์ advertising ส่งผลต่อความเร็วในการตรวจจับและการใช้พลังงาน Advertising interval — คือเวลาระหว่างการส่งแพ็กเก็ต ยิ่งช่วงเวลาสั้นเท่าใด Central ก็จะตรวจจับอุปกรณ์ได้เร็วขึ้นเท่านั้น แต่ Peripheral จะใช้พลังงานมากขึ้น ช่วงเวลาที่แนะนำ: 100–1000 ms สำหรับอุปกรณ์ส่วนใหญ่

โครงสร้างของแพ็กเก็ตโฆษณา

แพ็กเก็ตโฆษณา BLE มีข้อจำกัดที่ 31 ไบต์สำหรับ advertising PDU และอีก 31 ไบต์สำหรับ scan response ภายในแพ็กเก็ตข้อมูลถูกจัดระเบียบในรูปแบบ AD Structure (Advertising Data Structure): แต่ละฟิลด์มีประเภท (1 ไบต์), ความยาว (1 ไบต์) และค่า

AD Type ที่ใช้บ่อยที่สุด: Flags (0x01) — โหมดการเชื่อมต่อและการตรวจจับ, Local Name (0x08 หรือ 0x09) — ชื่ออุปกรณ์, Service UUID List (0x02–0x07) — รายการ UUID ของบริการ, Manufacturer Specific Data (0xFF) — ข้อมูลผู้ผลิต การบรรจุข้อมูลในแพ็กเก็ต 31 ไบต์อย่างถูกต้องเป็นงานสำคัญของนักพัฒนาอุปกรณ์ฝังตัว

สำหรับอุปกรณ์ที่ต้องการส่งข้อมูลมากขึ้น มี extended advertising (BLE 5.0+) ซึ่งเพิ่มขนาดแพ็กเก็ตโฆษณาเป็น 251 ไบต์และเพิ่มประเภทแพ็กเก็ตใหม่ Extended advertising ยังรองรับช่องสัญญาณแบบเข้ารหัส (coded PHY) เพื่อเพิ่มระยะทางสูงสุด 1 กม. ในพื้นที่เปิด

เมื่อออกแบบแพ็กเก็ตโฆษณาให้พิจารณา: ยิ่งมีข้อมูลใน advertising-แพ็กเก็ตมากเท่าใด โอกาสเกิดการชนกับอุปกรณ์อื่นก็ยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น สำหรับการตรวจจับที่รวดเร็ว แนะนำให้ใส่เฉพาะ ข้อมูลสำคัญ (Service UUID) ใน advertising PDU และข้อมูลเพิ่มเติมใน scan response

Peripheral ในฐานะ GATT-เซิร์ฟเวอร์

GATT-เซิร์ฟเวอร์ บน Peripheral ประกอบด้วยบริการและคุณลักษณะทั้งหมดที่ Central สามารถค้นพบและโต้ตอบได้ หลังจากเชื่อมต่อ Central จะค้นพบบริการ (discover services) จากนั้นค้นพบคุณลักษณะ (discover characteristics) และโต้ตอบกับบริการเหล่านั้นผ่าน GATT-โปรโตคอล

Peripheral ในฐานะ GATT-เซิร์ฟเวอร์ต้องประมวลผลคำขอจาก Central อย่างถูกต้อง: การอ่าน (read request), การเขียน (write request), การแจ้งเตือน (notification) และการแจ้งเตือนแบบยืนยัน (indication) แต่ละคำขอผ่าน GATT-ตาราง ซึ่งแต่ละแอตทริบิวต์ (บริการ, คุณลักษณะ, descriptor) จะมี Handle — ที่อยู่ 16-บิต

นักพัฒนา Peripheral กำหนด สิทธิ์การเข้าถึง สำหรับแต่ละแอตทริบิวต์: อ่านอย่างเดียว, เขียนอย่างเดียว, อ่านและเขียน, พร้อมการเข้ารหัสหรือไม่ สำหรับข้อมูลที่ละเอียดอ่อน (ข้อมูลส่วนบุคคล, ตัวชี้วัดทางการแพทย์) แนะนำให้เปิดใช้งานการเข้ารหัสผ่าน MITM Protection

Peripheral ใน iOS: CBPeripheralManager

CBPeripheralManager — คลาสของ Core Bluetooth สำหรับการ implement บทบาท Peripheral บน iOS โดยจัดการ GATT-เซิร์ฟเวอร์ เผยแพร่บริการและคุณลักษณะ ประมวลผลคำขอจาก Central แตกต่างจาก CBCentralManager ตรงที่ CBPeripheralManager ไม่สแกน — มันเพียงโฆษณาและให้บริการการเชื่อมต่อเท่านั้น

