家庭用サイクルトレーナーにmicro:bitをつなぐ（その５）
前回までの記事（その１、その２、その３、その４）では、家庭用サイクルトレーナーのワイヤレス運動測量計とmicro:bitをつなぎ、ケイデンスやスピードをUSBシリアル通信でモニターしていましたが、これをBLE通信でスマホ・アプリで表示できるようにGATTサービスであるFTMP/FTMSとして実装しました。
リンク
- 家庭用サイクルトレーナーにmicro:bitをつなぐ（その１）
ワイヤレス運動測量計から出力されるクランク回転センサーの信号をモニターする - 家庭用サイクルトレーナーにmicro:bitをつなぐ（その２）
STEP信号からワイヤレス運動測量計に表示されているスピードをmicro:bitで推定する - 家庭用サイクルトレーナーにmicro:bitをつなぐ（その３）
STEP信号からケイデンスとスピードを求めるモジュールをドライバー（アイドル・コンポーネント）として作成する - 家庭用サイクルトレーナーにmicro:bitをつなぐ（その４）
スマホ・アプリでケイデンスやスピードを表示できるようにBLEのGATTサービス(FTMP/FTMS)を実装する
BLE通信でスマホ・アプリで、ケイデンスやスピードが表示できるようになりましたが、バーチャルライドアプリでのスピードはその値の補正が必要であることがわかりました。そこで、今回は、スピード（ケイデンス）からパワーを推定し、FTMSとしてパワーを利用できるように改良します。
その前に、一定時間、バーチャルライドアプリと接続していると、Micro:BitがPanic状態もしくは無応答状態になってしまうので、そのあたりの改善を行います。
Micro:Bitが停止してしまう - Fitness Machine Control Point
バーチャルライドアプリと接続すると、Fitness Machine Control Pointへの書き込みがあり、これを連続受信するとMicro:BitがPanic状態もしくは無応答状態になってしまいます。
バーチャルライドアプリ - OneLap
今回もバーチャルライドアプリに、OneLapを利用しています。
OneLap - https://www.onelap.com/
OneLap Japan - https://www.onelapjapan.jp/
原因の特定
MESSAGE_BUS_LISTENER_IMMEDIATEからデフォルトのMESSAGE_BUS_LISTENER_QUEUE_IF_BUSYに変更しました。
チェックポイントとして、２つのメソッドにUSBシリアル通信のデバッグコードを追加し、MicroBitIndoorBikeStepService::onFitnessMachineControlPointメソッドでは、即座にruturnするようにしました。
それでも、バーチャルライドアプリと連動させると、途中で無応答状態になってしまいます。
:
// Microbit Event listen
if (EventModel::defaultEventBus)
{
EventModel::defaultEventBus->listen(this->indoorBike.getId(), MICROBIT_INDOOR_BIKE_STEP_SENSOR_EVT_DATA_UPDATE
, this, &MicroBitIndoorBikeStepService::indoorBikeUpdate, MESSAGE_BUS_LISTENER_QUEUE_IF_BUSY);
EventModel::defaultEventBus->listen(this->id, FTMP_EVENT_VAL_FITNESS_MACHINE_CONTROL_POINT
, this, &MicroBitIndoorBikeStepService::onFitnessMachineControlPoint, MESSAGE_BUS_LISTENER_QUEUE_IF_BUSY);
}
}
void MicroBitIndoorBikeStepService::onDataWritten(const GattWriteCallbackParams *params)
{
uBit.serial.printf("CP:%" PRIu32 ", onDataWritten\r\n", (uint32_t)system_timer_current_time());
:
}
void MicroBitIndoorBikeStepService::onFitnessMachineControlPoint(MicroBitEvent e)
{
uBit.serial.printf("CP:%" PRIu32 ", onFitnessMachineControlPoint\r\n", (uint32_t)system_timer_current_time());
return;
:
}
:
改善案
MicroBitIndoorBikeStepService::onDataWrittenメソッドから、MicroBitEventを生成して、MicroBitIndoorBikeStepService::onFitnessMachineControlPointを呼び出す（Callback）ことに原因があると考え、これらをMicroBitEventによる呼び出しではなく、関数化しました。
:
void MicroBitIndoorBikeStepService::onDataWritten(const GattWriteCallbackParams *params)
{
if (params->handle == fitnessMachineControlPointCharacteristicHandle && params->len >= 1)
{
this->doFitnessMachineControlPoint(params);
}
}
