بلوتوث منخفض الطاقة BLE

17.1 متى نختار BLE؟ – מתי לבחור ב-BLE

البلوتوث منخفض الطاقة (Bluetooth Low Energy)، واختصاره BLE، صُمّم لأجهزة صغيرة ترسل قليلا وتصمت طويلا. وهو ليس نسخة أحدث من البلوتوث الذي نعرفه في السماعات، بل طريقة عمل أخرى. والجدول يقارن بالكلام لا بالأرقام، لأن الأرقام تتعلّق بالشريحة والهوائي والمكان:

حسب توثيق وحدة bluetooth، هي تدعم حاليا BLE. ولذلك نعدّ البلوتوث الكلاسيكي خارج ما نستطيع برمجته هنا، حتى إذا كانت الشريحة نفسها قادرة عليه.

17.2 الجهاز الطرفي والجهاز المركزي – התקן היקפי והתקן מרכזי (Peripheral and Central)

في BLE لا يتساوى الطرفان عند بدء الاتصال. واحد يعلن عن نفسه وينتظر، والآخر يبحث ويختار:

وتوثيق الوحدة يذكر دورين آخرين لا يحتاجان إلى اتصال: Broadcaster يبثّ فقط، وObserver يستمع فقط. ويستطيع الجهاز نفسه أن يقوم بأكثر من دور معا.

17.3 بنية GATT: الخدمة والخاصية وUUID – מבנה GATT: שירות ומאפיין (Services and Characteristics)

بعد الاتصال، يرى المركزي شجرة مرتّبة من البيانات. والنظام الذي يرتّبها اسمه GATT. الطرف الذي يملك الشجرة هو الخادم، وهو عادة الطرفي، والطرف الذي يقرأ هو العميل:

نختار 0x181A لخدمة قياس البيئة و0x2A6E للحرارة، لأن هذين المعرّفين معروفان، فيفهمهما التطبيق العام. والمواصفة تطلب أن تكون الحرارة عددا صحيحا من 16 بتّا بإشارة، بوحدة جزء من مئة من الدرجة، والبايت الأقل أهمية أولا. وهذا ما تفعله مكتبة struct بالصيغة "<h".

17.4 اللوحات والمكتبة – לוחות וספרייה (Boards and Library)

وحدة bluetooth في البرنامج الثابت منخفضة المستوى، وتوثيقها نفسه ينصح بمكتبة aioble لمعظم التطبيقات. وهي من micropython-lib، وتحتاج حسب توثيقها إلى مايكروبايثون 1.17 أو أحدث. نثبّتها مرة واحدة من الحاسوب، أو من اللوحة بعد الاتصال بالشبكة بالدالة mip.install('aioble'):

mpremote mip install aioble

والمكتبة مقسّمة، فيمكن تثبيت الأجزاء المطلوبة فقط، مثل aioble-peripheral وaioble-server، إذا ضاقت الذاكرة.

17.5 جهاز طرفي ينشر الحرارة – התקן היקפי ששולח טמפרטורה (A Temperature Peripheral)

البرنامج يبني الشجرة، ثم يشغّل مهمتين: مهمة تقيس وتكتب القيمة، ومهمة تعلن وتنتظر الاتصال. ويستعمل الحسّاس DHT22 من الفصل 13.

import asyncio
import struct
import aioble
import bluetooth
import dht
from machine import Pin
import board

ENV_SERVICE = bluetooth.UUID(0x181A)
TEMP_CHAR = bluetooth.UUID(0x2A6E)
ADV_INTERVAL_US = 250_000

service = aioble.Service(ENV_SERVICE)
temp = aioble.Characteristic(service, TEMP_CHAR, read=True, notify=True)
aioble.register_services(service)

sensor = dht.DHT22(Pin(board.DHT))


async def measure_task():
    while True:
        sensor.measure()
        data = struct.pack("<h", round(sensor.temperature() * 100))
        temp.write(data, send_update=True)
        await asyncio.sleep(5)


async def advertise_task():
    while True:
        async with await aioble.advertise(
            ADV_INTERVAL_US, name="desk1-temp", services=[ENV_SERVICE]
        ) as conn:
            print("connected:", conn.device)
            await conn.disconnected(timeout_ms=None)


async def main():
    await asyncio.gather(measure_task(), advertise_task())


asyncio.run(main())

