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UART その5


 Bluetooth LEに変換する

 

 

    最近は、ウエアラブルデバイスとスマホをBluetooth接続して見るという使い方が増えてきました。
    そのため、ウエラブルも含め無線デバイス開発においては、マイコンのUARTデータをスマホやタブレットと送受信できるよう無線通信に変換する必要があります。
    この章では、スマホやタブレットに標準搭載されているBluetooth4.0(Low Energy) とUARTを相互変換する方法を説明します。

     


      

     

    UARTをBluetooth LE(Low Energy)に変換するにはどうすればいいのか

     

    Bluetooth LEという無線規格は、最近のスマホやタブレ規格にはほぼ標準で搭載されている無線規格の一つです。
    Bluetooth というもの自体いくつか規格がありVerは1から4.2まで存在しますが、Ver4.0からは大きく規格が変更されてLow Energyと呼ばれる低消費電力規格となりました。
    その結果、現在では消費電力を抑えたいが通信頻度は少くてもよいウエアラブルデバイスなどにVer4が多く利用されています。

    尚、Ver4規格はそれまでのVer3規格と互換性はありません。
    そのため、スマホやタブレットなどはVer3も利用できるよう2つの規格に対応したBluetooth機器を内蔵することが多くなってきました。(メジャー品はすべて対応)
     

    Low Energyは略してBluetooth LEとも呼称されます。

    その大きな特徴は、Bluetoothの通信頻度とデータ量を下げることで消費電力を少なくすることにあります。
    たとえば、30秒に一度、数バイトのデータ通信だけでよい低稼働デバイスなどに利用されます。
    それまでのVer3は常時通信を行っており、常に電力を消費している状態だったわけですから、大きな違いといえるでしょう。

     

    Bluetoothは、プロファイルと呼ばれる一種の通信フォーマットがいろいろと定められており、イヤホン用やマウス用などデバイスに合わせたデータの順序や意味づけがされています。
    Ver3までは、そのプロファイルは融通の利かない固定フォーマットだったため、アプリ開発者が自分のデバイスに合わせた自由な通信フォーマットを作ることが難しいというものでした。
    Ver4以降のLow Energyは、データの送受信頻度とデータ量は非常に少ないのですが、物理層などの基本的な通信処理以外はアプリ開発者が自由にデータフォーマットを決めることができるようになり、ぐっとカスタム化が容易になりました。

     

    では、その基本的なデータフォーマットはどのようなものでしょう。
    Bluetooth LEは、一定周期毎に一度パケットと呼ばれるデータの塊を送受信し、パケットは1〜20バイトの範囲と決められています。

     

    送受信する周期は最短で30mSの規格なので、Bluetooth LEでは頑張って最大660バイト/秒という転送量となります。
    低消費電力を達成するために、リアルタイム性とデーター量がスポイルされているわけです。

     

    さて、実際にデータをタブレットと、何かの機器のマイコン間で送受信しようとする場合はどうでしょうか。
    当然ですが、マイコン側にBluetooth LE の機能が必要となります。
    最近のタブレットやスマホは、ほぼ標準的にBluetooth 4が搭載されているので、問題なくBluetoothの機能を使用できますが、マイコン側にBluetooth機能はデフォルトで搭載されていないためUART等に接続できるBluetoothモジュールを別に追加することになります。

    Bluetoothモジュールは、国内・海外メーカー含めBluetooth LE 対応の通信モジュールがあるので、それらを使うことがもっとも手っ取り早い方法です。
    例えば以下のメーカーがメジャーですね。(他にも多くの企業から発売されています)

      アルプス電気(アンテナ内蔵タイプあり)
      TDK
      シリコンラボラトリーズ
      ラピスセミコンダクタ

     

    しかし、配線すればそれでタブレットやスマホとすぐに通信できるわけではありません。
    多くのBluetoothモジュールはアンテナなどが外付けのため、自分でアンテナを設計してさらに設置する必要があります。
    また、Bluetoothモジュールをコマンドで制御しなければならないものがほとんどです。

     

    たとえば、通信モジュールを稼働させるために、いろいろな設定をUART経由でマイコンから行い、通信モジュールからデータをタブレットに送るために、生データとは別にコマンドをいろいろ付加して制御する必要があります。

     

    マイコンは本来の別の処理があるのに、通信モジュールを制御するほうの処理が重く、プログラムも大変などという場合もあり、アンテナ設置まであるとなると何のために通信モジュールを使っているのかわからなくなってしまいます。

     

    そこで、最近は、アンテナ付UART垂れ流しと呼ばれるタイプのBluetooth通信モジュールが発売されるようになりました。

     

    垂れ流しとは、マイコンからの制御を一切不要にしたタイプで、通信モジュールに対する設定やコマンド付加を無くしたものです。
    送りたいデータをそのまま通信モジュールに送れば、そのデータがタブレット側にとどきます。
    当然、逆の場合もそのまま届くわけです。
    つまり、マイコン側は通信モジュールの制御をする必要がなく、多少の制限はあるものの、その中であれば何も考えずにデータをそのまま送受信できるという優れものです。

     

    PixiModule UARTもそのアンテナ付垂れ流しタイプの一つで、Bluetooth大手アルプス電気の協力でエレラボドットコム(株式会社ヌマタR&D)が開発したアンテナ付小型Bluetooth LEモジュールです。
    規格上の最大スピードである30mS毎に1〜20バイトのデータ転送を仲立ちします。

    >>詳細
     

     


    (知恵の小袋)

     

    Ver3以前のBluetoothモジュールを使って何か制作する場合、iOSはMFiというライセンス契約をアップルと別に行う必要があり、簡単に制作物に使うことができません。
    しかし、Ver4以降のLow Energyモジュールは契約が不要になり、ハードルがずいぶんと下がりました。

     

     

     

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