OS（Arduino）を中心に

 

OS（基本ソフトウエア）にArduinoを使っています。OSから上側がソフトウエア、下側がハードウエアです。

 

ソフトウエア

 

アプリケーションはシステムの特徴（機能）を決めているプログラム部分です。

OSとアプリケーションの間には、ハードウエアに対応するプログラム（ドライバ）が入ります。プログラム上ではライブラリという形で追加されます。

 

ハードウエア

 

OSと接する部分はMCUです。
MCUには複数のピンが出ていて、プリント基板内の各回路につながります。

具体的な機能を実現している各ICやセンサには、そのIC等を使いやすくするためのライブラリが作られていることが多いです。ライブラリを使用することにより、アプリケーションが作りやすくなっています。

プログラムを作る前に、ハードウエアを確認する必要があります。

 

何が必要か

 

組み込みシステムではハードウエアとのやりとりが必要になりますので、どのような機能があるのか、その機能を使うにはどうしたら良いのかを調べます。

 

具体的には下記の通りです。

・使う機能（例：加速度センサ）
・その機能の使い方（I2C通信）
・どのポートに割付られているか

 

ポート番号はMCUにより違う

 

MCUが異なるとプログラム中で記述するポート番号が異なります。
今回はペリフェラル側（アドバタイザ側）がAVR、セントラル側（スキャナ側）がSTM32です。異なるので注意が必要です。MCUを含むリーフを変更した場合は注意しましょう。

ちょっとだけ伝える

 

センサのデータなどを伝えるの時に便利です。Bluetoothの中でも省電力で使用できるBLEを使用します。

コイン型電池でも長期間使用できるので、IoTで各種センサのデータを送信するときに適しています。

詳しくは他の情報源で

 

この記事では必要最小限と思われる内容をお伝えしています。詳しく知りたい方や正確性を求める場合は、他のホームページや書籍などもご覧ください。下記は一例です。

開発視点の超簡単BLE入門

ビーコンのしくみ

 

Bluetoothの中でもちょっと特別な使用方法です。下記が特徴です。

・送信しっぱなし
・データは最大31バイト
・送信側が省電力化できる

送信側

 

ペリフェラルと呼びます。本来はセントラル側に「自分はここにいるよ」というアドバタイザ通信にデータを載せます。ビーコンでは接続しません。送りっぱなしです。

受信側

 

セントラルと呼びます。自分の周囲で発信しているアドバタイザ通信すべてを受信します。

その中から必要なものだけ受け取り、内部のデータを使用します。

注意点

 

簡単にデータを送れますが、暗号化していないのでデータは丸見えです。
今回は特に機密性が高くありませんからそのままです。

BLEモジュールでBLE通信をおこないます。BLEモジュールを操作する場合は、BLEライブラリ（TBGLib）を使用します。BLEモジュールはシリアル通信を使用しします。

 

初期化する

MCUが起動して最初に実行する処理がSetupです。ここでBLEモジュールとBLEオブジェクトの準備をおこないます。

 

MCUによりシリアル通信が異なる

・AVRの場合

デバッグ（プログラム書き込みも）でUSBリーフを使用するためMCUのハードウエア・シリアル通信を使用するため、BLE通信用にはソフトウエア・シリアル通信を使用します。
そのため、ソフトウエア・シリアル通信用のライブラリを使用します。

・STM32の場合

複数のハードウエア・シリアルがあるため、BLE通信用にもハードウエア・シリアル通信を使用します。

コマンド

 

BLEモジュールの設定をおこなったり送信をおこなう場合は、BLEライブラリのコマンドを使用します。

 

コールバック関数

 

BLEモジュールの状態が変わった、受信したなど、BLEモジュール側に何らかの変化があった時は、あらかじめ登録してあるプログラムが呼び出されて実行されます。この呼び出されるプログラムがコールバック関数です。

 

コールバック関数は利用者側で書きます。関数名も自由につけることができます。（関数の引数は、その型や並びは決められています。）

 

初期化（setup）の中でBLEオブジェクトであらかじめ決められた関数名に、利用者が作成したプログラム（コールバック関数）を結びつけます。

ここでは必要最低限度の説明です。BLE通信は多様な内容で多彩なアプリケーションに使用することができます。今回はごく一部だけ使用しています。

 

パケットの階層化

 

パケットは通信の規格や処理などにより階層化されています。もちろん、データとしては連続的なものです。

 

BLEパケット

・プリアンブル
通信のタイミング（ビット毎）をはかります。

・アクセスアドレス
アドバタイズ通信では図中の通りです。

PDUペイロード

通信のデータ本体です。

 

アドバタイザデータ

アドバタイザ用のデータです。その内側はさらに3つに分かれています。

AD1：フラグ（ 種類 ）

AD2：デバイス名
AD3：利用者データ

 

 

アドバタイザデータの中身

 

AD1, AD2, AD3、三つの構造は共通して下記の構成です。

・フィールド長

・ADタイプ

・ADデータ

 

フィールド長は、ADタイプとADデータの長さ（オクテット長）です。

 

AD1

AD1のフラグはこの通信がアドバタイジングであることを示すフラグです。

AD2

アドバタイジング（送信）しているデバイス（本機）のデバイス名です。プログラム46行目で設定します。

 

AD3

セントラル側に伝えたい情報（データ）です。詳細はプログラムの解説でお伝えします。

 

アプリケーションを作る場合は、このAD3の部分を用途にあった内容に設計することになります。

AVRの開発環境

 

下記をご参照ください。

 

AVR MCU の Arduino IDE 設定
Arduino IDEでLeafonyにプログラムを書き込む

 

こちらもチェック

STM32の開発環境

 

下記をご参照ください。

 

STM32 MCU の Arduino IDE 設定
Arduino IDEでLeafonyにプログラムを書き込む

 

ライブラリのインストール方法

ターゲット（ Leafony ）との接続はUSBリーフとPCを接続。書き込み時もそのまま書き込みできます。

 

右はターゲットとの接続設定の内容です。

 

ポートNo.は状況により変わります。

 

ターゲット（ Leafony ）との接続はUSBリーフとPCを接続。

書き込み時はMCU（STM32リーフ）の書き込みスライドスイッチは、書き込み側にします。（赤いLEDが点灯）

書き込み前にリセットスイッチを押してリセットします。書き込み後はそのままプログラムは起動します。

 

右はターゲットとの接続設定の内容です。ポートNo.は状況により変わります。

機能

 

・加速度センサで傾きを検知
・検知した傾きをBLE通信で送信
・BLE通信はアドバタイザ
　（ 送信しっぱなし ）

主な処理

 

・タイマ割り込み

・加速度センサからのデータ取得

・BLEでのアドバタイジング

MCUは AVR

 

・リーフ：AP01 AVR MCU

・MCU：ATmega328P

・電圧 / 周波数：3.3V / 8MHz

・Flash memory：32 KB
・SRAM：2KB

　メモリサイズが小さいので要注意

プログラム　 こちらです。

※ BLEに関連する部分のみ抜粋

 

BLEに関連する部分のみです。タイマ処理や加速度センサに関する箇所はページ下部に記載しています。

 

BLE関連の初期化

 

準備は下記の通りです。

・ライブラリの読み込み

・デバイス名の定義

・端子の定義

・オブジェクトの生成

 

BLEはオブジェクトを生成

 

BLEモジュールはオブジェクト（プログラム上でモジュールをイメージ化したもの）として扱います。

 

123行でBLEモジュールのオブジェクトを生成しています。送受信はシリアル通信でおこないます。そのシリアル通信もオブジェクトであつかいます。

 

シリアル通信オブジェクトをハードウエアシリアルの型で渡しているところに注意してください。（ソフトウエアシリアルでも型としてはハードウエアシリアルとなります。）

BLEモジュールの初期化

 

ここからプログラム本体（実行するコード）です。

setup() 内で下記をおこないます。

・ポート（端子）の初期設定

・BLEモオブジェクトの初期設定

・アドレスの取得（おまけ）

 

端子の初期化、BLEオブジェクトの初期化はそれぞれ別のルーチンにしてあります。

 

 

BLEオブジェクトの初期設定

 

おこなうことは下記の通りです。

・コールバック関数の登録

・BLE用シリアル通信の開始

・アドバスタイズのパラメータ設定

 

 

コールバック関数の登録

 

アドバタイズ（送信）ではコールバックは使用しません。通信時のLED点滅やアドレス取得時の表示などの付加機能（おまけ）で使用しています。

 

BLEオブジェクトの操作や送信をおこないたい場合は、オブジェクトのコマンドを使用します。

 

