iOSアプリ開発者のための Bluetooth Low Energy体験講座

Bluetooth LE体験講座

ドリームコア 1F モバイル・コア3月22日

(合)わふう上原昭宏

13年3月25日月曜日

目次

• Bluetooth Low Energyって？

• キーホルダーをいじってみる

• iOSらしいBluetooth LEの使い方？


Bluetooth Low Energyとは



• 超低消費電力無線通信• コイン電池(CR2032、直径2cm、3.2mm厚)で1~2年の無線通信




• Bluetooth4で統合

• Bluetooth4 = Bluetooth3 + Low Energy (BTLE)

• 2.4GHz(2400~2480MHz)。クラシックBTと異なる変調方式、チャネル。




• Bluetooth4で統合

• Bluetooth4 = Bluetooth3 + Low Energy (BTLE)

• 2.4GHz(2400~2480MHz)。クラシックBTと異なる変調方式、チャネル。

• 少量データ、低頻度• 例:<20バイト、秒に1回。フィットネス、医療


BTLEの使いどころ






BTLEの使いどころ• 運動、健康、近接...



• Appcessory



• Appcessory

• ハード、スマフォ、ネット



• Appcessory

• ハード、スマフォ、ネット• ぶっちゃけ



• Appcessory

• ハード、スマフォ、ネット• ぶっちゃけ• ハードメーカがスマフォで売れるぜは死亡フラグ



• Appcessory

• ハード、スマフォ、ネット• ぶっちゃけ• ハードメーカがスマフォで売れるぜは死亡フラグ

• 異世界にようこそ


iOSとBTLE• iOSデバイスのBluetooth4対応• iPhone4S (2011年10月発売) 以降のApple社製品、iOS5 / iOS6

• BTLE対応アプリのストア承認• Made for iPhone(MFi) NDA締結不要 (ロゴ掲載には必要)

• ハードウェアの提出は求められるかも

• 開発環境• CoreBluetoothフレームワーク (一般開発者が使える)

• 従来BT

• MFi必須。


実際に動かしてみる


デバイスの確認

• iOS5/6の iPhone4S以降のiOSデバイス

• BTLE キーホルダ(BSHSBTPT01BK)

• Xcode 4.5.1以上


サンプルコードを開く

• ソースコード• https://github.com/reinforce-lab/CoreBluetooth_samples

• プロジェクト first_sample/KeyFobSample.xcodeproj


https://github.com/reinforce-lab/CoreBluetooth_samples

https://github.com/reinforce-lab/CoreBluetooth_samples

keyfobと接続• デバイス一覧• RSSIが一番大きい(マイナスの数字が小さい)

行を選択

• Immediate alert

• Buzzerを押す



行を選択

• Immediate alert

• Buzzerを押す



行を選択

• Immediate alert

• Buzzerを押す


BTLEデバイスとの通信手順

• デバイスの発見

• 接続

• 読み書き

• 切断


コードを読んでみる


フレームワークの追加







#import "KeyFobController.h"#import <CoreBluetooth/CoreBluetooth.h>

@interface KeyFobController() <CBCentralManagerDelegate, CBPeripheralDelegate> { CBCentralManager *_centralManager;



• CoreBluetooth.frameworkを追加

• #import <CoreBluetooth/CoreBluetooth.h>

• CBCentralManagerDelegate, CBPeripheralDelegate を実装

#import "KeyFobController.h"#import <CoreBluetooth/CoreBluetooth.h>

@interface KeyFobController() <CBCentralManagerDelegate, CBPeripheralDelegate> { CBCentralManager *_centralManager;


デバイスの発見


ネットワーク・トポロジ• スター型• 接続数の上限がない• クラシックBTは7

• 役割が非対称• ペリフェラルがより低消費電力

セントラル(Central)

ペリフェラル(Peripheral)


データモデル

セントラル(Central)

ペリフェラル(Peripheral)

CBCentralManager

CBPeripheral


ペリフェラル・デバイスの発見

• アドバタイズメント

• パケットを送信

• 20ミリ秒~1.3秒周期

• デバイス名などの情報

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-(void)startScanning { // BLEデバイスのスキャン時には、検索対象とするサービスを指定することが推奨です NSArray *scanServices = [NSArray arrayWithObjects:_linkLossServiceUUID, _immediateAlertServiceUUID, nil]; // スキャンにはオプションが指定できます。 // いまあるオプションは、ペリフェラルを見つけた時に重複して通知するか、の指定です。 // 近接検出など、コネクションレスでデバイスの状態を取得する用途などでは、これをYESに設定します。 // デフォルトでNOです。 NSDictionary *scanOptions = [NSDictionary dictionaryWithObject:[NSNumber numberWithBool:YES] forKey:CBCentralManagerScanOptionAllowDuplicatesKey]; // デバイスのスキャン開始。iPhoneはアドバタイズメント・パケットの受信を開始します。 // このスキャンは、明示的に停止しない限り、スキャンし続けます。このスキャンは、アドバタイズメント・パケットの(2.4GHzの)受信処理で、RF回路は電力を消費します。 [_centralManager scanForPeripheralsWithServices:scanServices options:scanOptions];}








アドバタイズメントのフィルタ

• 重複を許すか• 通常はNO

• 近接ならYES

• ”受信したとき”に通知

• サービス(機能)でフィルタ

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// デバイスの発見時処理を行います。// スキャンで指定したサービスがあるデバイスのみが通知されますが、同じような機能を持った対象外の装置を発見するかもしれません。// アドバタイズメント・パケットに含まれる情報は、advertisementDataから得られます。デバイス名などで判別します。- (void)centralManager:(CBCentralManager *)central didDiscoverPeripheral:(CBPeripheral *)p advertisementData:(NSDictionary *)advertisementData RSSI:(NSNumber *)RSSI{ // 同一機種が周囲に複数あるとき、自分がもっているものだけに接続するには、UUIDが同じかを判定します。 // !!注意!! iOS6では、一度も接続したことがない装置のUUIDはnilになります。一度でも接続すればUUIDが取れます。ここでは、一度は接続したことがある前提でUUIDを比較しています。 /* CBUUID *targetUUID = [CBUUID UUIDWithString:@"00000000-0000-0000-2F0C-F0289947EA35"]; if(peripheral.UUID == nil || ! [[CBUUID UUIDWithCFUUID:peripheral.UUID].data isEqualToData:targetUUID.data]) return; */ NSString *localName = [advertisementData objectForKey:CBAdvertisementDataLocalNameKey]; if(localName != nil && [localName isEqualToString:kTargetDeviceName] ) { PeripheralContainer *c = [[PeripheralContainer alloc] init]; c.peripheral = p; c.RSSI = RSSI; [self findPeripheral:c]; }}





受信信号強度パケット・データ



受信信号強度パケット・データ


アドバタイズメントで取れる情報 (1/1)

• 名前、送信電力、その他• CBAdvertisementDataLocalNameKey

• CBAdvertisementDataTxPowerLevelKey

• CBAdvertisementDataManufacturerDataKey

• この3つの情報はキャッシュされない

• LocalName以外はペリフェラルの設計次第

• 周囲へ一斉通知(ブロードキャスト)

• 送信電力とRSSIから距離概算


アドバタイズメントで取れる情報 (2/2)

• CBPeripheral インスタンス

• UUID : 128-bitの識別番号

• 一度でも接続したことがあれば≠nil

• RSSI : 受信信号強度

• 接続してreadRSSI:を呼び出せば≠nil

• 切断しても同じUUIDを見つけて再接続

• LocalNameに、識別番号や、状態を入れたり


接続と切断


-(void)connect:(PeripheralContainer *)c { //ターゲットを発見、接続します //この時点でperipheralはcentral managerに保持されていません。 //少なくとも接続が完了するまでの間、peripheralをアプリ側で保持します。 //接続処理はタイムアウトしません。接続に失敗すれば centralManager:didFailToConnectPeripheral:error: が呼ばれます。 //接続処理を中止するには、peripheralを開放するか、明示的に cancelPeripheralConnection を呼び出します。 self.peripheral = c.peripheral;

[_centralManager connectPeripheral:self.peripheral options:nil];}-(void)disconnect { // 切断処理をします。_peripheralをnilにするなどの、切断完了後処理は、 // centralManager:didDisconnectPeripheral:error: // で行います。 [_centralManager cancelPeripheralConnection:self.peripheral];}







必ずretain




必ずretain




必ずretain




- (void)centralManager:(CBCentralManager *)central didConnectPeripheral:(CBPeripheral *)p;

- (void)centralManager:(CBCentralManager *)central didDisconnectPeripheral:(CBPeripheral *)peripheral error:(NSError *)error;

必ずretain




- (void)centralManager:(CBCentralManager *)central didConnectPeripheral:(CBPeripheral *)p;

- (void)centralManager:(CBCentralManager *)central didDisconnectPeripheral:(CBPeripheral *)peripheral error:(NSError *)error;

必ずretain

delegateで通知13年3月25日月曜日

サービスとキャラクタリスティクスそしてプロファイル


プロトコルスタックApplicationsCore Bluetooth

GATT

ATT

L2CAP

PHY

Link Layer

ApplicationsApplications



GATT

ATT

L2CAP

PHY

Link Layer


XPC

BTserver



GATT

ATT

L2CAP

PHY

Link Layer


XPC

BTserver



GATT

ATT

L2CAP

PHY

Link Layer


XPC

BTserver



GATT

ATT

L2CAP

PHY

Link Layer


XPC

BTserver

ペリフェラル=データベースハンドル,タイプ,値



GATT

ATT

L2CAP

PHY

Link Layer


XPC

BTserver



GATT

ATT

L2CAP

PHY

Link Layer


XPC

BTserver

サービス=クラスキャラクタリスティクス

=プロパティ13年3月25日月曜日


GATT

ATT

L2CAP

PHY

Link Layer


XPC

BTserver


=プロパティ



GATT

ATT

L2CAP

PHY

Link Layer


XPC

BTserver


=プロパティ

• キャラクタリスティクス• 制御/動作指定

• センサー値/外界の状態

• (装置の)動作状態/内部状態


サービスとキャラクタリスティクスそしてプロファイル


サービスと振る舞いの分離

http://developer.bluetooth.org/gatt/profiles/Pages/ProfileViewer.aspx?u=org.bluetooth.profile.find_me.xml

Find MEProfile

ProximityProfile

デバイス発見

切断時の警告






ImmediateAlert Service

Tx Power Service

Link LossAlert Service

振動やブザーを出力

送信電力の値切断時の振る舞い指定

Find MEProfile

ProximityProfile

デバイス発見

切断時の警告







Tx Power Service




Find MEProfile

ProximityProfile

デバイス発見

切断時の警告







Tx Power Service




Find MEProfile

ProximityProfile

デバイス発見

切断時の警告

ユースケースハード仕様




プロファイルの実装ApplicationsCore Bluetooth

GATT

ATT

L2CAP

PHY

Link Layer

ApplicationsApplications • プロファイルがアプリ側

• 任意の振る舞い、OK

• すべてがアプリの管理下• 発見

• 接続/切断

• 読み書き

• iOSはいっさい関係してこない13年3月25日月曜日


GATT

ATT

L2CAP

PHY

Link Layer


XPC

BTserver

• プロファイルがアプリ側



• 接続/切断

• 読み書き



GATT

ATT

L2CAP

PHY

Link Layer


XPC

BTserver

• プロファイルがアプリ側



• 接続/切断

• 読み書き


サービスとキャラクタリスティクスを見てみる




• UUIDで識別

• 16-bit / 128-bit

• 読み(read)/書き(write)/通知(notify)13年3月25日月曜日

• UUIDで識別

• 16-bit / 128-bit


• UUIDで識別

• 16-bit / 128-bit


• UUIDで識別

• 16-bit / 128-bit


• UUIDで識別

• 16-bit / 128-bit


• UUIDで識別

• 16-bit / 128-bit


• UUIDで識別

• 16-bit / 128-bit


サービスとキャラクタリスティクスのリスティング


// 接続- (void)centralManager:(CBCentralManager *)central didConnectPeripheral:(CBPeripheral *)p { // サービスを探します self.peripheral.delegate = self; [p discoverServices:[NSArray arrayWithObjects: _linkLossServiceUUID, _immediateAlertServiceUUID, _txPowerServiceUUID, _batteryLevelServiceUUID, nil]];}

#define kImmediateAlertServiceUUID @"1802"#define kLinkLossServiceUUID @"1803"#define kAlertLevelUUID @"2A06"... _linkLossServiceUUID = [CBUUID UUIDWithString:kLinkLossServiceUUID]; _immediateAlertServiceUUID = [CBUUID UUIDWithString:kImmediateAlertServiceUUID]; _alertLevelUUID = [CBUUID UUIDWithString:kAlertLevelUUID];


// 接続- (void)centralManager:(CBCentralManager *)central didConnectPeripheral:(CBPeripheral *)p { // サービスを探します self.peripheral.delegate = self; [p discoverServices:[NSArray arrayWithObjects: _linkLossServiceUUID, _immediateAlertServiceUUID, _txPowerServiceUUID, _batteryLevelServiceUUID, nil]];}

#define kImmediateAlertServiceUUID @"1802"#define kLinkLossServiceUUID @"1803"#define kAlertLevelUUID @"2A06"... _linkLossServiceUUID = [CBUUID UUIDWithString:kLinkLossServiceUUID]; _immediateAlertServiceUUID = [CBUUID UUIDWithString:kImmediateAlertServiceUUID]; _alertLevelUUID = [CBUUID UUIDWithString:kAlertLevelUUID];


//発見したサービスに対して、Characteristicsを探します- (void)peripheral:(CBPeripheral *)p didDiscoverServices:(NSError *)error { for (CBService *service in p.services) { if ([service.UUID.data isEqualToData:_linkLossServiceUUID.data]) { [p discoverCharacteristics:[NSArray arrayWithObjects: _alertLevelUUID, nil] forService:service]; } else if ([service.UUID.data isEqualToData:_immediateAlertServiceUUID.data]) { [p discoverCharacteristics:[NSArray arrayWithObjects: _alertLevelUUID, nil] forService:service]; } }}

- (void)peripheral:(CBPeripheral *)p didDiscoverCharacteristicsForService:(CBService *)service error:(NSError *)error{ if ([service.UUID.data isEqualToData:_batteryLevelServiceUUID.data]) { _batteryLevelCharacteristics = [self findCharacteristics:service.characteristics uuid:_batteryLevelUUID]; _batteryLevelSwitchCharacteristics = [self findCharacteristics:service.characteristics uuid:_batteryLevelSwitchUUID]; [p setNotifyValue:YES forCharacteristic:_batteryLevelSwitchCharacteristics]; [p readValueForCharacteristic:_batteryLevelCharacteristics]; [p readValueForCharacteristic:_batteryLevelSwitchCharacteristics]; }}








- (void)peripheral:(CBPeripheral *)peripheral didUpdateValueForCharacteristic:(CBCharacteristic *)characteristic error:(NSError *)error{ uint8_t b; if(characteristic == _txPowerCharacteristic) { [characteristic.value getBytes:&b length:1]; self.txPower = b;

LSB-first (Least Significant Byte First)


まとめ• BTLE

• 超低消費電力、なんとなくつながる

• iOSとBTLE

• MFi不要、一般開発者権限

• 振るまいと機能の分離

• プロファイルはアプリ次第13年3月25日月曜日

開発体制

• ハード＋プロファイル部分を担当すべし• 無線接続と振る舞い• デモアプリで動作確認、責任分界• ドキュメント、読める？• 納品後のトラブル (iOSの振舞い変化)


参考


情報源(1/3)

• https://developer.apple.com/videos/wwdc/2012/

• Session 703: Core Bluetooth 101

• Session 705 Advanced Core Bluetooth

• Apple Bluetooth Mailing list

• https://lists.apple.com/mailman/listinfo/bluetooth-dev


https://developer.apple.com/videos/wwdc/2012/

https://developer.apple.com/videos/wwdc/2012/

https://lists.apple.com/mailman/listinfo/bluetooth-dev




情報源(2/3)• Texus Instruments社

• http://www.tij.co.jp/product/jp/cc2540

• http://processors.wiki.ti.com/index.php/Category:BluetoothLE?DCMP=blestack&HQS=ble-wiki

• Nordic Semiconductor社

• https://www.nordicsemi.com

• BlueGiga

• http://www.bluegiga.com


http://www.tij.co.jp/product/jp/cc2540

http://www.tij.co.jp/product/jp/cc2540

http://processors.wiki.ti.com/index.php/Category:BluetoothLE?DCMP=blestack&HQS=ble-wikiNordic






http://www.bluegiga.com

http://www.bluegiga.com

情報源(3/3)

• AppleのBluetoothアクセサリ設計指針 (おすすめ)

• Bluetooth Low Energy Handbook (おすすめ)

• Bluetooth4 Core Specificaiton (辞書的に)


ぶっちゃけ


• CoreBluetoothを使う必要あるの？• API公開(Wahoo、NODE、konashi...)

• ハード販売、サービス展開• 自分で開発展開• ハードウェア開発？• 半導体/モジュール (組込開発)

• iOSでペリフェラル開発 (iOS6から)


オリジナル開発

• 半導体買ってきて回路を作ると• BT認証 1万ドル、電波法 40万円(実費)。

• 1万台以上作るなら

• モジュール• 日本の認証OKなのが4月から続々。

• BlueGiga、おすすめ

• BASICみたいなスクリプト開発。

• 冗談みたいなお手軽さ。


• ペリフェラルの設計• http://e2e.ti.com/support/low_power_rf/f/538/t/225290.aspx

• リファレンス設計/コード

• 必要な場面• 制御が入るとか、応答速度が必要とか• RFチップ＋外付けマイコン

• RFチップ＋RFチップ内蔵マイコン• 開発環境 TI社 8051互換 ~40万円、Nordic Semi.社 Cortex-M0 ~20万円 (32kBまで無償

版あり)


http://e2e.ti.com/support/low_power_rf/f/538/t/225290.aspx

http://e2e.ti.com/support/low_power_rf/f/538/t/225290.aspx

こまったときの

• 何が何やら、わけがわかんないよ• 通信の把握が勝利の鍵• TI社のCC2540開発キットでパケットスニファ

• iOS6.0で、切断時にiOSが1分ほど接続保持ｰ>アドバタイズ出ない


今時のBTLE

• BTLEデバイス、Over-the-airでファーム更新

• Kickstarterむっちゃでてる

• 10万台の呪い。日本、しんでる

• 覚えていますか♫

• 記憶にすら残らない、NECカシオのMEDIASとリモッピとG-SHOCK。まじ、ショック


他のプラットホーム

• Android

• チップメーカ独自スタック、公式BTLE対応なし

• できることはiOSと同じ。GATTを叩ける。

• BT3/4混在、Android4。

• ねらってもできない統一性のなさ• 5月のGoogle IO、ドコモの健康なんとか？

• Windows Phone8

• 公式スタックなし、BT3が最新機種

• Windows8

• ハード認定要件にBT4、スタック公式サポート

• C+でドライバ13年3月25日月曜日

あどばんす


• アプリ

• バックグラウンド

• CBPeripheralManager

• ハード開発

• 情報源






Central

Peripheral

Centralclient

Peripheralserver


• サンプルファイル

• ペリフェラル(デバイス)

•


CentralPeripheral

CBCentralManager

CBPeripheral

CBPeripheralManager

CBCentral


CBCentralManager

CBPeripheral

CBPeripheralManager

CBCentral

iOS5 iOS6

CBService

CBCharacteristics

CBMutableService

CBMutableCharacteri

Data Objects

Main Objects


CentralPeripheral

Ad

Ad

Ad


discover and connect

CBCentralManager Periphearl device

scanForPeripheralsWithServices

didDiscoverPeripheral

stopScan

connectPeripheral

didConnectPeripheral


Central Peripheral

Service

Characteristic

Characteristic

CBService

CBCharacteristic


CBPeripheral CBPeripheralDelegate

discoverServicesdidDiscoverServices

discoverCharacteristics:forServicedidDiscoverCharacteristicsForSer

vice


CBPeripheral CBPeripheralDelegate

readValueForCharacteristicdidUpdateValueForCharacteristics

setNotifyValue:forCharacteristic

didUpdateValueForCharacteristics


• Scan and Connect

• Reconnecting using UUID

• Already connected?

•


discover and connect

CBCentralManager Periphearl device

retrievePeripherals

didRetrievePeripherals

connectPeripheral

didConnectPeripheral


iOS background

• Background app

• Scan and advertise

• Connect

• Interact

• “Start and stop”concept

• Info.plist


• Foreground app

• High-intensity scanning

• Bacground app/screen off

• Low-intensity scanning

•


• Ad

• Name

• Tx Power

• Service UUID

• Service Data

• Max: 31 bytes


• 16-bit UUID

• assigned by Bluetooth SIG

• http://develper/bluetooth.org

• 128-bit UUID

• assigned by you!

• コマンドライン uuidgen


http://develper/bluetooth.org

http://develper/bluetooth.org

• Centralがキャッシュするもの

• 発見したServiceとCharacteristics

• Valueはキャッシュされない

•


ペアリング• ペアリング

• 接続する、認証されてないー＞拒否

• Insufficient Authentication

• ペアリング、暗号化

• AES-128、公開鍵


BTLE available?

• CBCentralManager

• delegate CBCentralManagerDelegate

• state CBCentralManagerState

• unknown -> 遷移

• 使う前にチェック



Bluetooth Smart ready と ready

• 2種類の周辺機器• デュアル・モード = クラシックBT + LE 両方搭載

• シングル・モード = LEのみ

• 接続問題• シングル・モードデバイスはクラシックBTとつながらない

• SMART READY (デュアル) / SMART (シングル) ロゴ

http://www.bluetooth.com/Pages/Smart-Logos.aspx13年3月25日月曜日

http://www.bluetooth.com/Pages/Smart-Logos.aspx

http://www.bluetooth.com/Pages/Smart-Logos.aspx

ちょっと規格の話







Technology

iOSアプリ開発者のための Bluetooth Low Energy体験講座