ขั้นตอนหลักในการ implement Peripheral บน iOS: เริ่มต้น CBPeripheralManager, เพิ่มบริการผ่าน add, เริ่มการโฆษณาผ่าน startAdvertising, ประมวลผลคำขอจาก Central ผ่าน delegate CBPeripheralManagerDelegate

import CoreBluetooth

class BLEPeripheralManager: NSObject, CBPeripheralManagerDelegate {

    private var peripheralManager: CBPeripheralManager!

    func startAdvertising() {
        let advertisementData: [String: Any] = [
            CBAdvertisementDataLocalNameKey: "BLE Sensor",
            CBAdvertisementDataServiceUUIDsKey: [
                CBUUID("180F")
            ]
        ]
        peripheralManager.startAdvertising(advertisementData)
    }

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

iOS อนุญาตให้ Peripheral ทำงานใน โหมดพื้นหลัง หากมีคีย์ bluetooth-peripheral ใน Background Modes ในพื้นหลัง iOS สามารถโฆษณาด้วยข้อมูลที่จำกัดและให้บริการการเชื่อมต่อ สำหรับการโฆษณาที่ยาวนาน (มากกว่า 180 วินาที) ให้ใช้ตัวเลือก CBAdvertisementDataWaitForResponseFromCentral เพื่อประหยัดพลังงาน

Peripheral ใน Android: BluetoothLeAdvertiser

Android มี BluetoothLeAdvertiser สำหรับการทำงานในบทบาท Peripheral (ตั้งแต่ API 21) API อนุญาตให้เริ่มการโฆษณาด้วยพารามิเตอร์ที่ปรับแต่งได้: กำลังส่ง, ช่วงเวลาโฆษณา, ข้อมูลแพ็กเก็ต Android ยังรองรับ extended advertising (BLE 5.0) บนอุปกรณ์ที่เข้ากันได้

import android.bluetooth.le.*;

private BluetoothLeAdvertiser advertiser;

public void startPeripheral() {
    BluetoothAdapter adapter =
        BluetoothAdapter.getDefaultAdapter();
    advertiser = adapter.getBluetoothLeAdvertiser();

    AdvertiseData data = new AdvertiseData.Builder()
        .setIncludeDeviceName(true)
        .addServiceUuid(
            new ParcelUuid(
                UUID.fromString("0000180F-0000-1000-8000-00805F9B34FB")
            )
        )
        .build();

    AdvertiseSettings settings = new AdvertiseSettings.Builder()
        .setAdvertiseMode(AdvertiseSettings.ADVERTISE_MODE_LOW_POWER)
        .setTxPowerLevel(AdvertiseSettings.ADVERTISE_TX_POWER_MEDIUM)
        .build();

    advertiser.startAdvertising(
        settings, data, advertiseCallback
    );
}

บน Android การรองรับ Peripheral ขึ้นอยู่กับ ผู้ผลิตและเวอร์ชัน OS อุปกรณ์บางรุ่นไม่รองรับ BluetoothLeAdvertiser — ให้ตรวจสอบผ่าน adapter.isMultipleAdvertisementSupported() ตั้งแต่ Android 10 เป็นต้นไป จำเป็นต้องมีสิทธิ์ BLUETOOTH_ADVERTISE สำหรับการทำงานในบทบาท Peripheral รวมถึงคำขอ runtime สำหรับแอปที่มี target SDK 31+

ประสิทธิภาพการใช้พลังงานของ Peripheral

ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน — คือข้อได้เปรียบหลักของ BLE และ Peripheral มีบทบาทสำคัญในเรื่องนี้ อุปกรณ์สามารถทำงานจากแบตเตอรี่ CR2032 (220 mAh) ได้นานกว่าหนึ่งปีด้วยการใช้พลังงานที่ปรับให้เหมาะสม โดยส่วนใหญ่ Peripheral จะอยู่ในโหมดสลีปโดยปิดการโฆษณา จะตื่นขึ้นมาเฉพาะเมื่อต้องส่งแพ็กเก็ตโฆษณาหรือประมวลผลคำขอจาก Central

การใช้พลังงานของ Peripheral ในโหมดต่าง ๆ: โหมดสลีปลึก (deep sleep) — 1–5 µA, idle พร้อมตัวจับเวลา — 10–50 µA, advertising — 5–15 mA (ในช่วงเวลาส่งแพ็กเก็ต), connected — 5–10 mA (ในช่วง connection event) ที่ advertising interval 1000 ms และระยะเวลาแพ็กเก็ต 4 ms กระแสเฉลี่ยอยู่ที่ประมาณ 50–100 µA

ตาม Texas Instruments Application Report (SWRA478, 2024) การปรับ advertising interval จาก 100 ms เป็น 1000 ms ช่วยลดการใช้พลังงานเฉลี่ยลง 90% การประหยัดเพิ่มเติมทำได้โดยใช้ slave latency (การข้าม connection events), การลด Tx Power ในระยะใกล้ และการปิดโฆษณาหลังการเชื่อมต่อ (connectable advertising)