Core Bluetooth: архітектура та розробка BLE на iOS

Що таке Core Bluetooth: архітектура та компоненти

Core Bluetooth розділяє стек BLE на дві логічні ролі, визначені специфікацією Bluetooth SIG. Роль центрального пристрою (Central) представлена класом CBCentralManager — він ініціює сканування, встановлює з’єднання та керує списком підключених CBPeripheral. Роль периферійного пристрою (Peripheral) представлена CBPeripheralManager — він публікує сервіси та характеристики, відповідає на запити центрального та надсилає сповіщення. Одна iOS-сесія може одночасно працювати в обох ролях на різних BLE-радіо, але типовий додаток використовує одну роль.

Архітектура Core Bluetooth включає п’ять ключових абстракцій. CBCentralManager керує станом Bluetooth-адаптера пристрою: poweredOn (готовий до роботи), poweredOff (Bluetooth вимкнено), unauthorized (немає дозволу), unsupported (BLE недоступний). CBPeripheral представляє віддалений BLE-пристрій з його UUID, іменем, RSSI та GATT-ієрархією. CBService — логічна група характеристик. CBCharacteristic — точка даних для читання/запису/сповіщень. CBPeripheralManager створює локальний GATT-сервер для емуляції периферії.

Стани CBCentralManager керують усіма BLE-операціями. При запуску додатка centralManagerDidUpdateState викликається з поточним станом Bluetooth. Якщо стан не .poweredOn, будь-які BLE-виклики ігноруються системою. Розробник зобов’язаний перевіряти стан перед кожним скануванням та підключенням. Перехід з .poweredOff у .poweredOn відбувається при увімкненні Bluetooth у налаштуваннях iOS — делегат отримує повторний виклик, і додаток може відновити сканування.

CBCentralManager: сканування та підключення BLE-пристроїв

CBCentralManager — точка входу для всіх BLE-операцій з боку центрального пристрою. Ініціалізація приймає делегат (CBCentralManagerDelegate) та DispatchQueue — рекомендація Apple використовувати main queue для простоти або serial queue для продуктивності. Після ініціалізації фреймворк автоматично перевіряє стан Bluetooth та викликає centralManagerDidUpdateState: — перший обов’язковий делегат для обробки.

Сканування запускається методом scanForPeripheralsWithServices:options:. Перший параметр — масив CBUUID сервісів для фільтрації: якщо відомі UUID цікавих сервісів, передача їх скорочує енергоспоживання та час пошуку. Якщо nil, виявляються всі BLE-пристрої в зоні дії. Опції включають .allowDuplicatesKey (повторні виявлення одного пристрою) та .solicitedServiceUUIDsKey (для сервісів, що публікуються на централі).

import CoreBluetooth

class BLECentral: NSObject {

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

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

    // Почати BLE-сканування
    func startScan() {
        guard centralManager.state == .poweredOn else {
            print("Bluetooth недоступний")
            return
        }
        // Сканувати всі пристрої (nil = без фільтра)
        centralManager.scanForPeripherals(withServices: nil,
                                            options: [CBCentralManagerScanOptionAllowDuplicatesKey: true])
    }

    // Зупинити сканування
    func stopScan() {
        centralManager.stopScan()
    }

    // Підключитися до вибраного пристрою
    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)")
    }
}

Клас BLECentral демонструє повний цикл сканування та підключення BLE-пристроїв. centralManagerDidUpdateState запускає сканування при увімкненому Bluetooth. didDiscoverPeripheral збирає знайдені пристрої в масив discoveredPeripherals з дедуплікацією за identifier. Після підключення (didConnect) негайно запускається discovery сервісів — це обов’язковий крок перед будь-якими GATT-операціями.

CBPeripheralManager: створення BLE-сервера на iOS

CBPeripheralManager — клас для емуляції BLE-периферійного пристрою на iOS. Додаток у ролі периферії може публікувати свої сервіси та характеристики, приймати вхідні запити на читання/запис від центрального пристрою та надсилати сповіщення. CBPeripheralManager використовується для BLE-аксесуарів, що емулюються iPhone: пульти, клавіатури, трекери, IoT-шлюзи.

Життєвий цикл CBPeripheralManager починається з ініціалізації та делегата CBPeripheralManagerDelegate. Після підтвердження poweredOn через peripheralManagerDidUpdateState: публікуються сервіси (addService:) та запускається реклама (startAdvertising:). Рекламні дані CBAdvertisementData включають локальне ім’я (CBAdvertisementDataLocalNameKey), UUID сервісів (CBAdvertisementDataServiceUUIDsKey) та рівень потужності (CBAdvertisementDataTxPowerLevelKey). Максимальний розмір рекламного пакета — 31 байт для BLE 4.0, 251 байт для extended advertising BLE 5.0+.

