Быстрый старт с NRF51822

в 13:08, , рубрики: BLE, bluetooth low energy, cortex-m0, nrf51822, nrf51dk, Беспроводные технологии, быстрый старт, программирование микроконтроллеров

1. Вступление

Добрый день.

В сети гуляет огромное количество уроков программирования под разные простенькие (и не очень) платформы. С каждым годом однотипные туториалы разной степени углубленности по одному и тому же микроконтроллеру штампуются десятками. И это прекрасно, так как обилие статей ведет к снижению порога вхождения в тематику и позволяет уже созревшим программистам не тратить время на поиск прочитанного вдоль и поперек даташита, а просто воспользоваться уже рабочим куском кода инициализации периферии и перейти к проблемам посерьезнее.

Однако есть нюанс — шаг вправо, шаг влево от стандартной подборки STM32/8, AVR и иже с ними или углубление в более сложные интерфейсы тех же самых STM32/8, и тишина. Лишь изредка на далеком-далеком форуме кто-то задает вопрос, который в итоге остается без ответа…

К чему я, собственно, веду. Не так давно возникла необходимость использования в проекте чипа nRF51822 компании Nordic Semiconductor с популярной ныне тематикой Bluetooth low energy (далее — BLE) на борту.

image

Чип оказался настолько популярным на информационную составляющую, что Google с горем пополам выдал 2-3 ссылки с описанием самого BLE стека и пару абстрактных статей касательно реализации стека у чипов Nordic и Texas instruments (CC2640). Матерые программисты скажут: «Берите примеры от компании Nordic (а их там к слову с избытком) и разбирайтесь». И это верный подход, если бы не одно но, касающееся, по большей части, начинающих программистов и желающих получить быстрый результат: обилие структур, многоуровневые библиотеки — все это прекрасно и логично, но избыточно для быстрого старта или маленького проекта. Все это увеличивает порог вхождения до неоправданных высот.

С учетом всего вышесказанного предлагаю рассмотреть простенький вариант реализации приложения обмена с использованием чипа NRF51822, позволяющего в общих чертах разобраться в основных аспектах разработки подобных систем. И это будет… Естественно, светодиод. Под управлением удаленного смартфона.

2. Необходимые программные и аппаратные средства

  • отладочная плата NRF51 (я использую NRF51 DK);
  • смартфон под управлением операционной системы Android;
  • среда программирования Keil uVision;
  • 15 минут свободного времени.

Вместо смартфона можно использовать USB Dongle, но его цена (77 $), по сравнению с ценой отладочной платы NRF51 DK (49 $), немного отталкивает. В данном примере его наличие необязательно, но всё же не стоит недооценивать его важность.

image

3. Создание шаблона

Первоочередной задачей является создание в Keil шаблона и подключение всех необходимых библиотечных файлов для использования BLE стека. Сам по себе процесс с нуля достаточно затратный по времени, поэтому мы воспользуемся стандартным шаблоном, который можно найти среди многочисленных примеров, которые Keil любезно прячет в Pack Installer.

Быстрый старт с NRF51822 - 3

Функции, реализованные в примере, по большей части необходимы для создания подключения и организации реакции BLE стека на возникающие события (подключение, отключение и т.д.). На данный момент не вижу смысла на них останавливаться, чтобы не перегружать информацией, да и трогать их пока не стоит, пока нет общего понимания о процессе использования стека (В приложенном к статье проекте все функции раскомментированы на русском языке). Подробнее с самим стеком можно познакомиться по ссылке. С параметрами подключения в дальнейшем можно поэкспериментировать также, как и с событиями стека, но это тема не для этой статьи.

4. Прошивка стека и приложения

Как уже не единожды упоминалось в прочих статьях, посвященных реализации BLE стека на различных устройствах, — BLE стек шьется в нижнюю часть флеш-памяти, после чего загружается пользовательское приложение. К счастью для непосвященных в данный аспект, в используемом шаблоне адресация уже задана, и все что нам необходимо сделать — в разделе Select Target выбрать SoftDevice S130 и нажать загрузить.

Быстрый старт с NRF51822 - 4

Теперь таким же образом загрузим скомпилированное пользовательское приложение.

5. Предварительное тестирование

На данный момент загруженное приложение не выполняет никаких полезных для нас функций, но оно умеет рассылать рекламные (advertising) пакеты с возможностью подключения к устройству. Подробную информацию в полной мере можно получить в статье, которую я уже упоминал ранее.
Для того, чтобы подключиться к полученному устройству нам необходимо скачать на смартфон под управлением Android программу nRF Connect for Mobile. Запускаем, сканируем эфир и находим наше устройство — Nordic_Template. Можем подключиться, проверить все ли верно. В дальнейшим с помощью данной программы мы сможем читать и писать характеристики устройства, тем самым взаимодействуя с ним.

Быстрый старт с NRF51822 - 5

Как уже говорилось ранее, на данный момент устройство никаких полезных данных в себе не несет, за исключением служебных параметров. Взаимодействие с устройством в BLE обеспечивается через чтение/запись характеристик. Характеристики объединяются в сервисы, они затем объединяются в профили, а вообще это достаточно серьезная тема, для отдельной статьи. Однако стоит все-таки простыми словами разъяснить, какую же функцию в первом приближении несет в себе характеристика. Формально, это переменная стека, имеющая определенные параметры (размер, тип, тип доступа), определяющие взаимодействие с ней. Для всех характеристик можно разрешить чтение, запись, уведомление и т.д. Через характеристику, имеющую разрешение на запись, можно передать любые данные на устройство, а через характеристику с разрешением чтения — получить данные.

Так, к примеру, можно реализовать систему «запрос-ответ». Представим себе устройство, имеющее раз параметров (температура, влажность, ускорение). Можем создать 3 различные характеристики и читать их значения. А теперь представим, что данные нам необходимо получать за определенный период (за прошлый месяц, к примеру). В таком случае, мы создадим характеристику с разрешением записи и будем писать в нее номер месяца, а устройство, в свою очередь, выставлять в характеристики запрошенные данные.

image

Но вернемся к нашей задаче. Для того, чтобы управлять светодиодом, необходимо создать соответствующий сервис. Сервис будет содержать 2 характеристики:

  • характеристика для управления состоянием светодиода (Write only);
  • характеристика для определения текущего состоя светодиода (Read only).

Прежде чем начать писать свой первый сервис, необходимо понимать, что у каждого сервиса и каждой характеристики в нем содержащейся, должен быть свой уникальный адрес (UUID). Благодаря этому адресу, устройства (например, смартфон) могут определить, что нужно сделать с конкретными данными. Стоит заметить, что ряд профилей, сервисов и характеристик являются для BLE стандартными, имеют свои зарегистрированные в Bluetooth SIG 16-битные адреса и заранее определенный набор выполняемых функций. Смартфон, получая данные от устройства, на котором реализован один из таких профилей, точно знает состав посылки и имеет все необходимые функции для дальнейшей реализации полученной информации.

Нам же доступны только 128-битные адреса. Зададим 3 UUID адреса, один для сервиса и два для характеристик. Для этого используем специальный генератор, предназначенные для формирования случайных UUID. Советую при генерации выбрать Time-based, тогда UUID сгенерируются последовательно с одинаковой основной частью для всех трех адресов.

/* Основной UUID (одинаковая часть UUID для сервиса и характеристик) */
#define LED_BASE_UUID        			{0x66, 0x9A, 0x0C, 0x20, 0x00, 0x08, 0x1A, 0x8F, 0xE7, 0x11, 0x61, 0xBE, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00}

/* Частный UUID (различная часть UUID для сервиса и характеристик) */
#define LED_SERVICE_UUID 		  		0x1523
#define CONTROL_CHAR_UUID 				0x1524
#define READ_CHAR_UUID 					0x1525 

/* Необходимо переопределить UUID в переменной стандартного примера */
static ble_uuid_t m_adv_uuids[] = {{LED_SERVICE_UUID, BLE_UUID_TYPE_BLE}}; 

Теперь перейдем непсоредственно к созданию сервиса. В нашем шаблоне заполним функцию services_init:

services_init

uint16_t led_handles; // указатель на обработчик (необходим для стека)
void services_init(void){
	
	ble_uuid_t			 ble_uuid;
        /* Основной 128 - битный UUID */
	ble_uuid128_t 	     base_uuid = LED_BASE_UUID; 
	uint8_t 			 uuid_type;

	ble_uuid.type = BLE_UUID_TYPE_VENDOR_BEGIN;
	ble_uuid.uuid = LED_SERVICE_UUID;
	
	sd_ble_uuid_vs_add(&base_uuid, &ble_uuid.type);
	sd_ble_gatts_service_add(BLE_GATTS_SRVC_TYPE_PRIMARY, &ble_uuid, &led_handles);	
}

Следующим шагом реализуем универсальную функцию для создания характеристик:

char_add

/* Универсальная функция создания характеристики
* UUID - Идентификатор характеристики
* handles - указатель на обработчик (необходим для стека)
* n_bytes - размер атрибута характеристики
* iswrite, isnotf, isread - разрешения на запись, нотификацию, чтение */

uint32_t char_add(uint16_t UUID, ble_gatts_char_handles_t	* handles, uint8_t n_bytes, bool iswrite, bool isnotf, bool isread){
	 
	ble_gatts_char_md_t char_md;
	ble_gatts_attr_md_t cccd_md;
	ble_gatts_attr_t    attr_char_value;
	ble_uuid_t          char_uuid;
	ble_gatts_attr_md_t attr_md;
    
	memset(&cccd_md, 0, sizeof(cccd_md));

	BLE_GAP_CONN_SEC_MODE_SET_OPEN(&cccd_md.read_perm);
	BLE_GAP_CONN_SEC_MODE_SET_OPEN(&cccd_md.write_perm);
	cccd_md.vloc = BLE_GATTS_VLOC_STACK;
	
	memset(&char_md, 0, sizeof(char_md));
    
	char_md.char_props.notify = isnotf;     // Разрешение на уведомление;
	char_md.char_props.write = iswrite;     // Разрешение на запись;
	char_md.char_props.read   = isread;     // Разрешение на чтение;
	char_md.p_char_user_desc  = NULL;
	char_md.p_char_pf         = NULL;
	char_md.p_user_desc_md    = NULL;
	char_md.p_cccd_md         = &cccd_md;
	char_md.p_sccd_md         = NULL;

        /* тип UUID - 128 - битный */
	char_uuid.type = BLE_UUID_TYPE_VENDOR_BEGIN;  
	char_uuid.uuid = UUID;

	memset(&attr_md, 0, sizeof(attr_md));

	BLE_GAP_CONN_SEC_MODE_SET_OPEN(&attr_md.read_perm);
	BLE_GAP_CONN_SEC_MODE_SET_OPEN(&attr_md.write_perm);
	attr_md.vloc       = BLE_GATTS_VLOC_STACK;
	attr_md.rd_auth    = 0;
	attr_md.wr_auth    = 0;
	attr_md.vlen       = 0;
	
	attr_char_value.p_uuid    = &char_uuid;
	attr_char_value.p_attr_md = &attr_md;
	attr_char_value.init_len  = n_bytes;           
	attr_char_value.init_offs = 0;
	attr_char_value.max_len = n_bytes;      // Размер атрибута;
	attr_char_value.p_value   = NULL;       // Начальное значение атрибута;
    
        /* Зарегистрировать характеристику в стеке */
	sd_ble_gatts_characteristic_add(led_handles, &char_md, &attr_char_value, handles);														 
	return 0;
}

Функции создания сервиса и характеристик готовы. Теперь прикинем, что нам еще необходимо. А необходимы нам две вещи:

  • функция обработки записи в характеристику (Write Only);
  • функция обновления данных в характеристике (Read Only).

Начнем с функции обработки записи. У стека есть один обработчик прерываний ble_evt_dispatch, который вызывается в случае возникновения каких-либо событий стека. Из данного обработчика вызываются все прочие, пользовательские, обработчики прерывания, которые реагируют на событие, если в них определена реакция. В данном случае писать отдельный обработчик мы не будем, напишем лишь функцию, выполняющую действия в соответствии с полученными данными, а интересующее нас событие будем проверять в одном из стандартных обработчиков.

on_ble_evt

static void on_ble_evt(ble_evt_t * p_ble_evt)
{
    uint32_t err_code;
    /* Переменная содержащая в себе полученную со смартфона информацию */
    ble_gatts_evt_write_t * p_evt_write = &p_ble_evt->evt.gatts_evt.params.write;
    switch (p_ble_evt->header.evt_id)
    {
        case BLE_GAP_EVT_CONNECTED:
            err_code = bsp_indication_set(BSP_INDICATE_CONNECTED);
            APP_ERROR_CHECK(err_code);
            m_conn_handle = p_ble_evt->evt.gap_evt.conn_handle;
        break;

        case BLE_GAP_EVT_DISCONNECTED:
            m_conn_handle = BLE_CONN_HANDLE_INVALID;
            break;

        /* Событие получения новых данных в характеристику */
        case BLE_GATTS_EVT_WRITE:

        /* Функция установки состояния светодиода (от входных данных) */
             write_handler(p_evt_write->data); 
        break;

        default:
        break;
    }
}

Саму функцию установки состояния светодиода приводить не буду, это достаточно просто, тем более в прикрепленном проекте это все будет реализовано.

Теперь перейдем к функции обновления данных в характеристике. Наш смартфон сам по себе не узнает, что состояние светодиода изменилось. И даже в случае изменения переменной, отвечающей за состояние светодиода на устройстве, чтение характеристики все равно покажет неизмененное значение. Для его изменения необходимо зарегистрировать в BLE стеке данное изменение. Добавим еще одну функцию (она не универсальна, написана под конкретную характеристику, но интуитивно понятна и легко переписывается под любые нужды):

data_update

uint32_t data_update(uint8_t *data, uint16_t value_handle)
{
	uint32_t 			err_code;
	ble_gatts_value_t		gatts_value;
	uint8_t				update_buffer[1];

        /* копируем данные (если размер более одного байта) */
	memcpy(update_buffer,data,(sizeof(update_buffer)/sizeof(uint8_t)));
	memset(&gatts_value, 0, sizeof(gatts_value));

        /* сообщаем размер аттрибута */
	gatts_value.len     = sizeof(update_buffer)/sizeof(uint8_t); 
	gatts_value.offset  = 0;

        /* записываем новое значение характеристики */
	gatts_value.p_value = update_buffer; 

        /* регистрируем изменения в стеке */
	err_code = sd_ble_gatts_value_set(m_conn_handle, read_handles.value_handle, &gatts_value);
	return err_code;
}

Осталось дело за малым: проинициализировать сервис и создать характеристики в основной функции:

main

/* обработчики для характеристик (нужны для стека) */
ble_gatts_char_handles_t     control_handles,read_handles;

int main(void)
{
    uint32_t err_code;
    bool erase_bonds;

    timers_init();
    buttons_leds_init(&erase_bonds);
    ble_stack_init();
    device_manager_init(erase_bonds);
    gap_params_init();
    advertising_init();

    /* Инициализация сервиса */
    services_init();   
                                             
    /* Создание характеристики для чтения данных с устройства */
    char_add(READ_CHAR_UUID,&read_handles,1,0,0,1);
					
    /* Создание характеристики для записи данных в устройство */
    char_add(CONTROL_CHAR_UUID,&control_handles,1,1,0,0);			
    conn_params_init();

    /* Переход в режим рассылки рекламных пакетов */
    err_code = ble_advertising_start(BLE_ADV_MODE_FAST);        	
    APP_ERROR_CHECK(err_code);

    for (;;)
    {
        power_manage();
    }
}

7. Заключительное тестирование

Компилируем, заливаем и снова запускаем nRF Connect for Mobile. Видим, что у нас есть сервис и две характеристики. Они являются неизвестными для смартфона, так как в его базах таких UUID не числится, и что делать с этим он не понимает. Однако теперь мы можем спокойно управлять светодиодом путем записи в характеристику «1» или «0», а также читать текущее его значение. Данный пример можно применить практически к любой задаче, например, снятие параметров с датчиков. В дальнейшем можно написать приложение под Android, которое будет с легкостью использовать ваши сервисы в ваших целях.

Быстрый старт с NRF51822 - 7

8. Заключение

Данная статья призвана упростить понимание процесса обмена данными и позволить новичкам воспользоваться готовым разобранным примером, чтобы в дальнейшем на практике постигать все особенности BLE стека от Nordic Semiconductor. Ради простоты были опущены некоторые особенности и нюансы реализации, а их у подобных устройств немало. Однако ни одна статья не поможет разобраться без методичного вхождения в тему посредством проб и ошибок. Все вышеизложенное лишь позволит вам как можно быстрее начать ошибаться. Удачи)

P.S. Если тематика и манера изложения будут тепло встречены, то существует вероятность в угоду современным трендам расширить подборку статей, и в ближайшее время рассмотреть некоторые нюансы BLE стека, реализацию популярной периферии (ADC, SPI, UART, I2C) как с использованием библиотек, так и в регистрах, а также BLE приложение под android для завершения цикла.

X. Полезные материалы

Автор: Foxek

Источник

Поделиться

* - обязательные к заполнению поля