void MicroBitIndoorBikeStepService::doFitnessMachineControlPoint(const GattWriteCallbackParams *params)
{
uint8_t responseBuffer[3];
responseBuffer[0] = FTMP_OP_CODE_CPPR_80_RESPONSE_CODE;
uint8_t *opCode=&responseBuffer[1];
opCode[0]=params->data[0];
uint8_t *result=&responseBuffer[2];
result[0] = FTMP_RESULT_CODE_CPPR_03_INVALID_PARAMETER;
switch (opCode[0])
{
case FTMP_OP_CODE_CPPR_00_REQUEST_CONTROL:
if (params->len == 1)
{
result[0] = FTMP_RESULT_CODE_CPPR_01_SUCCESS;
}
break;
case FTMP_OP_CODE_CPPR_01_RESET:
if (params->len == 1)
{
result[0] = FTMP_RESULT_CODE_CPPR_01_SUCCESS;
}
break;
case FTMP_OP_CODE_CPPR_07_START_RESUME:
if (params->len == 1)
{
result[0] = FTMP_RESULT_CODE_CPPR_01_SUCCESS;
}
break;
case FTMP_OP_CODE_CPPR_08_STOP_PAUSE:
if (params->len == 2)
{
this->stopOrPause = params->data[1];
result[0] = FTMP_RESULT_CODE_CPPR_01_SUCCESS;
}
break;
default:
result[0] = FTMP_RESULT_CODE_CPPR_02_NOT_SUPORTED;
break;
}
// Response - Fitness Machine Control Point
uBit.ble->gattServer().write(fitnessMachineControlPointCharacteristicHandle
, (const uint8_t *)&responseBuffer, sizeof(responseBuffer));
// opCode procedure
if (result[0]==FTMP_RESULT_CODE_CPPR_01_SUCCESS)
{
switch (opCode[0])
{
case FTMP_OP_CODE_CPPR_00_REQUEST_CONTROL:
// # 0x00 M Request Control
// #define FTMP_EVENT_VAL_OP_CODE_CPPR_00_REQUEST_CONTROL
// (NOP)
break;
case FTMP_OP_CODE_CPPR_01_RESET:
// # 0x01 M Reset
// #define FTMP_EVENT_VAL_OP_CODE_CPPR_01_RESET
this->sendTrainingStatusManualMode();
break;
case FTMP_OP_CODE_CPPR_07_START_RESUME:
// # 0x07 M Start or Resume
// #define FTMP_EVENT_VAL_OP_CODE_CPPR_07_START_RESUME
this->sendTrainingStatusManualMode();
break;
case FTMP_OP_CODE_CPPR_08_STOP_PAUSE:
// # 0x08 M Stop or Pause [UINT8, 0x01-STOP, 0x02-PAUSE]
// #define FTMP_EVENT_VAL_OP_CODE_CPPR_08_STOP_PAUSE
this->sendTrainingStatusIdle();
break;
default:
break;
}
}
// Debug - USB Serial
if (true)
{
uBit.serial.printf("CP:%" PRIu32 ", opCode[0x%02X], result[0x%02X], data", (uint32_t)system_timer_current_time(), opCode[0], result[0]);
for (int i=0; i<params->len; i++)
{
uBit.serial.printf(", 0x%02X", params->data[i]);
}
uBit.serial.printf("\r\n");
}
}
:
改善結果
完全案で、コンパイルし、Micro:Bitで実行してみると、バーチャルライドアプリを連続稼働していても、Micro:Bitが安定して、動作することを確認しました。
【失敗談】
BLEからのCallbackメソッド内で、その処理を重くしたり、何度もuBit.ble->gattServer().write()を呼び出したりするのを避けようとしたために、MicroBitEventによる呼び出しを行いましたが、逆にそれが問題となってしまったようです。
CP:41583966, onDataWritten
CP:41583969, doFitnessMachineControlPoint
CP:41583973, opCode[0x00], result[0x01], data, 0x00
CP:41584209, onDataWritten
CP:41584212, doFitnessMachineControlPoint