// BLE периферія на iOS через 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)
    }

    // Опублікувати сервіс з характеристикою
    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)
    }

    // Запустити рекламу
    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()
        }
    }

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

    // Обробити запит на запис
    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)
    }
}

Клас BLEPeripheral створює BLE-сервер з однією характеристикою, що підтримує читання, запис та сповіщення. Після ініціалізації peripheralManagerDidUpdateState публікує сервіс через addService:, потім запускає рекламу через startAdvertising:. Обробники didReceiveRead та didReceiveWrite відповідають на вхідні GATT-запити від центрального пристрою. Для надсилання сповіщень використовується метод updateValue:forCharacteristic:onSubscribedCentrals:.

GATT-операції: читання, запис та сповіщення

GATT-операції (Generic Attribute Profile) — основа обміну даними в Core Bluetooth. Після discovery сервісів та характеристик центральний пристрій може виконувати три типи операцій: читання значення характеристики, запис значення та підписку на сповіщення/індикації. Кожна операція асинхронна і повертає результат через відповідний делегат CBPeripheralDelegate.

Читання виконується викликом readValueForCharacteristic:. Значення приходить у peripheral:didUpdateValueForCharacteristic:error:. Важливо: читання повертає поточне значення з пристрою, а не кешоване. Якщо пристрій не підтримує читання (властивість .read), виклик поверне помилку. Для великих значень (більше MTU) BLE автоматично фрагментує та збирає дані на рівні GATT.

Запис виконується викликом writeValue:forCharacteristic:type:. BLE підтримує дві моделі запису: withResponse (надійна, з підтвердженням) та withoutResponse (швидка, без підтвердження). Властивість CBCharacteristic.properties визначає доступні типи запису. Максимальний розмір одного write-пакета обмежений MTU: 23 байти для BLE 4.0 (20 байт корисних даних + 3 байти заголовка), до 247 байт для BLE 5.0 з extended MTU (MTU 251).

Сповіщення активуються викликом setNotifyValue:true forCharacteristic:. Після підписки периферія автоматично надсилає оновлення через peripheral:didUpdateValueForCharacteristic: щоразу, коли значення характеристики змінюється. Для вимкнення сповіщень викликається setNotifyValue:false forCharacteristic:. Core Bluetooth автоматично керує CCCD-дескриптором на периферії.

фоновий режим Core Bluetooth та State Restoration

фоновий режим Core Bluetooth дозволяє BLE-додатку продовжувати сканування, підтримувати з’єднання та отримувати сповіщення при знаходженні у фоні. Для активації потрібно: увімкнути capability «Uses Bluetooth LE accessories» у Xcode (Info.plist → Required background modes → App communicates using Core Bluetooth) та додати ключ «bluetooth-central» до UIBackgroundModes. Для периферійної ролі — «bluetooth-peripheral».

State Restoration — механізм Core Bluetooth для відновлення стану BLE-з’єднань після перезапуску додатка системою iOS. При активації фонового режиму та вказанні restoreIdentifier в ініціалізації CBCentralManager або CBPeripheralManager, iOS зберігає стан BLE-стека при завершенні додатка та відновлює його при наступному запуску. Делегат centralManager:willRestoreState: отримує словник зі збереженими CBPeripheral та очікуваними з’єднаннями.

// Конфігурація Core Bluetooth з 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 {

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

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

У конфігурації BLECentralWithRestoration ключ CBCentralManagerOptionRestoreIdentifierKey активує збереження стану. Якщо додаток був завершений iOS (наприклад, через нестачу пам’яті), при наступному запуску centralManager:willRestoreState: отримує список раніше підключених CBPeripheral. Додаток відновлює делегати та виконує повторний discovery сервісів — користувач не помічає розриву з’єднання. Без State Restoration всі BLE-сесії втрачаються при завершенні додатка.

Приклад BLE-додатку на Swift: централь та периферія

Повний приклад BLE-додатку на Swift об’єднує центральний та периферійний пристрої в одному проекті. Додаток може працювати в двох режимах: виявляти та підключатися до BLE-пристроїв (Central) або емулювати BLE-аксесуар (Peripheral). Нижче наведена архітектура із загальним менеджером BLE, що вибирає роль при старті.

// Універсальний BLE-менеджер для централі та периферії
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)
        }
    }

    // Центральний пристрій: сканування
    func scanForDevices() {
        centralManager?.scanForPeripherals(withServices: nil, options: nil)
    }

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

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

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

Менеджер BLEManager вибирає роль при ініціалізації та створює відповідний Manager (CBCentralManager або CBPeripheralManager). Прапорець ролі може зберігатися в UserDefaults або передаватися через сервер конфігурації. Такий підхід дозволяє BLE-додатку адаптуватися під сценарій використання: на точці продажу iPhone працює як централь для сканування платіжних терміналів, на IoT-шлюзі — як периферія для збору даних з датчиків.