Peripheral — 是什么、在 BLE 中的角色以及如何广播服务

BLE 中的 Peripheral 是什么？

Peripheral — 是一种 BLE 设备，实现 GATT 服务器并通过 advertising 信道广播其能力。与主动搜索设备的 Central 不同，Peripheral 被动等待连接。这是一种非对称模型，针对电池供电设备的能效进行了优化。

Peripheral 可以处于多种模式：advertising（广播）、connected（已连接到 Central）、sleeping（睡眠且广播关闭）。在广播模式下，Peripheral 定期发送短数据包，消耗最少的能量。连接后，Peripheral 进入 connected 模式，根据约定的连接间隔与 Central 交换数据。

根据 Bluetooth Core Specification 5.4（2023），设备可以在 Peripheral 和 Central 角色之间动态切换，但在每个时刻，对于一个连接，角色是固定的。典型场景：IoT 传感器始终以 Peripheral 角色工作，智能手机作为 Central 管理连接。

对于开发者来说，理解这一点很重要：Peripheral 确定哪些服务和特征可用并管理对它们的访问。Peripheral 上的 GATT 服务器结构决定了 Central 可以读取哪些数据以及可以写入哪些命令。

广播过程（Advertising）

Advertising（广播） — 是 Peripheral 宣布其存在的机制。Peripheral 在三个专用信道（37、38、39）上以 20 毫秒到 10.24 秒的间隔发送 advertising 数据包。每个广播数据包包含固定信息，并可以包含可选数据。

有两种类型的广播数据包：advertising PDU（主数据包）和 scan response PDU（对 Central 请求的响应）。主数据包包含必填字段：数据包类型、发送方地址、数据。如果 Central 发送扫描请求（scan request），Peripheral 会以包含更完整信息（例如完整设备名称）的附加数据包进行响应。

广播参数影响检测速度和功耗。Advertising interval — 数据包发送之间的时间。间隔越短，Central 检测设备越快，但 Peripheral 消耗的能量越多。建议间隔：对于大多数设备为 100–1000 毫秒。

广播数据包结构

BLE 广播数据包对于 advertising PDU 有 31 字节的限制，对于 scan response 另有 31 字节。在数据包内部，数据以 AD Structure（Advertising Data Structure）格式组织：每个字段包含类型（1 字节）、长度（1 字节）和值。

最常用的 AD Type：Flags（0x01）——连接和检测模式，Local Name（0x08 或 0x09）——设备名称，Service UUID List（0x02–0x07）——服务 UUID 列表，Manufacturer Specific Data（0xFF）——制造商数据。将数据正确打包到 31 字节的数据包中是嵌入式设备开发人员的重要任务。

对于需要传输更多数据的设备，存在extended advertising（BLE 5.0+），它将广播数据包大小增加到 251 字节并添加新的数据包类型。Extended advertising 还支持编码信道（coded PHY），以在开放区域将范围扩展到 1 公里。

在设计广播数据包时要注意：广播数据包中的数据越多，与其他设备发生冲突的可能性就越高。为了快速检测，建议仅在 advertising PDU 中放置关键数据（Service UUID），而将附加数据放在 scan response 中。

Peripheral 作为 GATT 服务器

GATT 服务器在 Peripheral 上包含 Central 可以发现和交互的所有服务和特征。连接后，Central 发现服务（discover services），然后发现特征（discover characteristics）并通过 GATT 协议与之交互。

Peripheral 作为 GATT 服务器必须正确处理 Central 的请求：读取（read request）、写入（write request）、通知（notification）和确认通知（indication）。每个请求通过GATT 表，其中每个属性（服务、特征、描述符）对应一个 Handle——一个 16 位地址。

Peripheral 开发人员确定每个属性的访问权限：只读、只写、读写、加密或不加密。对于机密数据（个人信息、医疗参数），建议通过 MITM Protection 要求加密。

iOS 中的 Peripheral：CBPeripheralManager

CBPeripheralManager — 用于在 iOS 上实现 Peripheral 角色的 Core Bluetooth 类。它管理 GATT 服务器，发布服务和特征，处理来自 Central 的请求。与 CBCentralManager 不同，CBPeripheralManager 不扫描——它只广播和服务连接。

在 iOS 上实现 Peripheral 的主要步骤：初始化 CBPeripheralManager，通过 add 添加服务，通过 startAdvertising 启动广播，通过委托 CBPeripheralManagerDelegate 处理来自 Central 的请求。

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()
        }
    }
}

当 Background Modes 中存在 bluetooth-peripheral 键时，iOS 允许 Peripheral 在后台模式下工作。在后台，iOS 可以使用有限的数据集进行广播和服务连接。对于长时间广播（超过 180 秒），请使用 CBAdvertisementDataWaitForResponseFromCentral 选项以节省能源。

Android 中的 Peripheral：BluetoothLeAdvertiser

Android 提供 BluetoothLeAdvertiser 用于在 Peripheral 角色中工作（从 API 21 开始）。该 API 允许使用可配置的参数启动广播：发射器功率、广播间隔、数据包数据。Android 还在兼容设备上支持 extended advertising（BLE 5.0）。

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
    );
}

在 Android 上，对 Peripheral 的支持取决于制造商和操作系统版本。并非所有设备都支持 BluetoothLeAdvertiser——通过 adapter.isMultipleAdvertisementSupported() 进行检查。从 Android 10 开始，在 Peripheral 角色中工作需要 BLUETOOTH_ADVERTISE 权限，以及 target SDK 31+ 应用程序的运行时请求。

Peripheral 的能效

能效 — 是 BLE 的关键优势，而 Peripheral 在其中扮演主要角色。由于优化的功耗，设备可以在 CR2032 电池（220 mAh）上运行超过一年。Peripheral 大部分时间处于广播关闭的睡眠模式，仅在发送广播数据包或处理来自 Central 的请求时唤醒。

Peripheral 在不同模式下的功耗：睡眠模式（深度睡眠）——1–5 µA，定时器开启的空闲模式——10–50 µA，广播——5–15 mA（在数据包发送期间），已连接——5–10 mA（在连接事件期间）。在广播间隔 1000 毫秒和数据包持续时间 4 毫秒时，平均电流约为 50–100 µA。

根据 Texas Instruments Application Report (SWRA478, 2024)，将广播间隔从 100 毫秒优化到 1000 毫秒可将平均功耗降低 90%。通过使用从机延迟（slave latency，跳过连接事件）、在短距离内降低 Tx Power 以及在连接后关闭广播（可连接广播），可以实现额外的节能。