[사물 인터넷 네트워크와 서비스 구축 강좌] #3-7 센서장치-모바일 BLE 통신
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비컨이 구현도 간단하고 쓰임새도 다양함은 두 말 할 필요가 없습니다. 하지만 비컨으로 전달 가능한 데이터는 한계가 명확합니다. 스마트 밴드나 스마트 워치를 떠올려 보면 왜 BLE 통신이 필요한지 알 수 있을 것입니다. 이번 파트에서는 BLE 통신 시나리오 중 가장 자주 사용되는 센서장치 – 모바일 BLE 통신 시나리오를 실습해 보겠습니다.
이번 파트의 목표는 센서장치를 ESP32 모듈로 만들고 안드로이드 폰과 서로 채팅을 할 수 있도록 하는 것입니다.
센서장치 제작
먼저 ESP32 모듈을 이용해 센서장치부터 만들어야겠죠.
[3-5 BLE 프로토콜 소개] 파트에서 언급했듯이 센서장치는 일반적으로 BLE peripheral / GATT server 역할을 합니다. 즉, 센서장치는 자신이 제공하는 기능, 데이터의 종류에 따라 Service/Characteristic 구조를 갖추고, 각 characteristic 에는 적절한 read/write/notify 속성이 설정되어 있어야 합니다. 그래야 이 센서장치에 접속하는 상대방이 Service discovery 를 수행한 뒤, 데이터를 일고 쓸 수가 있습니다.
우리는 채팅 서비스를 제공할 예정이므로 1개의 Service와 2개의 characteristic 을 만들면 됩니다. 2개의 characteristic 은 각각 read, write 속성을 주면 적당하겠죠. 그리고 채팅의 속성상 센서장치가 보낼 메시지가 있으면 상대방에 알려줄수 있도록 notify 속성도 설정되어야 합니다. notify 속성은 read 속성이 설정된 characteristic 에 함께 걸어주는 것이 적당하겠습니다.
정리하면… 아래처럼 Service/Characteristic 구조를 갖추면 됩니다.
- Chat Service : 8ec76ea3-6668-48da-9866-75be8bc86f4d
- In characteristic (Write) : 4fafc201-1fb5-459e-8fcc-c5c9c331914b
- Out characteristic (Read/Notify) : beb5483e-36e1-4688-b7f5-ea07361b26fa
물론 이 설정은 센서장치가 BLE 연결된 후, GATT server 상태일때 동작하는 겁니다. BLE 연결 전에는 [3-6 비컨 장치 제작과 모바일 스캔] 에서 테스트 했듯이 iBeacon 장치처럼 동작하면 됩니다. (이번에는 센서장치 찾기 편하도록 iBeacon 이름도 MyBLE 로 표시되도록 하겠습니다.)
위 설정대로 동작하도록 만든 스케치가 아래 링크에 있습니다. ESP32 보드에 업로드 하세요.
업로드 후에는 [시리얼 모니터]를 실행하고, BAUDRATE 를 115200 으로 맞추세요.
모바일 앱 BLE Chat
센서장치는 준비가 되었으니 이제 모바일 앱을 준비할 차례입니다. 앞선 파트에서 사용했던 nRF Connect 앱을 사용해도 되지만, 채팅을 주고 받기에는 전용으로 만든 앱이 더 편리합니다. 그리고 BLE 통신을 위한 안드로이드 코드도 확인할 수 있구요.
BLE 통신을 위해 BLE Chat 앱 소스가 아래 링크에 공개되어 있으며, Google Play Store 에서 설치할 수도 있습니다.
- 앱 소스 다운로드 : https://github.com/godstale/iot_prototyping/tree/master/3_7_BLE_Sensor_Mobile/Android/BLEChat
- Google Play Store 에서 “blechat” 검색 후 설치 (제작자 : tortuga)
- 앱 설치 : https://play.google.com/store/apps/details?id=com.hardcopy.blechat
BLE Chat앱을 설치하고 실행해보면 classic bluetooth 실습할 때 사용했던 BtChat 앱과 유사한 화면이 나옵니다. UI 는 거의 동일하고 이번에는 BLE 장치를 찾아서 연결할 뿐입니다.
먼저 [Scan for devices] 버튼을 눌러 주변 BLE 장치를 스캔하세요.”MyBLE” 장치가 리스트에 보이면 선택해서 연결할 수 있습니다.