BLEオブジェクトの状態が変わったことを知りたい、BLE通信で受信したなどBLE側で起きたことを発端に処理をおこなうために、コールバック関数を使用します。

 

コールバックという名前の通り、オブジェクト側で何か起きると呼ばれる関数です。

 

何がおきた（イベントという）ら、どういう（名前）関数が呼ばれるかはあらかじめ決まっています。

自分が対象としたいイベントに対応する関数名を探します。

 

（例）202行

オブジェクトがビジー状態になったら知らせてくれるコールバック関数が onBysyです。

 

ここに自分で書いた関数を登録します。（正しくは関数のメモリ上での位置になりますので、コールバック関数ポインタの登録です。）

 

関数で受け渡しをおこなう「引数」はあらかじめ決めれていますので、その確認も必要です。

アドバタイザの核心部分

 

おこなうことは下記の通りです。

・送信データの組み立て

・送信データの登録

・アドバスタイズ（送信）

 

送信データの組み立て

 

送信データを8bit（ 1オクテット *1 ）の配列で宣言して初期値を入れます。

今回はトライアル（実験）なので送信データの初期値を設定するところをわかりやすく表記しています。シンプルに必要なオクテット数分の配列でも問題ありません。

 

*1：オクテット（ octet ）
8ibit の情報量。むかし1byteの情報量が複数ありました。通信は異なるシステムをつなぐのではっきりと8bitであるオクテットを好まれました。

 

AD1（ データの種類 ）

この通信はアドバタイジングです。

2バイト目のADタイプはアドバイザパケットを示すBGLIB_GAP_AD_TYPE_FLAGSです。

 

AD2（ ローカル名 ）

この通信を発信しているデバイス名を示します。

2バイト目のADタイプはローカル名を示すBGLIB_GAP_AD_TYPE_LOCALNAME_COMPLETEです。

 

AD3（ データ本体 ）

利用者がデータを載せる部分です。

2バイト目のADタイプはデータタイプです。3バイト目以降にどようなデータが入っているかを示します。

0xff（ Manufacture Specific ）は企業ごとのIDと任意のデータであることを示しています。

企業ごとのIDは、Bluetooth SIGが企業に発行した識別子です。ここでは会社IDを使用しませんので0xffffとしています。これは会社IDが割り当てられる前に内部テストや相互運用テストなどで使用する特別なiDです。もちろん、最終製品に使用できません。

 

データ型の変換

 

加速度センサから取得したデータは float型です。

アドバタイザに載せるデータはint型としましたので、センサデータの有効桁を小数点以下第2位とした場合、100倍にすると整数になります。

 

MCUによりデータの型で使用するバイト数が異なります。そのため、そこを配慮してデータ型を考慮したデータ型の変換が必要となります。

 

具体的な送信方法

 

次の2段階です。

1）パケット（送信データ）を登録

2）送信

いずれもBLEオブジェクトのコマンドを使用します。

 

パケットの登録

構成した送信データ adv_data（ポインタ）とサイズ（ここでは25バイトで固定）が引数です。

 

送信

引数1は、BLEオブジェクトを識別するためのもの（ハンドル）

引数2は、ディスカバリモードです。ここではユーザーが定義した内容であることを示しますので、LE_GAP_USER_DATAです。

引数3 は、接続方式で、ビーコンでは接続しませんので、LE_GAP_SCANNABLE_NON_CONNECTABLE です。

機能

 

・ペリフェラルからのデータを受信
・取得したデータをLCD表示

 

主な処理

 

・BLEのスキャニング

・アドバタイジング・パケットからデータを取得

・取得したデータをLCD表示

MCUは STM32

 

・リーフ：AP03 STM32 MCU

・MCU：STM32L452REI6

・電圧 / 周波数：3.3V / 80MHz

・Flash memory：512 KB
・SRAM：160KB

プログラム　 こちらです。

・ファイル名：　stm32_scanner.ino

・文字コードは、UTF-8です。

・コメントは日本語化しています。

※ BLEに関連する部分のみ抜粋

 

BLEに関連する部分のみです。LCD表示に関する箇所はページ下部に記載しています。

 

BLE関連の初期化

準備はペリフェラル側とほぼ同じです。

 

デバイス名の用途

 

ここのデバイス名はペリフェラルからのパケットを選別する目的です。

アプリケーションの場合は別途処理にて対応します。

 

BLEはオブジェクトを生成

 

