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あらためて noble でガジェットを扱う話に着手する: toio と micro:bit を複数混在させてスキャン、toio の複数制御(6台分)

Last updated at Posted at 2021-04-25

以前、Mac上での「@abandonware/noble」を使った BLEスキャンで、特定のデバイスがスキャンできないことがあり、最近それが解決できたという流れがありました(以下の 2つが、その関連記事)。

●【IoTLT 2019】新しい obniz で obniz-noble を試す(2019/12/22) - Qiita
 https://qiita.com/youtoy/items/1a2e92ae7a83df7e9a82
●Mac で noble を使って BLE対応のデバイスをスキャンする(2021年4月版) - Qiita
 https://qiita.com/youtoy/items/d9c8ff3a33985359f39b

そこで、以前やろうとしていた「Mac上での noble を使った BLE経由でのガジェット制御」にあらためて手をだしてみようと思い、この記事に書いた内容を進めていきました。

複数台の toio と micro:bit を混在させてスキャンしてみる

ゆくゆくは、異なるデバイスがそれぞれ複数台ある時に、それらをまとめて制御するようなことが試せればと思っています。そこで、まずは準備段階として toio・micro:bit を複数台準備して、単純なスキャンを行ってみることから試しました。

micro:bit に関しては、以下のツイートの画像にあるような BLE UART が実行される部分を含むプログラムを書き込んであります。

まずは @abandonware/noble の公式サンプルを元にしたシンプルなスキャンと、スキャン結果の表示をするプログラムを書き、その結果の中の toio と micro:bit 関連の情報を見てみました。得られたスキャン結果は以下のとおりで、その中の両デバイスの localName の ? という部分は、固有の文字列が表示されたことを示しています。

  • toio

    • id:【文字列】
    • address:【文字列】
    • addressType: "random"
    • connectable: true
    • advertisement:
      • localName: "toio Core Cube-???"
      • serviceUuids":["10b201005b3b45719508cf3efcd7bbae"]
    • rssi:【数値】
    • mtu: null
    • state: "disconnected"
  • micro:bit

    • id:【文字列】
    • address:【文字列】
    • addressType: "random"
    • connectable: true
    • advertisement:
      • localName: BBC micro:bit [???]"
      • (serviceUuids自体がない)
    • rssi:【数値】
    • mtu: null
    • state: "disconnected"

今回のスキャンを行った際の前提となる話があるのですが、これらのデバイスのファームウェア等のバージョンが違うと、スキャンできる情報が少し異なるようでした。これ以降の記事の内容は、toio v02.0005(2021/3/17版) と micro:bit のファームウェア 0255(V2用)となったデバイスを前提として進めています。

以上の 2つのデバイスのスキャン結果を比べてみたところ、得られた情報で 1つ大きな違いがあります。具体的には micro:bit は advertisement の中に localName しか含んでおらず、serviceUuids の部分がありません。
この serviceUuids の有無という話がスキャン周りの話で影響する部分があり、少し注意が必要そうです。具体的には、以下のスキャン時の対象をフィルタする仕様に関する部分です。
スキャン開始の処理の仕様jpg
これらを総合して考えると、micro:bit のスキャンに関しては、この service UUID を使ったフィルタを行うことはできないようです。

上記の話をググってみると、この話に触れている以下のような記事も見つかりました。この記事では、スキャンした結果に対して「localName」を使った前方一致の処理を行うことでフィルタをしていました。
 ●Raspberry PiのBLEをNode.jsのnobleから叩いてmicro:bitを見つけてみる - Androidのメモとか
  https://relativelayout.hatenablog.com/entry/2019/10/07/232655
この処理と、 @abandonware/noble の公式サンプルを元に、toio と micro:bit のみをスキャンする処理を書いてみました。

const noble = require("@abandonware/noble");

noble.on("stateChange", async (state) => {
  if (state === "poweredOn") {
    await noble.startScanningAsync();
  } else {
    await noble.stopScanningAsync();
  }
});

noble.on("discover", async (peripheral) => {
  const localName = peripheral.advertisement.localName;
  if (localName && (localName.startsWith('BBC micro:bit')||localName.startsWith('toio Core Cube'))) {
    console.log(`${peripheral.address} (${localName})`);
  }
});

