Characteristic：是什么、数据类型及读取值

BLE 中的 Characteristic 是什么？

Characteristic 是 GATT 协议的一个属性，包含值（value）和元数据。在 BLE 架构中，数据不在设备之间直接传输，而是通过读取和写入服务特性的值来传输。如果服务是一个文件夹，那么 Characteristic 就是该文件夹中的一个文件。

每个 Characteristic 由三个组件组成：声明（declaration）、值（value）和描述符（descriptors）。声明包含特性的 UUID 及其属性。值是在 Central 和 Peripheral 之间传输的实际数据。描述符提供额外的配置。

根据Bluetooth Core Specification 5.4 (2023)，BLE 中的所有数据交换都是通过对特性的操作进行的。即使是标准配置文件，如 Heart Rate Profile 或 Battery Service，也是建立在具有预定义 UUID 的特性集之上。这确保了不同制造商设备的兼容性，无需预先配置。

开发人员需要理解：每个 Characteristic 可以支持不同的属性组合。一个特性可能只读，另一个只写，第三个用于通知。正确选择属性决定了使用场景和设备的功耗。

Characteristic 的属性和权限

属性（properties）定义了对特性允许哪些操作。它是一个字节掩码，每个位启用或禁用特定操作。以下列出了主要属性。

权限（permissions）是 GATT 服务器级别的访问级别。与在特性声明中声明的属性不同，权限在每次操作时都会被检查。它们可能包括加密和身份验证要求。

Bluetooth SIG 标准特性

Bluetooth SIG 已规范了 500 多个标准特性，涵盖了大多数常见的 BLE 使用场景。使用标准 UUID 可确保任何接收设备无需预先配置即可正确解释数据。

以下是最常用的标准特性：

如果现有的标准特性涵盖了您的任务——请使用它。这简化了蓝牙认证并提高了与生态系统的兼容性。仅为 SIG 注册表中不存在的独特数据创建自定义特性。

如何在 iOS 和 Android 中创建 Characteristic

特性的创建在 Peripheral 端进行——即提供数据的设备。让我们看看在 iOS（Swift）和 Android（Java）上的实现。

iOS：CBMutableCharacteristic

Core Bluetooth 提供 CBMutableCharacteristic 类，用于通过指定 UUID、属性和初始值来创建特性。

import CoreBluetooth

let characteristicUUID = CBUUID("2A19") // 电池电量特性

let characteristic = CBMutableCharacteristic(
    type: characteristicUUID,
    properties: [.read, .notify],
    value: nil,
    permissions: [.readable]
)

// 在更改时更新值
let batteryData = Data([batteryLevel]) // uint8
peripheralManager.updateValue(
    batteryData,
    for: characteristic,
    onSubscribedCentrals: nil
)

Android：BluetoothGattCharacteristic

在 Android 上，通过 BluetoothGattCharacteristic 指定 UUID、属性和权限来创建特性。

import android.bluetooth.*;

UUID charUuid = UUID.fromString("00002A19-0000-1000-8000-00805F9B34FB");

BluetoothGattCharacteristic characteristic =
    new BluetoothGattCharacteristic(
        charUuid,
        BluetoothGattCharacteristic.PROPERTY_READ
            | BluetoothGattCharacteristic.PROPERTY_NOTIFY,
        BluetoothGattCharacteristic.PERMISSION_READ
    );

// 设置值
characteristic.setValue(batteryLevel, BluetoothGattCharacteristic.FORMAT_UINT8, 0);
gattServer.notifyCharacteristicChanged(device, characteristic, false);

读取、写入和通知

对 Characteristic 的操作分为三种类型：读取（read）、写入（write）和通知（notify/indicate）。操作的选择取决于场景：按需数据被读取，命令被写入，流式数据通过通知订阅。

Read——Central 发送读取特性值的请求。Peripheral 以当前值响应。该操作是同步的，需要双方的显式请求。用于很少更改的数据：固件版本、序列号、设置。

Write——Central 向 Peripheral 发送数据。有两种模式：Write with Response（来自 Peripheral 的确认）和 Write Without Response（无需确认）。Write with Response 保证交付——Peripheral 在写入后发送确认。Write Without Response 更快，但不保证交付。

Notify 和 Indicate——Peripheral 启动向 Central 发送数据。在 Notify 中，数据无需确认发送——如果 Central 未能接收数据包，它将丢失。在 Indicate 中，Central 发送确认（在 PDU 级别），从而保证交付。Indicate 较慢但更可靠。要订阅通知，Central 将值 0x0001 写入 CCCD（客户端特性配置描述符）。

MTU 和传输数据的大小

MTU（最大传输单元）定义了单个 BLE 数据包的最大大小。默认情况下，MTU 为 23 字节，其中 3 字节为标头——有效载荷（ATT payload）为 20 字节。这对于大多数传感器数据来说已足够，但不足以传输文件或大型配置。

Bluetooth Core Specification 5.4 支持MTU 协商（MTU negotiation）——Central 和 Peripheral 可以协商更大的数据包大小，最高可达 517 字节。过程如下：Central 发送 MTU Exchange 请求，提议其 MTU；Peripheral 以其 MTU 响应；使用两者中较小的值。

// iOS 在连接时请求 MTU
// iOS 中的最大 MTU 为 185 字节
func peripheral(
    _ peripheral: CBPeripheral,
    didDiscoverServices error: Error?
) {
    // 为特定外围设备请求 MTU
    peripheral.maximumWriteValueLength(for: .withResponse)
}

根据Bluetooth SIG (2023)，将 MTU 从 23 字节增加到 185 字节可将数据传输开销减少高达 80%，这是由于数据包数量减少。对于传输高频读数的应用（例如 ECG 或加速度计），增加 MTU 对数据流的稳定性至关重要。