ペリフェラル側とほぼ同じです。

MCUが異なるので端子（ポート）の定義が異なることに注意が必要です。

STM32は複数のシリアル通信（UART）を持つので、ハードウエアシリアルを使用します。

BLEモジュールの初期化

 

ここからプログラム本体（実行するコード）です。ペリフェラル側ではポートの初期設定、BLEオブジェクトの初期設定を別のルーチンにしてsetup()から呼び出していましたが、こちらではすべてsetup()に記述しています。

 

コールバック関数の登録

 

アドバタイズのスキャン（受信）でコールバックを使用します。受信したときはコールバック関数で処理をおこないます。

 

ここではmy_evt_le_gap_scan_response()に受信時の処理を記述しています。この関数名をBLEオブジェクトのble_evt_le_gap_scan_responseプロパティに結びつけます。

 

ディスカバリモードは 2（ le_gap_general_discoverable ）で「一般的な検出手順のを使用して検出」を設定しています。

受信処理の核心部分

 

おこなうことは下記の通りです。

・受信パケットの受け取り

・アドバタイズ・データAD2から
　送信元デバイス名を取得

・対象とするデバイスの判断

・受信データの取得

・データのLCD表示

 

受信状況と受信データ

 

このコールバック関数はスキャン（周りからの受信）結果があった場合に呼び出されます。

 

受信状況と受信したデータはmsgという引数を介して受け取ります。

msgはble_msg_le_gap_scan_response_evt_tという構造の構造体変数です。この構造体から必要な値を切り出します。

 

msgはポインタ（変数のアドレス）渡しのため、その構造体のメンバにアクセスするためには->演算子を使用します。

 

受信対象の選別

 

スキャンでは周りにあるパケットをすべて受信します。その中から対象となるパケットを選択して処理対象とします。

今回はAD2に含まれる送信側のデバイス名を使用して選別しています。特定の文字列（デバイス名）の一致を条件としていますので、対象は1つに限られます。複数を対象とした場合には、デバイス名の一部（共通部分）を比較して相違部分で個体選別する必要があります。または、別途個体選別できる様な識別子を追加する必要があります。

 

受信パケットの長さに注意

 

受信パケットの長さはかなり幅があります。大きな（長い）データをそのまま持ち込むと、記憶領域を無駄に使用したり配列を突き抜けてしまい暴走の原因になりますので必要以上に長いパケットは破棄するか、取り扱うデータ長の上限を決めることが望ましいです。

 

処理の核心部分

 

287行目以降が、対象となるパケットの処理部分となります。ここでは下記をおこなっています。

・受信パケットから個々のデータの
　取得とデータ型の変換

・LCD表示

 

アプリケーションでは、この部分にそのアプリケーション固有の処理が入ります。

ここはコールバック関数内なので、アプリケーション固有の処理はメインループに記述して、この関数内では受信データの保存とメインループへの受信があったことを伝える（フラグなど）だけにして短時間で処理を終えるようにする場合もあります。

 

データ型に注意

 

今回はデータを2バイトのint型としてパケットに載せました。通信ではオクテット数を厳密に規定しています。

プログラムでは処理系により同じint型でもバイト数が異なります。AVRでは2バイト、STM32では4バイトです。パケットを組み立てるとき、分解するとき（パース）にはその差に注意が必要です。

 

ここは飛ばしも大丈夫

 

Leafonyを使用しますので、ここは飛ばしても動きますが、概要を知っておくとより理解が深まります。

 

ブロックダイアグラム

 

回路を設計するときは、回路図を書く前に機能ごとにブロック（箱）で表したブロックダイアグラムという図を書きます。

 

Leafonyはそれぞれのリーフ（ボード）が機能ごとに分かれているので、リーフをひとつの機能ブロックとして見ることができます。右の図はリーフをブロックダイアグラム的に配置してみたものです。

欲しい機能のリーフと、その組合せを考えればブロックダイアグラムと回路図は完了です。これがLeafonyの良いところです。ハードウエア設計と試作の時間を大幅に短縮することが可能です。

Leafony バス

 

Leafony バスは複数のリーフの間をコネクタを介して相互に接続する共通の経路部の名称です。

 

複数のボードで構成するボードシステムはバスを規格化しているところに特徴があります。バスの各ピン（経路）を理解するといろいろな応用がしやすくなります。

 

 

AVR MCUピン対応表

STM32 MCUピン対応表