연결되면 앱은 Service Discovery 과정을 수행합니다. 그리고 센서장치에서 가져온 Service/Characteristic 정보를 채팅창에 뿌려줍니다.
각각의 Service/Characteristic 에는 번호가 부여되어 있습니다. 우리가 채팅창에 메시지를 입력하면 센서장치의 어떤 Characteristic 에 데이터를 써야할지 앱에게 알려줘야 합니다. 채팅 입력창에 아래 명령어를 입력하면 앱이 4번 Characteristic 을 메시지를 전달할 Characteristic 으로 인식합니다.
- @write 4
센서장치에서 보낼 메시지가 있으면 notify 기능으로 핸드폰에 알려줄겁니다. 하지만 notify 기능을 사용하기 위해서는 핸드폰에서 먼저 notify on 작업을 해줘야 합니다. 아래처럼 채팅 입력창에 명령어를 입력하세요. 그럼 5번 Characteristic 의 notify 기능이 활성화 됩니다.
- @noti 5
이제 채팅 준비가 끝났습니다. [시리얼 모니터]와 핸드폰이 서로 데이터를 주고 받는지 확인해보세요!!
센서장치 소스코드 분석
ESP32 모듈에 올린 소스에서 setup() 함수와 loop() 함수를 먼저 살펴봐야 합니다.
void setup() {
initBle();
startAdvertising();
}
void loop() {
if(isConnected) {
......
while(Serial.available()) {
char input = Serial.read();
......
}
if(i > 0) {
pCharOut->setValue((uint8_t*)input_char, i);
pCharOut->notify();
}
}
......
}
초기화 함수인 setup() 에서는 블루투스 초기화 작업을 합니다. 그리고 메인 루프 함수인 loop() 는 BLE 연결이 되었을 때, 시리얼 모니터(PC)에서 데이터를 전달받아 BLE 로 전송하는 역할을 합니다. pCharOut->setValue() 가 해당 characteristic 에 전송할 메시지를 쓰는 코드이고, pCharOut->notify() 가 연결된 BLE 장치에게 notify를 보내는 코드입니다. 코드를 자세히 보면 PC 에서 전달 받은 데이터를 저장하는 버퍼가 20 byte만 할당되어 있습니다. notify 로 데이터를 전송할 때 메시지 길이 제한이 20 byte 이기 때문입니다.
센서장치(BLE peripheral / GATT server)로 동작하기 위한 설정은 iniBle() 함수 안에서 이루어집니다.
void initBle() {
// Create the BLE Device
BLEDevice::init("");
// Create the BLE Server
pServer = BLEDevice::createServer();
pServer->setCallbacks(new ServerEventCallback());
setService();
}
void setService() {
pService = pServer->createService(SERVICE_UUID);
pCharIn = pService->createCharacteristic(
IN_CHARACTERISTIC_UUID,
BLECharacteristic::PROPERTY_WRITE
);
pCharOut = pService->createCharacteristic(
OUT_CHARACTERISTIC_UUID,
BLECharacteristic::PROPERTY_READ |
BLECharacteristic::PROPERTY_NOTIFY
);
pCharOut->addDescriptor(new BLE2902());
pCharInCallback = new InCharEventCallback();
pCharOutCallback = new OutCharEventCallback();
pCharIn->setCallbacks(pCharInCallback);
pCharOut->setCallbacks(pCharOutCallback);
pService->start();
}
GATT server 로 동작하기 위해 BLEServer 인스턴스를 생성합니다. 이때 pServer->setCallbacks() 코드를 통해 콜백 함수를 등록합니다. 그러면 BLE 장치가 연결/해제 되었을 때 콜백 함수를 호출해줍니다.
setService() 함수안에서 센서장치의 Service/Characteristic 구조를 만들어줍니다. 미리 계획해 둔 구조대로 BLEService 인스턴스를 먼저 생성하고, 하위에 BLECharacteristic 인스턴스를 생성해서 등록해줍니다. BLECharacteristic 인스턴스를 생성할 때는 속성을 지정합니다.
Notify 속성을 지정했다면 아래 코드를 이용해 CCCD descriptor 를 설정해줘야 합니다. 그래야 원격 장치에서 추후에 notify 기능을 on/off 해줄 수 있습니다.
