Aplikacja Bluetooth z modułem SPBLE-RF

Aplikacja Bluetooth z modułem SPBLE-RF

Jednym z fundamentów budowania i użytkowania urządzeń Internetu Rzeczy jest transmisja bezprzewodowa. Kanały transmisyjne często bazują na dwóch sprawdzonych standardach: Wi-Fi i Bluetooth. Oba są bardzo dobrze udokumentowane, a wielu producentów oferuje transceivery z gotowym oprogramowaniem firmware obsługującym stosy protokołów transmisyjnych. Jednym z takich modułów jest SPBLE-RF. W artykule prezentujemy jak uruchomić przykładową aplikację z zastosowaniem tego interesującego komponentu.

Przy transmisji na niewielkie odległości chętnie stosowany jest standard Bluetooth. Pierwsze wersje Bluetooth były optymalizowane do szybkiego przesyłania dużych ilości danych. Bluetooth 3.0 +HS zapewnia przepływność do 24 Mb/s. Wersja 4.0 została nazwana Bluetooth Low Energy – BLE. W tym przypadku priorytetem nie były duże prędkości transmisji danych, ale maksymalne ograniczenie poboru energii przez urządzenia komunikujące się za pomocą standardu BLE.

BLE korzysta z pasma ISM 2,4 GHz podzielonego na 40 kanałów o szerokości 2 MHz. Kanały są logicznie podzielone na 2 grupy: 3 kanały advertising i 37 kanałów data. Kanały data są wykorzystywane do dwukierunkowej transmisji danych pomiędzy urządzeniami w sieci. Kanały advertising biorą udział w procesie wyszukiwania urządzeń BLE znajdujących się w pobliżu, a potem w nawiązywaniu połączenia pomiędzy nimi.

Komunikacja w sieci BLE zaczyna się od rozgłaszania przez węzeł sieci (advertiser), że oczekuje na połączenia. Węzły sieci – scanners, odbierające komunikat żądania na połączenie wysyłają komunikat z żądaniem połączenia connection request. Ten komunikat musi zawierać dane niezbędne do zestawienia połączenia. Jeżeli połączenie zostanie nawiązane, to węzeł scaners staje się węzłem master, a węzeł rozgłaszający advertiser węzłem slave. Tworzy się w ten sposób podsieć pracująca w topologii gwiazdy, gdzie jest jeden master, mogący komunikować się z jednym lub więcej węzłów slave. Urządzenie pracujące jako węzeł master nazywane jest Central Device, a urządzenia slave to Pheriperial Device (rysunek 1). Central Device to najczęściej komputer, smartfon, tablet itp.

Rysunek 1. Podsieć BLE o topologii gwiazdy

Transmisję zawsze inicjuje węzeł master. Węzeł slave musi przesłać w odpowiedzi informację zwrotną. Po nadaniu jednego pakietu danych musi minąć co najmniej 150 µs (IFS – Inter Frame Space). Każdy z pakietów może zawierać wskaźnik MD (More Data) sygnalizujący konieczność przesłania kolejnych danych.

Rysunek 2. Stos BLE

Protokół BLE ma budowę warstwową (rysunek 2) i składa się z warstwy fizycznej (Physical Layer), warstwy łącza danych Link Layer, oraz warstwy HCI (Host Controller Interface). W warstwach wyższych jest umieszczony GATT (Generic Attribute Profile) i GAP (Generic Access Profile). Struktura danych jest podzielona na: charakterystyki, serwisy i profile (rysunek 3).

Rysunek 3. Struktura danych BLE

Charakterystyki to najmniejsza „porcja” danych, serwis to zbór charakterystyk połączony logiczną zależnością, a profil to predefiniowana kolekcja charakterystyk. Profile są zatwierdzane przez Bluetooth SIG.

Warstwa GATT jest zbudowana w oparciu o protokół ATT (Atrribute Protocol), który wykorzystuje dane GATT do określenia sposobu w jaki dwa urządzenia BLE wysyłają i odbierają standardowe wiadomości. GATT jest zbudowany na zasadzie ról klienta i serwera. Układy Peripherial są serwerami GATT (mają zapisane definicje charakterystyk i serwisów), a układ Central pełni role klienta, bo wysyła żądania do serwera. W specyfikacji GATT jest opisanych wiele profili w tym na przykład pomiar ciśnienia krwi, monitorowania poziomu glukozy, mierzenia rytmu serca, pomiaru temperatury ciała itp.

Moduł BLE X-Nucleo-IDB051A1

Płytka ewaluacyjna X-Nucleo-IDB051A1 jest wykonana zgodnie ze standardem Arduino R3 i współpracuje z firmowymi modułami STM z serii Nucleo (fotografia 1).

Fotografia 1. Płytka BLE X-Nucleo-IDB05A1 połączona z modułem Nucleo F-401RE

Podstawowym elementem jest moduł Bluetooth Low Energy SPBLE-RF pokazany na fotografii tytułowej, który zawiera wbudowany procesor BlueNRG-MS komunikujący się z hostem przez szybki interfejs SPI.

Połączenia przez BLE można szybko przetestować dzięki udostępnieniu przez STM programów demonstracyjnych X-CUBE-BLE1. Zaczynamy od wejścia na stronę www.st.com/x-nucleo i wybraniu modułu X-Nucleo-IDB05A1 tak jak to zostało pokazane na rysunku 4.

Rysunek 4. Wybór typu modułu

Po wybraniu modułu trzeba pobrać ze strony spakowany program demonstracyjny en.X-Cube-BLE1. Po rozpakowaniu możemy korzystać z programów demonstracyjnych z gotowymi projektami dla środowisk projektowych:

  • IDE Keil uVision
  • IAR EWARM
  • AC6

Oprócz tego dla każdego z przykładów mamy do dyspozycji gotowe skompilowane pliki wynikowe. Można skorzystać z zamieszczonych plików wynikowych, lub otworzyć projekty w wybranym środowisku IDE i ewentualnie je modyfikować do własnych potrzeb.
Niestety nie ma tu projektów dla Atollic True Studio for STM32. Próby szybkiej konwersji projektów za pomocą narzędzia Open Project from File System się nie powiodły. Przekonwertowany projekt dla AC6 opartego o Eclipse, nie dawał się kompilować , a projekt dla EWARM nie działał po skompilowaniu. Być może potrzebne były niewielkie poprawki, ale ja poprzestałem tylko na sprawdzeniu konwersji bez modyfikacji projektów. W czasie testów korzystałem z gotowych plików wynikowych.

Rysunek 5. Pobieranie i uruchamianie programów demonstracyjnych

Na rysunku 5 pokazany został schematycznie proces pobierania i uruchamiania programów demonstracyjnych. Oprogramowanie demonstracyjne bazuje na warstwie abstrakcji sprzętu STM32CubeHAL dla mikrokontrolerów STM32 (rysunek 6).

Rysunek 6. Model warstwowy oprogramowania demonstracyjnego

Aplikacja wykorzystuje oprócz tego pakiet wsparcia BSP (Board Support Package) dla płytki Nucleo, oraz dla płytki rozszerzenia BlueNRG/BlueNRG-MS. Zastosowany tu procesor BLE BlueNRG-MS charakteryzuje się bardzo małym poborem mocy, a jego firmware jest zgodne ze specyfikacją Bluetooth 4.0/4.1. Warstwa sterowników (Drivers) zapewnia komponentom warstw wyższych (Middleware) dostęp do urządzenia BlueNRG-MS niezależnie od szczegółów sprzętowych. Inaczej mówiąc warstwy wyższe nie muszą znać budowy i szczegółów sterowania procesora BLE. Middleware Low Power Manager optymalizuje pobór mocy.

Pakiet oprogramowania zawiera szereg przykładowych aplikacji. Kiedy testowany układ pełni rolę układu peryferyjnego (Peripherial device – slave), to wspierana jest obsługa profili specyfikacji GATT:

  • Alert Notification Client,
  • Blood Pressure Sensor,
  • Find Me Locaqtor,
  • Find Me Target,
  • Glucose Sensor,
  • Health Thermomenter,
  • Heart Rate,
  • Human Interface Device,
  • Phone Alert Client,
  • Proximity Monitor,
  • Proximity reporter,
  • Timer Server.

W przypadku pełnienia roli układu centralnego (Central device – Master) wpierana jest obsługa profili:

  • Alert Notification Client,
  • Blood Pressure Collector,
  • Find Me locator,
  • Glucose Collector,
  • Health Thermometer Collector,
  • Heart Rate Collector,
  • Time Client.

Przykładowa aplikacja

Do testowania działania łącza BLE będzie potrzebna płytka BLE X-Nucleo-IDB05A1 połączona z modułem Nucleo F-401RE, oraz smartfon z pobraną i zainstalowaną aplikacją STM32 BLE Profiles.

Wszystkie programy demonstracyjne obsługujące profile peripherial device symulują dane z czujników zewnętrznych. Z oczywistych względów trudno byłoby testować rzeczywiste pomiary takich parametrów jak poziom glukozy, czy ciśnie krwi. Tak jest też w przypadku pierwszego wykonywanego testu symulującego pomiar stężenia glukozy we krwi.

Test zaczynamy od zaprogramowania mikrokontrolera w module Nucleo F-401RE plikiem wynikowym ProfPerip.GlucoseSensor_F401RE.bin umieszczonym w katalogu Projects/Multi_Applications-Profiles_LowPower/Binary/STM32F401RE_Nucleo. Do programowania pamięci można użyć programu STM32CubeProgrammer. Po podłączeniu modułu do komputera przez złącze USB trzeba kliknąć na przycisk Connect w oknie ST_LINK. W oknie ST-LINK configuration zaznaczamy opcję SWD (rysunek 7).

Rysunek 7. Okno ST-LINK programu STM32CubeProgrammer

Po kliknięciu na Connect następuje połączenie z układem programatora/debuggera na płytce Nucleo i można przejść do programowania. Najpierw wybieramy plik binarny (lub w formacie .hex) i po jego otwarciu klikamy na Start Programming (rysunek 8).

Rysunek 8. Programowanie za pomocą  STM32CubeProgrammer

Po zaprogramowaniu mikrokontrolera trzeba uruchomić aplikację STM32 BLE Profiles na smartfonie z aktywnym łączem Bluetooth. Aplikacja jest dostępna bezpłatnie w sklepie Google Play (dla systemu Android). Jeżeli Bluetooth nie jest aktywny, to aplikacja poprosi o jego włączenie. Po nawiązaniu łączności pomiędzy urządzeniem centralnym (smartfon), a urządzeniem peryferyjnym (płytka) aplikacja STM32 BLE Profiles zgłasza wykrycie profilu. Jak wspominałem w naszym przypadku będzie to pomiar poziomu glukozy (fotografia 2).

Fotografia 2. Ekran smartfona z wykrytym profilem

Na ekranie jest wyświetlana:

  • Nazwa układu peryferyjnego: GlucoseSensor,
  • Poziom sygnału radiowego – 74 dB,
  • Adres,
  • Status połączenia – connected,
  • Nazwa profilu = Glucose.

Można teraz rozłączyć połączenie dotykając ikony Disconnect i ponownie je nawiązać naciskając Connect. Po naciśnięciu na nazwę profilu (Glucose) aplikacja przechodzi do wyświetlania symulowanego pomiaru tak jak to zostało pokazane fotografii 3. Jak już wiemy dane o poziomie glukozy są zapisane w programie demonstracyjnym. Mamy tu wartość pomiaru (152 mol/L), datę i godzinę pomiaru, oraz miejsce pobrania próbki (z palca). W dolnej części ekranu są wyświetlane właściwości profilu.

Fotografia 3. Ekran z wyświetlanymi symulowanymi danymi pomiarowymi

Po wgraniu plików wynikowych ze skompilowanych projektów można przetestować działanie połączenia i symulacji przesyłania danych z kolejnych czujników.

Fotografia 4. Symulacja pomiaru tętna

Na fotografii 4 pokazano ekran z pomiarem tętna z czujnikiem umieszczonym na ręce. Zmiany tętna są pokazywane w formie graficznej na wykresie. Kolejnym przykładem jest pomiar ciśnienia pokazany na fotografii tytułowej.

W analogiczny sposób sprawdziłem wszystkie programy demonstracyjne z katalogu Projects/Multi_Applications-Profiles_LowPower/Binary/STM32F401RE_Nucleo. Programów demonstracyjnych jest dużo więcej. Można testować miedzy innymi aplikacje z katalogu SampleAppThT. Potrzebne są dwa zestawy płytek BLE X-Nucleo-IDB05A1 połączonych z modułem Nucleo F-401RE. Jeden jest skonfigurowany jako central, a drugi jako Peripherial. Naciśnięcie przycisku User na jednym z modułów zapala i gasi diodę LED na drugim z modułów (i odwrotnie). Doświadczenia z przeprowadzonych testów pozwalają sądzić, że pozostałe też będą działać poprawnie.

Podsumowanie

Przykładowe, działające programy z projektami zawierającymi kompletne pliki źródłowe mogą być doskonałą bazą do opracowywania własnych projektów. Dołączenie czujników mierzących rzeczywiste parametry pozwala na błyskawiczne tworzenie użytecznych aplikacji użytkownika przy minimalnym nakładzie pracy własnej.

Tomasz Jabłoński, EP

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
lipiec 2021

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik maj 2022

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio maj - czerwiec 2022

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka Podzespoły Aplikacje kwiecień 2022

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna maj 2022

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich maj 2022

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów