โปรเจกต์ Bluetooth Weather Station

[bluetooth]# connect FB:A7:C6:D4:64:C4
[CHG] Device FB:A7:C6:D4:64:C4 Connected: yes
Connection successful
[NEW] Primary Service
       /org/bluez/hci0/dev_FB_A7_C6_D4_64_C4/service0006
       00001801-0000-1000-8000-00805f9b34fb
       Generic Attribute Profile
...
[NEW] Primary Service
       /org/bluez/hci0/dev_FB_A7_C6_D4_64_C4/service000a
       0000181a-0000-1000-8000-00805f9b34fb
       Environmental Sensing
...
[NEW] Characteristic
       /org/bluez/hci0/dev_FB_A7_C6_D4_64_C4/service000a/char000f
       00002a6e-0000-1000-8000-00805f9b34fb
       Temperature
...

เมื่อเชื่อมต่อสำเร็จ บริการ (Services) ที่ถูกประกาศไว้จะถูกส่งออกมา ผลลัพธ์ที่แสดงด้านบนถูกตัดทอนเพื่อให้ดูง่ายขึ้น สังเกตว่า Characteristic ของ Temperature จะแสดงขึ้นมาพร้อมกับ Service ของ Environmental Sensing (ค่าความดันและความชื้นถูกละไว้ในตัวอย่างด้านบน แต่จะแสดงให้เห็นเมื่อคุณรันคำสั่งจริง)

โค้ดใน Arduino Sketch ส่วนที่รับผิดชอบในการส่งผลลัพธ์ที่แสดงบน Raspberry Pi คือ:

BLEService environmentalSensingService("181A");
BLEShortCharacteristic temperatureCharacteristic("2A6E", BLERead);
BLE.setAdvertisedService(environmentalSensingService);
environmentalSensingService.addCharacteristic(temperatureCharacteristic);
BLE.addService(environmentalSensingService);
BLE.setConnectable(true);
BLE.advertise();

การอ่านค่า Characteristics

ตอนนี้ Raspberry Pi ได้รายการของ Services และ Characteristics มาแล้ว การอ่านค่าเหล่านั้นทำได้ง่ายมากโดยใช้เมนูย่อย gatt ของ bluetoothctl (GATT เป็นคำศัพท์เฉพาะทาง Bluetooth ย่อมาจาก Generic ATTribute)

เข้าสู่เมนูย่อย GATT ด้วยคำสั่ง menu gatt

ในนี้จะมีชุดคำสั่งใหม่ให้ใช้ สองคำสั่งที่น่าสนใจคือ list-attributes และ select-attribute

คำสั่ง list-attributes ใช้เพื่อแสดงข้อมูลเกี่ยวกับ Services และ Characteristics ที่เราเห็นตอนเริ่มเชื่อมต่อกับ Nano ตราบใดที่เรามีรายการนั้นอยู่แล้ว คำสั่งนี้ก็ไม่สำคัญมากนัก

คำสั่ง select-attribute ช่วยให้เราโฟกัสไปที่ Characteristic ใดอันหนึ่งที่ Nano ให้บริการ ในตัวอย่างด้านล่าง เป็นการใช้คำสั่งเพื่อเลือก Temperature characteristic จาก Environmental Sensing service

[Arduino]# menu gatt
select-attribute 00002a6e-0000-1000-8000-00805f9b34fb
[Arduino:/service000a/char000f]#

สังเกตว่ามีการระบุ Characteristic โดยใช้ Universally Unique ID (UUID) ของมัน ซึ่งคล้ายกับการที่เราอ้างอิง Arduino ด้วย hardware address ฐานสิบหกแทนที่จะใช้ชื่อ UUID จะใช้งานได้เสมอและไม่เปลี่ยนแปลง

เมื่อเราเลือก UUID สำหรับ Temperature characteristic แล้ว ก็แค่ใช้คำสั่ง read เพื่อรับค่าอุณหภูมิ

[Arduino:/service000a/char000f]# read
Attempting to read /org/bluez/hci0/dev_FB_A7_C6_D4_64_C4/service000a/char000f
[CHG] Attribute /org/bluez/hci0/dev_FB_A7_C6_D4_64_C4/service000a/char000f Value:
 4c 08                                            L.
 4c 08                                            L.

การแปลผลค่าที่ได้

ค่าที่ส่งกลับมาจากคำสั่ง read ดูไม่เหมือนค่าอุณหภูมิที่คุณจะได้รับหากอ่าน Characteristic เดียวกันนี้ด้วยแอป nRF Connect บนมือถือ มันดูไม่เหมือนอุณหภูมิเลยด้วยซ้ำ

แต่ข้อมูลมันอยู่ในนั้นแหละ แค่ต้องออกแรงนิดหน่อยเพื่อให้มนุษย์อ่านเข้าใจ

เอกสาร Bluetooth GATT definition for temperature อธิบายวิธีตีความค่าที่ส่งกลับมา หัวใจสำคัญคือมันเป็น signed integer ขนาด 16 บิต ที่แสดงค่าอุณหภูมิเซลเซียสโดยมีความละเอียดทศนิยม 2 ตำแหน่ง

การดู signed integer ขนาด 16 บิตนั้นไม่ยาก ค่าที่แสดงคือ 4c 08 โดยเรียงลำดับจากค่าที่มีนัยสำคัญน้อยที่สุดขึ้นก่อน (Little Endian) ซึ่งเป็นเรื่องปกติในการแสดงตัวเลขในระดับ Low-level ของคอมพิวเตอร์ เพียงแค่สลับคู่เลขฐานสิบหกใหม่ ตัวเลขจริงๆ ก็คือ 0x084C

เมื่อแปลงจากเลขฐานสิบหกเป็นฐานสิบ เราจะได้ค่า 2124

ซึ่งดูจะร้อนเกินไปหน่อย แต่เรายังทำไม่เสร็จ อีกส่วนที่สำคัญของนิยาม GATT สำหรับอุณหภูมิคือมันมีความละเอียดทศนิยม 2 ตำแหน่ง แล้วเลขจำนวนเต็ม (integer) จะมีทศนิยมได้อย่างไร? จริงๆ แล้วมันไม่มีหรอก แต่มีการกำหนดไว้ว่าตำแหน่งทศนิยมจะอยู่ที่ 2 ตำแหน่งสุดท้ายเสมอ

เมื่อนำตัวเลข 2124 มาใส่ทศนิยม 2 ตำแหน่ง จะได้ผลลัพธ์เป็น 21.24 ซึ่งเป็นอุณหภูมิเซลเซียสที่สมเหตุสมผลสำหรับวันหนึ่งในช่วงปลายเดือนกันยายน

ในการแปลงค่าในโปรแกรมคอมพิวเตอร์ เราจะหารด้วย 100 ส่วนค่าอื่นๆ เช่น ความดันบรรยากาศ จะมีความละเอียดทศนิยม 1 ตำแหน่ง ซึ่งเราจะหารด้วย 10 ตัวอย่างของเรื่องนี้สามารถดูได้ใน Arduino Sketch ที่มีการแปลงค่า floating-point จาก Sensor เป็น integer แบบ fixed-point เพื่อส่งผ่าน Bluetooth

// อัปเดต Bluetooth characteristics ด้วยค่าใหม่
pressureCharacteristic.writeValue((uint32_t) round(p * 10000));
temperatureCharacteristic.writeValue((int16_t) round(t * 100));
humidityCharacteristic.writeValue((uint16_t) round (h * 100));

สังเกตว่าค่า floating-point อย่าง t และ h ถูกคูณด้วย 100 เพื่อรักษามูลค่าทศนิยม 2 ตำแหน่งในรูปแบบ integer ส่วนความดัน p มีความละเอียด 1 ตำแหน่ง ซึ่งเราน่าจะเห็นการคูณด้วย 10 แต่เอกสาร GATT ยังระบุว่าความดันต้องอยู่ในหน่วย Pascal (Pa) ในขณะที่ Arduino ให้ค่าเป็น kiloPascals (kPa) ดังนั้นเราจึงคูณด้วย 1000 เพื่อแปลงเป็น Pascal และคูณอีก 10 เพื่อให้ได้ทศนิยม 1 ตำแหน่ง (10 x 1000 จึงเท่ากับ 10000)

Python และ Bleak

เห็นได้ชัดว่า bluetoothctl ไม่ใช่วิธีที่เหมาะที่สุดในการรับข้อมูลจาก Arduino Sensors แต่มันเป็นจุดเริ่มต้นที่ดีในการทำความเข้าใจการทำงานของ Bluetooth Low Energy ขั้นตอนต่อไปคือการทำให้มันใช้งานได้ง่ายขึ้น