これで、周りに他の BLE を使っているデバイスがあっても、スキャン後に toio と micro:bit のみを対象として続きの処理を行う準備ができました。

Async を使った処理

個人的に @abandonware/noble のサンプルを見ていて気になった部分があったので、それについて触れておきます。具体的には、 startScanningAsync や stopScanningAsync など、Async が名前についた部分の処理です。

GitHub の説明を見ていると、以下のような記載がありました。どうやら「全ての処理は 2種類の API があり、1つのコールバックを返すもとの 1つの Promise を返すもの(※ こちらが Async が suffix として付いたもの)」がそれぞれ利用可能なようです。
Asyncの利用.jpg

複数の toio への接続を試す(+書き込みを行う)

ここから複数のデバイスへの接続に進んでいこうと思うのですが、簡単のために、いったん toio のみを対象にして、複数のデバイスへの接続を試していきます。また、接続した後に複数台への書き込みも試してみようと思います。

ここで試す内容は「6台の toio に接続し、それら全てに書き込みを行う」というもので、書き込みはモーターを動かす処理を使います。以下に、ソースコードや動作している様子の動画を掲載します。

モーターの制御を行うもの

試行錯誤して作ってみたソースコードは以下のとおりです。

const noble = require("@abandonware/noble");

const TOIO_SERVICE_UUID = "10b20100-5b3b-4571-9508-cf3efcd7bbae";
const MOTOR_CHARACTERISTIC_UUID = "10b20102-5b3b-4571-9508-cf3efcd7bbae";
const motorBuf = Buffer.from("0201013202023278", "hex");

let toio = [];

noble.on("stateChange", async (state) => {
  if (state === "poweredOn") {
    await noble.startScanningAsync();
  } else {
    await noble.stopScanningAsync();
  }
});

noble.on("discover", async (peripheral) => {
  const localName = peripheral.advertisement.localName;
  if (localName && localName.startsWith("toio Core Cube")) {
    await noble.stopScanningAsync();
    toio.push(peripheral);
    await peripheral.connectAsync();

    peripheral.once("connect", async () => {
      console.log("connected");
      console.log(toio.length);
      if (toio.length < 6) {
        await noble.startScanningAsync();
      } else {
        for (const element of toio) {
          const {
            characteristics,
          } = await element.discoverSomeServicesAndCharacteristicsAsync(
            [TOIO_SERVICE_UUID],
            [MOTOR_CHARACTERISTIC_UUID]
          );
          await characteristics[0].write(motorBuf);
        }

        for (const element of toio) {
          await element.disconnectAsync();
        }
      }
    });
  }
});

先ほどと動作が異なる部分は以下の部分となります。
 ・toio を発見したらスキャンを止める ⇒ peripheral を別途保持してから接続
 ・接続処理が行われたら、toio との同時接続数が 6個分になるまでは再度スキャン等の処理を行う
 ・同時接続数が 6個になったタイミングで、全ての toio に対して discoverSomeServicesAndCharacteristicsAsync を順番に実行してモーターを動かす処理を実行

またモーター制御用のバイナリデータは、toio の通信仕様のモーターの部分にある「時間指定付きモーター制御」を使っています。また、toio関連の UUID 2つも、以下の仕様に掲載されているものです。
 ●モーター · toio™コア キューブ 技術仕様
  https://toio.github.io/toio-spec/docs/assets/motor_cube_direction.svg

上記のプログラムを動作させた時の様子は、以下のツイートの動画のとおりです。

まとめ

とりあえず動くものはできましたが、ソースコードはまだ改善すべきところがありそうな予感がします(特に 6台との接続 ⇒ モーターの制御の部分など)。

また、複数の toio と複数の micro:bit に接続した状態で、それらを連携させた処理というのも試せてないので、手をつけられればと思います。

追記: Web Bluetooth API での実装

今回の後半の内容である 6台同時制御を、ブラウザ上で動く JavaScript のプログラム(Web Bluetooth API で実装)でも作ってみました。

●Web Bluetooth API で toio を 6台同時に制御する - Qiita
 https://qiita.com/youtoy/items/2fae3f4365788810215d

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