はじめに

コロナ禍ということで、毎日体温測っています。
体温をいちいちメモるのは面倒だっていうのと、GWひたすら暇である、ということで、体温計をハックした試みをしてみました。

以下のことが書いてあります

ラズパイでのgatttoolの使い方
ラズパイでpythonでBLEすること
GATTのHealth Thermometerサービスのこと

以下のことは書いていません

そもそも、BLEとは何か、GATTとは何か、などの基本的なこと

どんなもの？

体温を測ったらLINEに通知します。

体温計→BLE→ラズパイ →WebAPI→LINE→スマホと測定値を送信します。

体温計とスマホが物理的に離れていても通知が飛ぶので、別の場所にいる人や実家のおばあちゃんの体温をリモートで把握することなんかもできるかと思います。

環境

ラズパイ:Raspberry Pi 3 Model b+
- ラズパイのOS:Raspbian Buster with desktop 4.19
- Python 3.7.3
- blueman stable,now 2.0.8-1+b2 armhf
- bluepy 1.3.0
A&D Bluetooth内蔵体温計 UT-201BLE

ここまでセットアップした状態から始めます

Wifi接続済み
Google日本語入力「Mozc」インストール済み
- 参考:Raspberry Pi3の日本語入力を有効にする

体温計について

体温計はA&D Bluetooth内蔵体温計 UT-201BLEを使います。
この体温計はBLEのGATT(Generic attribute profile)という世界標準規格のインタフェース仕様を実装しています。
以下のサイトでインタフェースが公開されています。

操作手順は以下のとおりです。

ホストと体温計をペアリングする。
- 最初の１回だけやればOK。
体温を測り終えると自動的にホストに測定値を送信する。
- 一定時間送信をトライして送信できなければ次回の送信時にまとめて送ります。
- 時計を内蔵しているので測定時間も送ります。

今回の場合、ホストはラズパイです。

体温計とラズパイをペアリングする

体温計とラズパイをペアリングします。

①まずはbluemanを入れます。

$ sudo apt-get install blueman
$ reboot

②再起動すると、アイコンが増えているのでここからペアリングします。

③「新しいデバイスを設定」からウィザードでペアリングします。

④ペアリング成功すると、デバイスの左上に鍵のようなマークが表示されます。これでOK。

ここが結局謎だったのですが、ペアリングが失敗します。何度もやってやっとペアリングできました。私の環境だけかもしれません。ペアリングして④のように鍵マークがつく状態になっていないと、この後の作業のどこかで変なエラーになるので注意です。

BLEの確認

さっそくプログラム、ではなく、勉強も兼ねて手軽にできることから確認していきます。

hcitool

まずは体温計が発信しているアドバイスパケットをスキャンしてみましょう。
hcitoolというのがありまして、これを使うとBLEデバイスのアドバタイズパケットをスキャンすることができます。

以下のコマンドを実行します。

$ sudo hcitool lescan

コマンドを実行すると近くでアドバタイジングしているBLEデバイスがスキャンされます。
この状態で体温計をペアリングモードにしてみるとアドバイスパケットを確認できるかと思います。
私の体温計のBLEアドレスは18:93:D7:76:C9:B8でした。

$ sudo hcitool lescan
LE Scan ...
5A:60:E6:D4:EF:94 (unknown)
5F:C1:20:2B:BE:60 (unknown)
5F:C1:20:2B:BE:60 AQtGSk1xNFF0YQ
18:93:D7:76:C9:B8 A&D_UT201BLE_76C9B8 ←これ！

gatttool

次にgatttoolで体温計に接続してみます。
gatttoolはGATTでBLEデバイスとお話しするツールです。
-bでBLEアドレスを指定して実行します。

$ gatttool -b xx:xx:xx:xx:xx:xx -I

-Iで実行すると対話モードでコマンド入力待ちになります。
connectコマンドで接続します。
すかさず体温を測り体温計を送信モードにします。
体温計と接続するとConnection successfulとなります。

ちなみに体温計の送信モードは１分ほどで強制終了してしまうので切れたらまた体温を計って送信モードにしましょう。これが地味にめんどくさいのですがデバイスの仕様なので仕方がない...