ภาษาโปรแกรมหลายภาษามาพร้อมกับ Bluetooth libraries เราได้พิสูจน์แล้วว่า Raspberry Pi สามารถเชื่อมต่อและรวบรวมค่าลักษณะทางสิ่งแวดล้อมจาก Nano ได้สำเร็จ ในส่วนนี้ เราจะใช้ภาษา Python และ Library ที่ชื่อว่า Bleak เพื่อดึงค่า GATT characteristics จาก Arduino Nano

Raspbian OS Lite ไม่ได้รวมทุกอย่างที่เราต้องการไว้ ดังนั้นต้องติดตั้งบาง Package เพิ่มด้วยเครื่องมือ apt

sudo apt install python3-pip
sudo pip3 install bleak 

เมื่อติดตั้ง PIP3 และ Bleak เสร็จแล้ว เราก็พร้อมลุย

Library Bleak มี โค้ดตัวอย่าง ที่เป็นจุดเริ่มต้นที่ดีสำหรับการอ่านค่าจาก Nano ตัวอย่างแรกบนหน้าหลักของเขาแสดงวิธีค้นหาอุปกรณ์ (Discover) ซึ่งคล้ายกับคำสั่ง scan on ใน bluetoothctl

เช่นเดียวกับ bluetoothctl โปรแกรม Python จำเป็นต้องรันด้วยสิทธิ์ root เพื่อเข้าถึงอุปกรณ์ Bluetooth ของ Raspberry Pi หลังจากรอสักครู่ มันจะแสดงรายการอุปกรณ์รวมถึง Arduino Nano 33 BLE Sense ในระบบของฉันแสดงผลแบบนี้:

$ sudo python3 ./discover.py
FB:A7:C6:D4:64:C4: Nano33BLE

สามารถคัดลอก address ไปใช้ในตัวอย่างถัดไปบนหน้าหลักของ Bleak Library ได้เลย เพียงแค่เปลี่ยนบรรทัดที่เขียนว่า: address = "24:71:89:cc:09:05" ด้วย address ที่ได้จากสคริปต์ discover

การรันสคริปต์สำหรับอ่าน Model Number ที่คัดลอกมาจากหน้า Bleak โดยตรงจะล้มเหลว นั่นเป็นเพราะมันมองหา Characteristic (2A24) ที่ไม่ได้ถูกกำหนดไว้ใน Arduino Sketch เราต้องแก้ไขโค้ด Python จาก MODEL_NBR_UUID = "00002a24-0000-1000-8000-00805f9b34fb" เป็น MODEL_NBR_UUID = "00002a00-0000-1000-8000-00805f9b34fb"

มันเป็นการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยมาก เพียงแค่เปลี่ยนตัวเลขสองตัวในชุดแรกของ UUID จาก 2a24 เป็น 2a00 ส่วนที่เหลือคงไว้เหมือนเดิม เมื่อทำเช่นนี้ สคริปต์ Python จะทำงานได้โดยไม่มีข้อผิดพลาด

$ sudo python3 ./read_model.py
Model Number: Arduino

การเปลี่ยน UUID เพียงเล็กน้อยนี้คือสิ่งที่คุณต้องทำเพื่ออ่าน GATT characteristic ใดๆ ที่ต้องการ งานที่เหลือมีเพียงการตรวจสอบให้แน่ใจว่าฟังก์ชัน print() แสดงประเภทของ Variable ที่ถูกต้อง

ในการอ่านค่าความชื้น (humidity) จาก Nano ต้องเปลี่ยนโค้ดเพียง 2 บรรทัด คือ UUID และคำสั่ง print() โดย UUID จะกลายเป็น:

00002a6f-0000-1000-8000-00805f9b34fb

และคำสั่ง print() จะกลายเป็น:

print("Humidity: {0}%".format(int.from_bytes(humidity, byteorder='little', signed=False) / 100))

การปรับแต่งเล็กๆ น้อยๆ ในโค้ดตัวอย่างของ Bleak นี้คือทั้งหมดที่ใช้ในการอ่าน GATT characteristic ใดๆ โปรแกรม Python สำหรับการอ่านค่าลักษณะทางสิ่งแวดล้อมทั้งหมดจาก Arduino Nano ถูกรวมไว้ในส่วน Code แล้ว

ขั้นตอนถัดไป

ด้วย Bleak Library และความรู้การเขียนสคริปต์ Python เล็กน้อย Raspberry Pi สามารถตั้งค่าให้อ่านค่าเป็นระยะและแสดงผลบนหน้าจอหรือหน้าเว็บได้ มันยังสามารถไปไกลถึงการวิเคราะห์แนวโน้มเพื่อพยากรณ์อากาศที่กำลังจะมาถึงได้ด้วย

Arduino Sketch สามารถปรับปรุงให้บังคับตัดการเชื่อมต่อกับ Client หลังจากผ่านไประยะเวลาหนึ่ง โดยธรรมชาติของ Bluetooth Low Energy ถูกออกแบบมาเพื่อการทำงานแบบ เชื่อมต่อ-อ่าน/เขียน-ตัดการเชื่อมต่อ หาก Client ใดเชื่อมต่อค้างไว้นานเกินไป จะเป็นการบล็อกไม่ให้ Client อื่นเข้ามาอ่านค่าได้

ถึงจุดนี้ หวังว่าคุณจะมีความมั่นใจและทักษะเพียงพอที่จะรับงานทั้งสองอย่างนี้ไปสร้างสถานีตรวจอากาศ Bluetooth Low Energy ที่สมบูรณ์แบบของคุณเอง

ภาคผนวก: รายละเอียด Sketch

ตามที่สัญญาไว้ นี่คือข้อมูลเชิงลึกเพิ่มเติมเกี่ยวกับส่วนที่เกี่ยวข้องกับ Bluetooth ใน Arduino Sketch ฉันได้แบ่งออกเป็นส่วนของ Variables, Setup และ Loop

Variables

การประกาศวัตถุ (Objects) สำหรับ Service และ Characteristic จะต้องทำเป็นอันดับแรกเพื่อให้พวกมันเป็น Global

BLEService environmentalSensingService("181A");
BLEUnsignedIntCharacteristic pressureCharacteristic("2A6D", BLERead);
BLEShortCharacteristic temperatureCharacteristic("2A6E", BLERead);
BLEUnsignedIntCharacteristic humidityCharacteristic("2A6F", BLERead);

ค่าเลขฐานสิบหกสี่หลักในเครื่องหมายอัญประกาศคือ GATT UUIDs ที่ใช้โดย Object constructor โดย UUID แบบสั้น 16 บิตเหล่านี้ถูกกำหนดไว้ล่วงหน้าในมาตรฐาน Bluetooth Low Energy GATT คุณไม่สามารถนำไปใช้เพื่อวัตถุประสงค์อื่นนอกเหนือจากที่กำหนดไว้ได้

181A คือ Environmental Sensing service ส่วน UUID อื่นๆ อ้างถึง Characteristics ฉันไม่พบกฎที่ระบุว่า Characteristic บางอย่างต้องอยู่กับ Service บางอย่างเท่านั้น แต่ส่วนใหญ่จะจับคู่กันอย่างสมเหตุสมผลอยู่แล้ว อุณหภูมิ ความชื้น และความดัน จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับ Environmental Sensing service ที่เกี่ยวกับสภาพอากาศ

อย่างไรก็ตาม ยังมี Battery service ด้วย แล้ว Battery service จะใช้อุณหภูมิได้ไหม? วงจรชาร์จแบตเตอรี่จำนวนมากมีการตรวจสอบอุณหภูมิเพื่อตรวจจับสภาวะที่ไม่ปลอดภัย ดังนั้นมันจึงดูสมเหตุสมผล แต่ฉันยังไม่เคยลองดู

ส่วน BLERead เป็นการระบุว่า Characteristics เหล่านี้สามารถอ่านได้ แต่เขียนทับไม่ได้ ซึ่งเหมาะสมสำหรับข้อมูลสภาพอากาศ คุณไม่ได้เป็นคนกำหนดความดันบรรยากาศ แต่คุณเป็นคนอ่านมัน นอกจากนี้ยังมีค่าที่เขียนได้ (writable) และ flag สำหรับ notify ซึ่ง notify คือวิธีส่งค่าที่อัปเดตไปยัง Client โดยตรง เพื่อลดภาระของ Client ในการคอยส่งคำสั่งมาถาม (polling)

อีกแง่มุมที่สำคัญของการประกาศ Objects เหล่านี้คือการเลือกประเภท Variable ที่เหมาะสม

สังเกตว่าอุณหภูมิเป็น short integer ในขณะที่ความชื้นเป็น unsigned integer ซึ่งสมเหตุสมผลเพราะอุณหภูมิเซลเซียสมีได้ทั้งค่าบวกและลบ แต่ความชื้นสัมพัทธ์จะมีค่าระหว่าง 0 ถึง 100 เปอร์เซ็นต์เสมอ

การกำหนดประเภท Variable ต้องตรงตามที่ระบุในนิยามของ Bluetooth GATT เป๊ะๆ คุณไม่สามารถกำหนดให้อุณหภูมิเป็น floating point characteristic ได้ (ในทางเทคนิคคุณอาจทำได้ แต่ค่าที่ได้จะใช้งานไม่ได้) คุณต้องทำตามนิยาม GATT สำหรับ Characteristics เหล่านั้น

Setup

หลังจากตัดโค้ดส่วนการ Debug และการสั่งงาน LED แสดงสถานะออกไปแล้ว การตั้งค่า Bluetooth จะประกอบไปด้วย:

การตั้งชื่อและ Service

BLE.setLocalName("Nano33BLE");
BLE.setAdvertisedService(environmentalSensingService);

ชื่อ Nano33BLE จะเป็นอะไรก็ได้ตามที่คุณต้องการ หากคุณมีสองตัว ตัวหนึ่งอยู่ในบ้านและอีกตัวอยู่นอกบ้าน คุณก็สามารถตั้งชื่อให้แตกต่างกันได้

การเพิ่ม Characteristics เข้าไปยัง Service

environmentalSensingService.addCharacteristic(pressureCharacteristic);
environmentalSensingService.addCharacteristic(temperatureCharacteristic);
environmentalSensingService.addCharacteristic(humidityCharacteristic);

โค้ดสามบรรทัดนี้เป็นการเชื่อมโยง Characteristics เข้ากับ Service หากคุณใช้แอป nRF connect บนมือถือ คุณจะเห็นค่าเหล่านี้แสดงเป็นลำดับชั้นอยู่ภายใต้ Service ที่เกี่ยวข้อง

ส่วนสุดท้ายคือการทำให้แน่ใจว่า Client สามารถเชื่อมต่อได้และมีการประกาศ Service ที่เรามีอยู่

BLE.setConnectable(true);
BLE.advertise();

อย่าลืมบรรทัดเหล่านี้ ไม่อย่างนั้นคุณอาจจะสงสัยว่าทำไมมันถึงใช้งานไม่ได้

Loop

ใน Loop หลัก เรามี:

if (central) {
  while (central.connected()) {
    pressureCharacteristic.writeValue((uint32_t) round(p * 10000));
    temperatureCharacteristic.writeValue((int16_t) round(t * 100));
    humidityCharacteristic.writeValue((uint16_t) round(h * 100));
    delay(1000);
 }
}

Central คืออีกชื่อหนึ่งของอุปกรณ์ฝั่ง Client ที่เข้ามาเชื่อมต่อกับ Nano ซึ่ง Central อาจจะเป็น Raspberry Pi หรือแอป nRF Connect ก็ได้

ตรรกะตรงนี้คือเมื่อมี Client เชื่อมต่อเข้ามา ให้วนลูปอัปเดตค่าสำหรับ Characteristics ต่อไปตราบเท่าที่ Client นั้นยังคงเชื่อมต่ออยู่ วิธีนี้ช่วยให้ Client ได้ข้อมูลที่สดใหม่อยู่เสมอโดยไม่ต้องตัดการเชื่อมต่อแล้วต่อใหม่ ส่วนการหน่วงเวลา (delay) มีไว้เพื่อให้ค่ามีความนิ่งขึ้นเล็กน้อย (ค่าจะไม่เปลี่ยนเร็วกว่าวินาทีละครั้ง)

ปัญหาเดียวของ Loop นี้คือ Client อาจจะถือการเชื่อมต่อไว้ตลอดกาล ไม่ว่าจะโดยตั้งใจหรือเพียงแค่ลืมตัดการเชื่อมต่อ ซึ่งจะทำให้การเชื่อมต่อถูกจองไว้และป้องกันไม่ให้ Client อื่นเข้ามาอ่านค่า Characteristics ได้ (หมายเหตุ: นี่เป็นข้อจำกัดของตัว Sketch ส่วนชิป nRF52840 ใน Nano นั้นจริงๆ แล้วสามารถรองรับ การเชื่อมต่อจาก Client พร้อมกันได้ถึง 4 เครื่อง)

การเพิ่มตัวนับ (Counter) เพื่อคอยตรวจสอบว่า Client เชื่อมต่อนานเท่าใดแล้ว และสั่งบังคับตัดการเชื่อมต่อ (Disconnect) เมื่อถึงเกณฑ์ที่กำหนด น่าจะเป็นการปรับปรุงส่วนเสริมที่ดีมาก