17.6 الفحص من الهاتف – בדיקה מהטלפון (Testing from a Phone)

قبل أن نكتب الجهاز المركزي نتأكّد أن الطرفي يعمل، بتطبيق عام مثل nRF Connect. الخطوات عامة، وأسماء الأزرار قد تختلف من إصدار إلى آخر:

1. نشغّل البرنامج على اللوحة، والبلوتوث على الهاتف.
2. في التطبيق نبدأ الفحص SCAN، ونبحث عن desk1-temp في القائمة.
3. نضغط CONNECT، فتظهر الخدمات. ويطبع البرنامج على اللوحة سطر connected.
4. نفتح الخدمة 0x181A، ثم الخاصية 0x2A6E.
5. نطلب القراءة، فنرى القيمة. وقد تظهر بايتات بالست عشري، أو حرارة مفكوكة، حسب التطبيق.
6. نطلب الإشعارات، فتتغيّر القيمة وحدها عند كل قياس.

17.7 جهاز مركزي يقرأ – התקן מרכזי שקורא (A Central That Reads)

لوحة ثانية تبحث عن الجهاز باسمه، وتتصل به، ثم تنزل في الشجرة: خدمة ثم خاصية ثم قراءة. وهذا ما فعلناه بأيدينا في الهاتف.

import asyncio
import struct
import aioble
import bluetooth

ENV_SERVICE = bluetooth.UUID(0x181A)
TEMP_CHAR = bluetooth.UUID(0x2A6E)
TARGET = "desk1-temp"


async def find_sensor():
    async with aioble.scan(5000, active=True) as scanner:
        async for result in scanner:
            if result.name() == TARGET:
                return result.device
    return None


async def read_loop(device):
    conn = await device.connect()
    async with conn:
        service = await conn.service(ENV_SERVICE)
        char = await service.characteristic(TEMP_CHAR)
        while conn.is_connected():
            data = await char.read()
            celsius = struct.unpack("<h", data)[0] / 100
            print("temp: %.2f C" % celsius)
            await asyncio.sleep(5)


async def main():
    device = await find_sensor()
    if device is None:
        print("sensor not found")
        return
    try:
        await read_loop(device)
    except asyncio.TimeoutError:
        print("timeout")


asyncio.run(main())

17.8 حدود وفروق موثّقة – מגבלות והבדלים מתועדים (Documented Limits)

• توثيق وحدة bluetooth يقول إنها ما زالت قيد التطوير، وقد تتغيّر واجهتها. لذلك نقرأ توثيق الإصدار الذي نستعمله.
• قنوات L2CAP لا يشمل دعمها ESP32، حسب التوثيق. ولا نحتاج إليها هنا.
• الاقتران (צימוד) مدعوم على بعض المنافذ فقط. فبرامجنا هنا مكشوفة: أي هاتف قريب يتصل ويقرأ، فلا نضع فيها سرا، ولا نفتح بها بابا.
• حمولة الإعلان صغيرة، ولذلك نختار اسما قصيرا.
• لم نفحص في هذا الكتاب استهلاك الطاقة، ولا المدى، ولا العمل المتزامن مع WiFi على لوحة حقيقية. فلا نعطي أرقاما عنها، ونقيسها في مشروعنا.

أهمّ أفكار الفصل:

• BLE للقليل من البيانات وطاقة منخفضة، وWiFi للشبكة والإنترنت.
• الطرفي يعلن وينتظر، والمركزي يفحص ويطلب الاتصال.
• بعد الاتصال نقرأ شجرة: جهاز، ثم خدمة، ثم خاصية، وكل منها له UUID.
• القيمة بايتات، والصيغة اتفاق بين الطرفين.
• aioble تقوم على asyncio، ويعود الجهاز الطرفي إلى الإعلان بعد كل انقطاع.
• برامج هذا الفصل لم تُشغَّل في بناء الكتاب، ولذلك نختبرها أولا على لوحة حقيقية من الهاتف.

أوامر الفصل:

قاموس المصطلحات – מילון מונחים:

أسئلة للتمرين: