Expert - Bluetooth

Neste laboratório vamos explorar os recursos de conectividade Bluetooth da Raspberry Pi Pico W.

Definições

Já conhecemos a tecnologia Bluetooth, inclusive usamos em nosso curso por meio do módulo HC05/HC06.

Se já conhecemos e usamos bluetooth, por que vamos voltar nesse assunto? Bem, é chegada a hora de aprofundarmos nosso conhecimento um pouco mais na tecnologia bluetooth e aproveitar para conhecer como usar o modulo bluetooth da pico W.

A Raspberry Pi Pico W possui a versão 5.2 do Bluetooth, que é a especificação do módulo CYW43439 de wifi/bt. O modulo possui o modo BLE (Bluetooth Low Energy) que oferece melhorias em termos de velocidade, alcance e eficiência energética.

Comunicação Bluetooth LE

Bluetooth Low Energy (BLE) foi introduzido como parte da especificação Bluetooth 4.0, projetado para oferecer uma alternativa de baixo consumo de energia ao Bluetooth clássico, e tenta ser uma alternativa para aplicações que requerem comunicação sem fio eficiente em termos de energia, como dispositivos vestíveis, sensores e dispositivos IoT (Internet das Coisas).

A medida que começamos a nos aprofundar no sistema bluetooth, vamos nos deparar com uma verdadeira sopa de letrinhas, isso por que o sistema bluetooth é bem complexo e requer conhecimento e diversos protocolos aplicados em diversas camadas.

De acordo com a propria especificação, o sistema Bluetooth é composto por um Host, um Controlador Primário e zero ou mais Controladores Secundários. Uma implementação mínima do sistema core Bluetooth BR/EDR cobre as quatro camadas mais baixas e os protocolos associados definidos pela especificação Bluetooth, bem como um protocolo de camada de serviço comum; o Service Discovery Protocol (SDP). Os requisitos gerais do perfil são especificados no Generic Access Profile (GAP). O sistema core BR/EDR inclui suporte para Alternate MAC/PHYs (AMPs), incluindo um AMP Manager Protocol e Protocol Adaptation Layers (PALs) que suportam MAC/PHYs referenciados externamente. Uma implementação mínima de um sistema core apenas Bluetooth LE cobre as quatro camadas mais baixas e os protocolos associados definidos pela especificação Bluetooth, bem como dois protocolos comuns de camada de serviço; o Security Manager (SM) e o Attribute Protocol (ATT). Os requisitos gerais do perfil são especificados no Generic Attribute Profile (GATT) e no Generic Access Profile (GAP).

Fica calmo que vamos tentar desvendadr alguns desses protocólos.

Comunicação BLE

Aplicação: Lê o sensor de temperatura integrado na pico W e envia notificações via BLE, além de pisca a cada segundo para mostrar que está funcionando.

Neste exemplo vamos configurar o Generic Access Profile (GAP), que basicamente define como os dispositivos BLE descobrem e se conectam uns aos outros, no modo de operação broadcast (anúncios). Permitindo que dispositivos BLE enviem pacotes de dados de anúncio para serem descobertos por outros dispositivos.

Comece ajustando a infra necessária:

No Cmakelist.txt configure da seguinte forma:

# configura a placa com wifi
set(PICO_BOARD pico_w)

add_executable(main
    main.c server_common.c
    )

target_link_libraries(main
    pico_stdlib
    pico_btstack_ble
    pico_btstack_cyw43
    pico_cyw43_arch_none
    hardware_adc
    )

target_include_directories(main PRIVATE
    ${CMAKE_CURRENT_LIST_DIR} # For btstack config
    )
pico_btstack_make_gatt_header(main PRIVATE "${CMAKE_CURRENT_LIST_DIR}/temp_sensor.gatt")

Carregue no diretório main os arquivos de apoio do projeto.

• btstack_config.h
• lwipopts.h
• temp_sensor.gatt
• server_common.h
• server_common.c

o nosso código principal é o seguinte:

/**
* Levemente adaptado para o nosso curso 
* Copyright (c) 2023 Raspberry Pi (Trading) Ltd.
*
* SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
*/

#include <stdio.h>
#include "btstack.h" //funcionalidades de Bluetooth.
#include "pico/cyw43_arch.h"
#include "pico/btstack_cyw43.h"
#include "hardware/adc.h"
#include "pico/stdlib.h"

#include "server_common.h"

#define HEARTBEAT_PERIOD_MS 1000

static btstack_timer_source_t heartbeat;
static btstack_packet_callback_registration_t hci_event_callback_registration;

static void heartbeat_handler(struct btstack_timer_source *ts) {
    static uint32_t counter = 0;
    counter++;

    // Update the temp every 10s
    if (counter % 10 == 0) {
        poll_temp();
        if (le_notification_enabled) {
            att_server_request_can_send_now_event(con_handle);
        }
    }

    // Invert the led
    static int led_on = true;
    led_on = !led_on;
    cyw43_arch_gpio_put(CYW43_WL_GPIO_LED_PIN, led_on);

    // Restart timer
    btstack_run_loop_set_timer(ts, HEARTBEAT_PERIOD_MS);
    btstack_run_loop_add_timer(ts);
}

int main() {
    stdio_init_all();

    // initialize CYW43 driver architecture (will enable BT if/because CYW43_ENABLE_BLUETOOTH == 1)
    if (cyw43_arch_init()) {
        printf("failed to initialise cyw43_arch\n");
        return -1;
    }

    // Inicializa a leitura do sensor de temperatura, 
    // esse sensor já vem embutido na placa, não precisamos adicionar nenhum sensor na placa.
    adc_init();
    adc_select_input(ADC_CHANNEL_TEMPSENSOR);
    adc_set_temp_sensor_enabled(true);

    l2cap_init(); // Inicializa o L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol) 
    sm_init(); // Inicializa o SM (Security Manager) do Bluetooth.

    // Inicializar o servidor ATT (Attribute Protocol)
    // com o perfil GATT definido (profile_data) e os callbacks de leitura e escrita.
    att_server_init(profile_data, att_read_callback, att_write_callback);

    // Registrar callbacks BTstack state
    hci_event_callback_registration.callback = &packet_handler;
    hci_add_event_handler(&hci_event_callback_registration);

    // register for ATT event
    att_server_register_packet_handler(packet_handler);

    // set one-shot btstack timer
    heartbeat.process = &heartbeat_handler;
    btstack_run_loop_set_timer(&heartbeat, HEARTBEAT_PERIOD_MS);
    btstack_run_loop_add_timer(&heartbeat);

    // turn on bluetooth!
    hci_power_control(HCI_POWER_ON);

    while(1) {
        tight_loop_contents();

    }
    return 0;
}

Agora no arquivo server_common.c edite em adv_data o campo BLUETOOTH_DATA_TYPE_COMPLETE_LOCAL_NAME, troque para um nome seu personalizado:

static uint8_t adv_data[] = {
    // Flags general discoverable
    0x02, BLUETOOTH_DATA_TYPE_FLAGS, APP_AD_FLAGS,
    // Name
    0x17, BLUETOOTH_DATA_TYPE_COMPLETE_LOCAL_NAME, 'P', 'i', 'c', 'o', ' ', '0', '0', ':', '0', '0', ':', '0', '0', ':', '0', '0', ':', '0', '0', ':', '0', '0',
    0x03, BLUETOOTH_DATA_TYPE_COMPLETE_LIST_OF_16_BIT_SERVICE_CLASS_UUIDS, 0x1a, 0x18,
};
static const uint8_t adv_data_len = sizeof(adv_data);

Compile e rode o código em sua placa.

Para receber os anuncios em outros dispositivos

1) Receba pelo celular, para isso faça:

• Instalar no telefone celular o aplicativo Nordic nRF Connect.
• Verifica os BLE próximos
• Exibir os dados recebidos.

Entrega

A ideia da entrega vai ser transmitir as informações não mais entre a PICO e um celular, mas sim entre duas PICOS. Uma das PICOs vai se comportar como device, coletando dados do ADC e enviando via bluetooth, e a outra pico vai servir como host, recebendo o dado e exibindo no OLED.

No lugar do sensor de temperatura, vamos conectar um sensor de potenciômetro.

Para receber o dado pela outra placa pico W será necessário:

• Você vai precisar de uma segunda placa pico W
• Use como base o código client.c.
• Faça os ajustes necessários, para que o valor seja exibido no display oled.

Referências:

https://www.bluetooth.com/specifications/assigned-numbers/

https://www.bluetooth.com/specifications/specs/hid-over-gatt-profile-1-0/

https://www.bluetooth.com/wp-content/uploads/Files/Specification/HTML/CSS_v11/out/en/supplement-to-the-bluetooth-core-specification/data-types-specification.html

https://github.com/bluekitchen/btstack/tree/master/example

https://bluekitchen-gmbh.com/