$ gatttool -b 18:93:D7:76:C9:B8 -I
[18:93:D7:76:C9:B8][LE]> connect
Attempting to connect to 18:93:D7:76:C9:B8
Connection successful

接続したらprimaryコマンドで体温計が持っているサービスのUUIDを見てみます。

[18:93:D7:76:C9:B8][LE]> primary
attr handle: 0x0001, end grp handle: 0x000b uuid: 00001800-0000-1000-8000-00805f9b34fb
attr handle: 0x000c, end grp handle: 0x000f uuid: 00001801-0000-1000-8000-00805f9b34fb
attr handle: 0x0010, end grp handle: 0x0017 uuid: 00001809-0000-1000-8000-00805f9b34fb
attr handle: 0x0018, end grp handle: 0x0028 uuid: 0000180a-0000-1000-8000-00805f9b34fb
attr handle: 0x0029, end grp handle: 0x002b uuid: 0000180f-0000-1000-8000-00805f9b34fb
attr handle: 0x002c, end grp handle: 0xffff uuid: 233bf000-5a34-1b6d-975c-000d5690abe4

これらのUUIDは何なのか、GATTのサイトをみると、なんとなくわかります。

handle	UUID	Name
0x0001 - 0x000b	00001800-0000-1000-8000-00805f9b34fb	Generic Access
0x000c - 0x000f	00001801-0000-1000-8000-00805f9b34fb	Generic Attribute
0x0010 - 0x0017	00001809-0000-1000-8000-00805f9b34fb	Health Thermometer
0x0018 - 0x0028	0000180a-0000-1000-8000-00805f9b34fb	Device Information
0x0029 - 0x002b	0000180f-0000-1000-8000-00805f9b34fb	Battery Service
0x002c - 0xffff	233bf000-5a34-1b6d-975c-000d5690abe4	不明

重要なのは1809のHealth Thermometerサービスです。

Health Thermometerサービスのキャラクタリスティックを確認するにはchar-descコマンドです。

char-descにはHealth Thermometerサービスのハンドル（attire handleとgrp handle値）を指定します。

またUUIDがずらずらとでてきます。

[18:93:D7:76:C9:B8][LE]> char-desc 0x0010 0x0017
handle: 0x0010, uuid: 00002800-0000-1000-8000-00805f9b34fb
handle: 0x0011, uuid: 00002803-0000-1000-8000-00805f9b34fb
handle: 0x0012, uuid: 00002a1c-0000-1000-8000-00805f9b34fb
handle: 0x0013, uuid: 00002902-0000-1000-8000-00805f9b34fb
handle: 0x0014, uuid: 00002803-0000-1000-8000-00805f9b34fb
handle: 0x0015, uuid: 00002a1d-0000-1000-8000-00805f9b34fb
handle: 0x0016, uuid: 00002803-0000-1000-8000-00805f9b34fb
handle: 0x0017, uuid: 00002a08-0000-1000-8000-00805f9b34fb

GATTのサイトで確認します。

handle	UUID	Name
0x0010	00002800-0000-1000-8000-00805f9b34fb	Primary Service
0x0011	00002803-0000-1000-8000-00805f9b34fb	Characteristic Declaration
0x0012	00002a1c-0000-1000-8000-00805f9b34fb	Temperature Measurement
0x0013	00002902-0000-1000-8000-00805f9b34fb	Descriptor
0x0014	00002803-0000-1000-8000-00805f9b34fb	Characteristic Declaration
0x0015	00002a1d-0000-1000-8000-00805f9b34fb	Temperature Type
0x0016	00002803-0000-1000-8000-00805f9b34fb	Characteristic Declaration
0x0017	00002a08-0000-1000-8000-00805f9b34fb	Date Time

ここで大事なのが以下の2つです。

2a1c - Temperature Measurement
- 測定結果のキャラクタリスティックです。Indicateタイプで、つまり、データを送信してくるタイプです。
2902 - Descriptor
- ディスクリプタというもので、2a1cの追加属性です。具体的にはIndicateをONにしてデータ送信開始するかどうかのフラグを持っています。
- 設定をReadしたり、Writeして設定変更したりできます。