- pCharOut->addDescriptor(new BLE2902());
이렇게 서비스 설정을 모두 했으면 pService->start() 를 호출해주면 됩니다. 이후 BLE 연결/해제 및 BLE 통신 작업은 ESP32 framework 이 알아서 해줍니다. 우리는 Characteristic 으로 들어온 데이터가 있는지 확인하고, 전달할 데이터가 있을 때 Characteristic 에 써주는 작업만 신경쓰면 됩니다. 이런 작업을 위해 각 Characteristic 에 콜백 함수를 등록합니다.
pCharInCallback = new InCharEventCallback(); pCharOutCallback = new OutCharEventCallback(); pCharIn->setCallbacks(pCharInCallback); pCharOut->setCallbacks(pCharOutCallback);
위 코드를 참고하면 어떤 BLE 센서장치를 만들든 원하는대로 Service/Characteristic 을 설정해서 동작시킬 수 있을 것입니다.
안드로이드 앱 소스코드 분석
안드로이드 앱은 상대적으로 소스코드의 양도 많고 복잡하고, 사전에 알아야 할 내용도 많습니다. 이런 내용들을 상세히 설명하는건 이 강좌의 범위를 벗어나기 때문에 핵심이 되는 코드 위주로 소개하겠습니다.
아래에서 실습에 사용된 안드로이드 앱 BLE Chat 코드 전체를 받을 수 있습니다.
아래 폴더를 확인해보면 우리가 다룰 안드로이드 코드들이 있습니다. (참고로 안드로이드 버전 4.3 이상에서만 BLE 를 사용할 수 있습니다.)
- BLEChat/app/src/main/java/com/hardcopy/blechat/
[3-4 모바일-모바일 CLASSIC BT 통신] 파트에서 다뤘던 BT Chat 앱의 소스코드 구조와 거의 같습니다. 각 소스코드의 역할도 비슷합니다. 크게 차이가 나는 부분은 BLE 스캔과 연결을 담당하는 bluetooth 폴더 안의 파일들입니다.
- Beacon.kt
- Advertising packet 을 파싱해서 얻어낸 iBeacon 정보를 저장하기 위한 클래스입니다.
- BleConnector.kt
- BLE 연결을 시작/해제합니다. BLE 연결이 시작되면 Service Discovery 를 수행하고 Service/Characteristic 구조를 받아온 후 저장합니다. 특정 Characteristic 을 read/write 할 수 있으며 notify 기능을 on/off 할 수 있습니다. notify 메시지가 들어오면 UI로 전달해줍니다.
- BleGattListener.kt
- BLE 연결/해제, read/write 등의 이벤트를 전달하기 위한 interface 입니다.
- BleManager.kt
- 현재는 별다른 기능이 없습니다. 무시하셔도 됩니다.
- BleScanListener.kt
- BLE 스캔을 과정에서 나오는 이벤트를 전달하기 위한 interface 입니다.
- BleScanner.kt
- BLE 장치를 스캔하기 위한 도구들이 들어있는 클래스입니다.
이 중에서도 BleScanner 와 BleConnector 가 중요합니다.
먼저 BleScanner를 살펴보면…
/**
* Scan 결과를 전달받을 listener 등록 (Scan 전에 반드시 등록)
* @param listener
*/
fun setScanListener(listener: BleScanListener) {
......
}
/** 스캔 필터 설정 관련 **/
fun addFilter(type: Int, filteringText: String?, address: String?, uuid: ParcelUuid?) {
......
}
fun clearScanFilter(type: Int) {
......
}
/**
* Scan 시작/종료
* @param enable Scan 시작/종료
* @param scanTime Scan 지속시간 (단위 ms, 0일 경우 무한 스캔)
*/
fun scheduleLeScan(enable: Boolean, scanTime: Long) {
if (enable) {
if (isBleScanning) {
// Do not interfere current scanning
} else {
if (mBtAdapter.isEnabled) {
if (Build.VERSION.SDK_INT < Build.VERSION_CODES.LOLLIPOP) {
// 롤리팝 미만인 경우 사용되는 scan
mBtAdapter.startLeScan(mScanCallback)
......
} else {
// 롤리팝 이상인 경우 사용되는 Scan
......
// Start scan
mLeScanner.startScan(filters, settings, mScanCallbackLp)
......
}
} else {
Logs.d(TAG, "##### Cannot start scanning... BluetoothAdapter is null or not enabled")
}
}
} else {
isBleScanning = false
if (Build.VERSION.SDK_INT < Build.VERSION_CODES.LOLLIPOP) {
mBtAdapter.stopLeScan(mScanCallback)
} else {
mLeScanner.stopScan(mScanCallbackLp)
}
mConnectTimer?.cancel()
mConnectTimer = null
mScanListener!!.onScanDone()
}
}
/**
* scanRecord 버퍼에서 Beacon 정보 추출
* @param device
* @param rssi
* @param scanRecord
* @return
*/
private fun extractBeaconInfo(device: BluetoothDevice?, rssi: Int, scanRecord: ByteArray): Beacon? {
if (device == null)
return null
val beacon = BeaconUtils.beaconFromLeScan(device, rssi, scanRecord)
return if (beacon?.proximityUUID == null || beacon?.proximityUUID.length < 16) {
null
} else beacon
}
/**
* 롤리팝 미만인 경우 사용되는 scan callback
*/
private val mScanCallback = BluetoothAdapter.LeScanCallback { device, rssi, scanRecord ->
val beacon = extractBeaconInfo(device, rssi, scanRecord)
if(scanIBeaconOnly) {
if (mScanListener != null && beacon != null
&& beacon.proximityUUID.isNotEmpty()
&& beacon.proximityUUID.length > 15) {
// TODO: UUID filtering
//if (beacon.proximityUUID.contains(Const.BLE_SCAN_FILTERING_MASK)) {
// mScanListener!!.onDeviceFound(device, beacon)
//}
mScanListener?.onDeviceFound(device, beacon)
}
} else {
mScanListener?.onDeviceFound(device, beacon)
}
}
/**
* 롤리팝 이상인 경우 사용되는 Scan callback
* @return
*/
@RequiresApi(Build.VERSION_CODES.LOLLIPOP)
private val mScanCallbackLp = object: ScanCallback() {
override fun onScanResult(callbackType: Int, result: ScanResult) {
if (Build.VERSION.SDK_INT >= Build.VERSION_CODES.LOLLIPOP) {
val device = result.device
val rssi = result.rssi
val scanRecord = result.scanRecord!!.bytes
val beacon = extractBeaconInfo(device, rssi, scanRecord)
if(scanIBeaconOnly) {
if (mScanListener != null && beacon != null && beacon.proximityUUID.isNotEmpty()
&& beacon.proximityUUID.length > 15) {
// TODO: UUID filtering
//if (beacon.proximityUUID.contains(Const.BLE_SCAN_FILTERING_MASK)) {
// mScanListener!!.onDeviceFound(device, beacon)
//}
mScanListener?.onDeviceFound(device, beacon)
}
} else {
mScanListener?.onDeviceFound(device, beacon)
}
}
}
override fun onBatchScanResults(results: List<ScanResult>?) {
......
}
override fun onScanFailed(errorCode: Int) {
mScanListener?.onScanFailed(errorCode)
}
}
주의해야 할 점은, 안드로이드 버전에 따라 BLE 장치를 스캔하는 방법이 다릅니다.
- 안드로이드 5.0 미만
- 개발자가 명시적으로 스캔을 시작하고 종료합니다. 스캔된 모든 BLE 장치들이 콜백함수로 전달됩니다.
- 안드로이드 5.0 이상
- 개발자가 Scan 자체를 on/off 한다기 보단 Android Bluetooth Scanner에게 특정 조건에 맞는 BLE 기기가 발견되면 알려달라고 요청하는 형태에 가깝습니다. Filter를 설정함으로써 특정 조건에 맞는 BLE 장치만 콜백함수로 전달하도록 할 수 있습니다. 또한 스캔 간격 등을 지정해서 에너지 소모율과 스캔 속도를 조절할 수 있습니다.
어느 경우든 BLE 장치가 발견되면 콜백함수가 호출됩니다. 그리고 콜백 함수에서 advertising packet 중 센서장치가 임의로 데이터를 넣어 보내는 Advertiser’s Data 영역(31 bytes)을 받아 처리할 수 있습니다.
Advertiser’ Data 를 확인하고 iBeacon 인지 확인하는 코드가 BeaconUtils.kt – beaconFromLeScan() 입니다. 만약 iBeacon 데이터가 맞다면 Beacon 인스턴스를 생성해서 UI 에 알려줍니다.
내가 원하는 BLE 또는 iBeacon 장치를 찾았고, 이 장치가 연결 가능한 상태라면 연결을 시도할 수 있습니다. Scan 과정에서 BLE 장치가 발견되면 BluetoothDevice 인스턴스를 전달받는데, 이 디바이스에 GATT 연결을 시도하면 됩니다.
fun connect(context: Context, device: BluetoothDevice) {
......
mBluetoothGatt = device.connectGatt(context, false, mGattCallback)
mBluetoothGatt?.connect()
}
이때 등록하는 BluetoothGattCallback 에 의해 BLE 연결, Service Discovery, 데이터 통신, 연결 해제 등 모든 작업이 관리됩니다.
private val mGattCallback = object : BluetoothGattCallback() {
override fun onConnectionStateChange(gatt: BluetoothGatt, status: Int, newState: Int) {
Logs.i(TAG, "onConnectionStateChange")
when (newState) {
BluetoothGatt.STATE_CONNECTED -> {
Logs.i(TAG, "STATE_CONNECTED")
gatt.discoverServices()
}
BluetoothGatt.STATE_CONNECTING -> Logs.i(TAG, "STATE_CONNECTING")
BluetoothGatt.STATE_DISCONNECTED -> {
Logs.i(TAG, "STATE_DISCONNECTED")
mGattListener?.onDisconnected()
}
BluetoothGatt.STATE_DISCONNECTING -> Logs.i(TAG, "STATE_DISCONNECTING")
else -> {
mGattListener?.onConnectionFail()
}
}
}
override fun onServicesDiscovered(gatt: BluetoothGatt, status: Int) {
Logs.i(TAG, "onServicesDiscovered")
if (BluetoothGatt.GATT_SUCCESS == status) {
Logs.i(TAG, "GATT_SUCCESS")
discoverService(gatt)
} else {
Logs.i(TAG, "GATT_FAIL")
}
}
override fun onCharacteristicWrite(gatt: BluetoothGatt, characteristic: BluetoothGattCharacteristic, status: Int) {
Logs.i(TAG, "onCharacteristicWrite")
if (Const.SERVICE_UUID.equals(characteristic.service.uuid.toString())) {
if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) {
mGattListener?.onWriteSuccess(characteristic)
} else {
mGattListener?.onWriteFailure(characteristic)
}
}
}
override fun onCharacteristicChanged(gatt: BluetoothGatt, characteristic: BluetoothGattCharacteristic) {
Logs.i(TAG, "onCharacteristicChanged")
mGattListener?.onNotify(characteristic) // data is in characteristic.value
}
override fun onCharacteristicRead(gatt: BluetoothGatt, characteristic: BluetoothGattCharacteristic, status: Int) {
Logs.i(TAG, "onCharacteristicRead")
super.onCharacteristicRead(gatt, characteristic, status)
if (BluetoothGatt.GATT_SUCCESS == status) {
mGattListener?.onRead(characteristic) // data is in characteristic.value
}
}
override fun onDescriptorRead(gatt: BluetoothGatt, descriptor: BluetoothGattDescriptor, status: Int) {
Logs.i(TAG, "onDescriptorRead")
super.onDescriptorRead(gatt, descriptor, status)
}
override fun onDescriptorWrite(gatt: BluetoothGatt, descriptor: BluetoothGattDescriptor, status: Int) {
Logs.i(TAG, "onDescriptorWrite=$status")
//gatt.writeCharacteristic(mWrite)
super.onDescriptorWrite(gatt, descriptor, status)
}
override fun onReliableWriteCompleted(gatt: BluetoothGatt, status: Int) {
Logs.i(TAG, "onReliableWriteCompleted")
super.onReliableWriteCompleted(gatt, status)
}
override fun onReadRemoteRssi(gatt: BluetoothGatt, rssi: Int, status: Int) {
Logs.i(TAG, "onReadRemoteRssi")
super.onReadRemoteRssi(gatt, rssi, status)
}
override fun onMtuChanged(gatt: BluetoothGatt, mtu: Int, status: Int) {
Logs.i(TAG, "onMtuChanged")
super.onMtuChanged(gatt, mtu, status)
}
}
등록된 콜백 함수들 이름을 보면 대강 어떤 역할을 하는지 알 수 있을 것입니다.
활용
구상하고 있는 사물인터넷 서비스에 웨어러블 장치 등이 포함된다면 BLE 통신을 피해갈 수 없는 요소입니다. 특히 센서장치 또는 웨어러블 장치와 모바일 장치의 통신은 가장 흔하게 사용되는 시나리오기 때문에 양쪽 플랫폼에서 사용되는 코드를 유심히 봐 둘 필요가 있습니다. 이런 서비스를 직접 구현해야 하는 순간이 오면 이런 코드들이 여러분의 시간과 노력을 아껴줄 수 있을겁니다.
참고
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