BLE対応スマホの増加で周辺機器開発の自由度が高まった ―― ウェアラブル端末がスマホと直接つながる

小野寺康幸

キャッチアップ 2014年10月15日

　いまウェアラブル端末が話題になっています．ウェアラブル端末とは，装飾性が重視される腕時計，指輪，メガネなどにハイテク機能を加えることで，体温計，血圧計，走行距離計などの役割を持たせる製品のことです．ウェアラブル端末は，Bluetooth Low Energyを通じて情報をスマホに送ります．ここでは，Bluetooth Low Energyを使う方法を解説します．
　またBLE周辺機器を開発するにあたり，マイコンを中心に見た場合，Bluetooth Low Energyモジュールをどのように使えばいいのかを知るため，ロームグループのラピスセミコンダクタ株式会社 LSI商品開発本部無線通信LSI開発ユニット野田光彦氏からお話を伺いました．

ラピスセミコンダクタの野田光彦氏

■スマホ用OSは制限を少なくして，BLE通信がより自由に

● スマホ側のBluetooth Low Energyの動作概要
　Bluetooth Low Energy（以下BLE）ではOS（AndroidやiOSなどスマホ用のOS）からの指示を受けずに，デバイスの検出，接続，データ通信，切断などをアプリケーション側が処理するようになりました．またペアリング操作をするしないも，アプリ側の判断によります．従来のBluetoothはスマホ用OSの制限が多くありましたが，BLEでは少なくなりました（図1）．

図1　OS側の壁が薄くなり，アプリの自由度が増えた，アプリとファームウェアが直接つながるイメージ

　たとえば，アップル社のiBeaconでは，お店に設置したBLE周辺機器が，来店したお客さんのスマホにデータを一方的に送信することも可能にしています．
　BLE ではセントラルとペリフェラルという2つの役割があります．ここでは便宜的に，セントラル（中央装置側）をスマホと，ペリフェラル（心拍計＋BLEモジュール＋ホスト・マイコン）をBLE周辺機器と呼ぶことにします．

●スマホ側のアプリ開発環境
　スマホ側のアプリ開発環境を見ていきましょう．またテスト用のスマホ・アプリがラピスセミコンダクタから「BLE TOOL」として提供されています．　「BLE TOOL」は，Google playからインストールできます．

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▼iPhone向け
　iPhone（iOS5以降）はいち早くBLEに対応しました．iOS6からはiPhoneがスマホとBLE周辺機器の両方に対応しています．
　iPhone用の統合開発環境としてAppleの提供するXcodeがあります．Xcodeの拡張としてBLE用のCore Bluetoothフレームワークも用意されています．

▼Android向け
　Android 4.3 （API Level18）からBLEを扱うAPIが提供されました．ただしセントラル（スマホ）のみ対応です．
　Android用の統合開発環境としてgoogleの提供するEclipse ADT（Android Development Tool）があり，現在Android Studio（BETA版）へ移行途中です．

● スマホ・アプリが動作を決定
　スマホと周辺機器のやりとりを，スマホを中心に示します（図2）．
Step1 検出　BLE周辺機器からの呼び出しを検出
Step2 接続　BLE周辺機器と接続
Step3 調査　BLE周辺機器のサービス内容と特性
（プロファイル）を取得
Step4 要求　BLE周辺機器の特性値（データ）を取得
Step5 切断　BLE周辺機器との接続を切断
　スマホとの通信量や通信頻度が多いと，BLE周辺機器側の送信時間が増え，消費電力が増えます．低消費電力を実現するためにはスマホ・アプリ側の工夫も必要です．もちろん電波が途切れたときなど，エラー処理も必要です．

図2　スマホとBLE周辺機器のやりとりの基本

■BLE周辺機器側で必要なこと

● BLEモジュールを使えば開発が容易に
　ラピスセミコンダクタ社のBLEモジュールMK71050（写真1）を例にホスト・マイコンとBLEモジュールの関係をみていきましょう．BLEモジュールは，BLE対応無線通信IC（ML7105），アンテナ，EEPROM，マスタ・クロックで構成されています．もちろん電波法の技術基準適合証明は取得済みです．
　ML7105はBLEを実現する下位層のスタックを提供するので，あとは，アプリケーションやプロファイルなど上位層を開発するだけです（図3）．

写真1　BLEモジュールMK71050
10.7mm×13.6mmの表面実装タイプ．モジュールの利用で，アンテナ設計，技適取得が省略できる

図3　 BLE周辺機器のプロトコルスタック
上位層の開発をすれば周辺機器が完成

● ホスト・マイコンとはSPI接続が基本
BLEモジュールMK71050の回路ブロックを図4に示します．

図4　 BLEモジュールMK71050の回路ブロック
Switchの切り替えで低消費電力を実現

▼インターフェースは，SPI，3つの専用端子，UART
　ホスト・マイコンと無線LSIはSPIで接続し，専用コマンド，データで制御します．このとき，3つの専用端子を併用します．RF Active端子は無線の通信状態を示す信号です．IRQ端子はML7105からホスト・マイコンにデータ転送要求あるいはデータ受信可能を示す信号です．WAKEUP端子はホスト・マイコンからML7105へのデータ転送要求あるいはデータ受信可能を示します．
　UART経由でもSPIと同じ制御が可能ですが，通信速度が遅く，その分スリープ時間が短くなるため，消費電力の観点からSPI接続を推奨しています．

▼EEPROMの中身
　EEPROMには無線LSIの基本動作を決める設定パラメータ，アプリケーション用ROM領域，CODE_RAM（内部コード）領域があります．
　設定パラメータとは送信出力設定やBluetoothのパブリック・アドレス，ランダム・アドレスなどです．たとえば，低消費電力を実現する仕組みの一つとして，送信出力を，0dBm，－6dBm，－12dBm，－18dBmの４つから選択できます．ホスト・マイコンはアプリケーション用ROMを揮発性メモリとして利用できます．CODE_RAMはオプション機能でホスト・マイコンなしで動作させるときの内部コードを格納します．