要するに、Descriptorに「送信開始」と設定するとTemperature Measurementからデータが送信されてくる、ということです。

やってみましょう。

まずはDescriptorの設定値をReadしてみます。キャラクタリスティックの値をReadするのはchar-read-hndコマンドです。引数にDescriptorのHandle値を指定します。

[18:93:D7:76:C9:B8][LE]> char-read-hnd 0x0013
Characteristic value/descriptor: 00 00

00 00 という値が取れています。これはIndicateがOFFの状態、という意味です。

Descriptorの値は

0100　→　Notifyを有効にする
0200　→　Indicateを有効にする

という意味です。Temperature MeasurementがIndicateというのはGATT仕様で決まっているので、0200にすればOKです。

設定値のWriteはchar-write-reqと叩きます。引数にDescriptorのHandle値と設定値0200を指定します。

[18:93:D7:76:C9:B8][LE]> char-write-req 0x0013 0200
Characteristic value was written successfully
Indication   handle = 0x0012 value: 06 73 01 00 ff e4 07 05 02 0a 28 13 02

うまくいくとIndicateが始まり、handle=0x0012からデータが流れてきます。

handle=0x0012とは2a1c - Temperature Measurementのことです。

gatttoolの話が長くなってしまったのでまとめます。

# gatttoolの起動
$ gatttool -b xx:xx:xx:xx:xx:xx -I

# デバイスと接続
> connect

# サービスUUID一覧取得
> primary

# キャラクタリスティック一覧取得
> char-desc 開始handle 終了handle

# キャラクタリスティックの値をReadする
> char-read-hnd handle

# キャラクタリスティックの値をWriteする
> char-write-req handle data

体温を測り終わったら以下のコマンドで測定値がGETできます。

$ gatttool -b 18:93:D7:76:C9:B8 -I
> connect
> char-write-req 0x0013 0200

測定値データのフォーマット

体温計からはこんなデータが贈られてきましたが、これは一体何なのでしょうか？

06 73 01 00 ff e4 07 05 02 0a 28 13 02

データのフォーマットはここに書いてあります。

Temperature Measurement

めちゃくちゃわかりにくいので書き直します。

Temperature Measurement

byte	name
1	Flags	データの構造を示すフラグ bit 0 - Temperature Units Flag: 0 = C1有 C2無 , 1 = C1無 C2有 bit 1 - Time Stamp Flag : 0 = C3無 , 1 = C3有 bit 2 - Temperature Type Flag : 0 = C4無 , 1 = C4有 bit 3-7 : 未使用
4	C1	Temperature Measurement Value (Celsius) - 測定値摂氏 IEEE 11073 32bit float形式
4	C2	Temperature Measurement Value (Fahrenheit) - 測定値華氏 IEEE 11073 32bit float形式
7	C3	Time Stamp 測定日時 - yyyy 2byte ushort - mm 1byte - dd 1byte - hh 1byte - mm 1byte - ss 1byte
1	C4	Temperature Type 温度タイプ参照

受信したデータをパースしてみます。

byte	data	パース結果
Flags	06	0000-0110 bit 0 = 0 : C1有 C2無 bit 1 = 1 : C3有 bit 2 = 1 : C4有
C1	73 01 00 ff	36.1
C3	e4 07 05 02 0a 28 13	2020/5/2 10:40:19
C4	02	Body (general)

C1は4byteのデータでIEEE 11073 32bit float形式です。この形式の詳しい説明は以下のサイトが参考になります。

結果

体温＝36.1℃
測定日時＝2020/5/2 10:40:19

というデータであることがわかりました。体温と測定した日時がちゃんと取れています。いい感じです。

おつかれさまでした

キリがいいので今回はここまで。

BLE体温計からラズパイでLINEに体温を通知する #2に続く

BLE体温計からラズパイでLINEに体温を通知する #1

はじめに

どんなもの？

環境

ここまでセットアップした状態から始めます

体温計について

体温計とラズパイをペアリングする

BLEの確認

hcitool

gatttool

測定値データのフォーマット

Temperature Measurement

おつかれさまでした