CP:41584216, opCode[0x11], result[0x02], data, 0x11, 0x00, 0x00, 0x07, 0x02, 0x28, 0x2D
CP:41584936, onDataWritten
CP:41584938, doFitnessMachineControlPoint
CP:41584943, opCode[0x00], result[0x01], data, 0x00
CP:41586197, onDataWritten
CP:41586200, doFitnessMachineControlPoint
CP:41586204, opCode[0x11], result[0x02], data, 0x11, 0x00, 0x00, 0x07, 0x02, 0x28, 0x2D
推定パワーの算出とパワーのサポート
スピード（ケイデンス）や負荷（ダイアル1～8）から、推定パワーを算出し、そのパワーをFTMSでサポートします。
ソースコード
ソースコードのビルドは、Arm Mbed オンライン - https://ide.mbed.com/compiler/で可能です。
Source URLに https://github.com/jp-96/microbit-digital-capture5.git と入力し、Programとしてインポートして、コンパイルします。
推定パワー
パワー(power)は、スピード(speed100)と負荷の値(resistanceLevel10 - 負荷ダイアル1～8を10倍した値)から次の式で算出します。
*power = (int32_t)((double)(*speed100) * (K_INCLINE_A * ((double)resistanceLevel10)/10 + K_INCLINE_B) * K_POWER);
参考：リアルタイムでパワーを計測する簡易的な方法 - https://diary.cyclekikou.net/archives/15876
推定パワー算出の実装
ケイデンスとスピードを算出しているMicroBitIndoorBikeStepSensor::calcIndoorBikeDataメソッドで実装します。
:
void MicroBitIndoorBikeStepSensor::calcIndoorBikeData(uint32_t crankIntervalTime, uint8_t resistanceLevel10, uint32_t* cadence2, uint32_t* speed100, int16_t* power)
{
if (crankIntervalTime==0)
{
*cadence2 = 0;
*speed100 = 0;
*power = 0;
}
else
{
*cadence2 = (uint32_t)( (uint64_t)K_STEP_CADENCE / crankIntervalTime );
*speed100 = (uint32_t)( (uint64_t)K_STEP_SPEED / crankIntervalTime );
// https://diary.cyclekikou.net/archives/15876
*power = (int32_t)((double)(*speed100) * (K_INCLINE_A * ((double)resistanceLevel10)/10 + K_INCLINE_B) * K_POWER);
}
}
:
Indoor Bike Dataでのパワーのサポート - Instantaneous Power Present
Indoor Bike Dataには、Instantaneous Power項目がありますので、これを有効化し、書き込みます。
:
/*
# Bit Definitions for the Indoor Bike Data Characteristic
# 000 (bits 13-15) Reserved for Future Use
# 0 (bit 12) Remaining Time Present
# 0 (bit 11) Elapsed Time Present
# 0 (bit 10) Metabolic Equivalent Present
# 0 (bit 9) Heart Rate Present
# 0 (bit 8) Expended Energy Present
# 0 (bit 7) Average Power Present
# 1 (bit 6)*Instantaneous Power Present
# 0 (bit 5) Resistance Level Present
# 0 (bit 4) Total Distance Present
# 0 (bit 3) Average Cadence present
# 1 (bit 2)*Instantaneous Cadence (uint16, 1/minute with a resolution of 0.5)
# 0 (bit 1) Average Speed present
# 0 (bit 0) More Data
# 5432109876543210 */
#define FTMP_FLAGS_INDOOR_BIKE_DATA_CHAR 0b0000000001000100
:
/*
# Definition of the bits of the Fitness Machine Features field
# 000000000000000 (bits 17-31) Reserved for Future Use
# 0 (bit 16) User Data Retention Supported
# 0 (bit 15) Force on Belt and Power Output Supported
# 1 (bit 14)*Power Measurement Supported
# 0 (bit 13) Remaining Time Supported
# 0 (bit 12) Elapsed Time Supported
# 0 (bit 11) Metabolic Equivalent Supported
# 0 (bit 10) Heart Rate Measurement Supported
# 0 (bit 9) Expended Energy Supported
# 0 (bit 8) Stride Count Supported
# 0 (bit 7) Resistance Level Supported
# 0 (bit 6) Step Count Supported
# 0 (bit 5) Pace Supported
# 0 (bit 4) Elevation Gain Supported
# 0 (bit 3) Inclination Supported
# 0 (bit 2) Total Distance Supported
# 1 (bit 1)*Cadence Supported
# 0 (bit 0) Average Speed Supported
# 10987654321098765432109876543210 */
#define FTMP_FLAGS_FITNESS_MACINE_FEATURES_FIELD 0b00000000000000000100000000000010
:
// Characteristic buffer
static const uint16_t indoorBikeDataCharacteristicBufferSize = 2+2+2+2; // "<HHHh", FTMS p.42, <Flags>, <Instantaneous Speed>, <Instantaneous Cadence>, <Instantaneous Power Present>
:
:
void MicroBitIndoorBikeStepService::indoorBikeUpdate(MicroBitEvent e)
{
if (uBit.ble->getGapState().connected)
{
uint8_t buff[indoorBikeDataCharacteristicBufferSize];
struct_pack(buff, "<HHHh",
FTMP_FLAGS_INDOOR_BIKE_DATA_CHAR,
this->indoorBike.getSpeed100(),
this->indoorBike.getCadence2(),
this->indoorBike.getPower()
);
uBit.ble->gattServer().notify(indoorBikeDataCharacteristicHandle
, (uint8_t *)&buff, indoorBikeDataCharacteristicBufferSize);
}
}
:
負荷ダイアル合わせ - 手動
推定パワーの計算式は、負荷ダイアルの値を考慮していますので、負荷ダイアルと負荷の値(resistanceLevel10 - 負荷ダイアル1～8を10倍した値)とを手動で合わせられるように、AボタンとBボタンとで変更できるようにします。
使い方によっては、Bダッシュも可能です。
:
void addResistanceLevel(int8_t addLevel)
{
sensor->setResistanceLevel10(sensor->getResistanceLevel10() + (addLevel*10));
uBit.display.print(sensor->getResistanceLevel10()/10);
}
void onButtonA(MicroBitEvent e)
{
addResistanceLevel(-1);
}
void onButtonB(MicroBitEvent e)
{
addResistanceLevel(1);
}
void setup()
{
sensor = new MicroBitIndoorBikeStepSensor(uBit);
addResistanceLevel(1);
service = new MicroBitIndoorBikeStepService(uBit, *sensor);
sensor->idleTick();
uBit.messageBus.listen(MICROBIT_ID_BUTTON_A, MICROBIT_BUTTON_EVT_CLICK, onButtonA);
uBit.messageBus.listen(MICROBIT_ID_BUTTON_B, MICROBIT_BUTTON_EVT_CLICK, onButtonB);
}
:
おわりに
-
MicroBitEventの連続呼び出しの不具合を回避しました - スピード（ケイデンス）から、推定パワーを算出しました
- 負荷ダイアルに合わせて、負荷値を手動で変更することにより、推定パワーも増減するようにしました
家庭用サイクルトレーナーのワイヤレス運動測量計にmicro:bitをつなぎ、BLEのFTMSを実装することにより、バーチャルライドアプリを楽しむことができるようになりました。
Fitness Machine Control Pointでは、0x11 - Set Indoor Bike Simulation Parametersが送られてきていますが、そこに含まれる傾斜（Grade）を読み取り、家庭用サイクルトレーナーの負荷をサーボモーターで連動させることにも成功しています。これは、またの機会にご紹介します。
→【追記 2021/03/05】BLEのGATTサービス(FTMP/FTMS)を実装したmicro:bitと家庭用サイクルトレーナーでバーチャルライドを楽しもう
これからも、在宅ワークがより一層浸透していくと思いますが、机の下に一台置いておくといつでも運動できて、血行促進、疲労回復、健康促進に一役買うのではないでしょうか。バーチャルライドを気軽に楽しみましょう。