【Raspberry Pi Pico W】BluetoothでAndroidに接続してLチカ

はじめまして、今回が初の投稿となります。
至らない点などありましたら、ご教授お願い致します。

# 参考文献
今回は以下のページ様にお世話になりました。

https://electrocredible.com/raspberry-pi-pico-w-bluetooth-ble-micropython/

画像付きで詳しく書かれている為、
参考元の方がより分かりやすいかもしれません。

# ０．前提条件
まず、Thonnyを使ってMicroPythonで、
PicoWの開発＆実行を行える環境がある事が前提です。

Thonnyのインストールがまだの方は、
他の方の記事を参考に先に設定を済ませてください。

※あまり古くなければ、特にバージョンは関係ないかもしれませんが、
　今回はThonny4.1.1で検証を行っています。

# １．最新のMicroPythonファームウェアをPicoWにインストール
現在ThonnyからPicoWにインストールできるMicroPythonのファームウェアは
PicoWのBluetoothに対応していない為か、
これからご紹介するプログラムが上手く動作しませんでした。
ですので、対応するファームウェアをPicoWの公式サイトから
事前にダウンロード＆インストールしておく必要があります。

👉[Raspberry Pi Documentation](https://www.raspberrypi.com/documentation/microcontrollers/micropython.html) から
最新のPicoW用MicroPythonファームウェアをダウンロードしてください。

※検証時のファームウェアは「micropython-firmware-pico-w-130623.uf2」でした。

インストールは、
* １）PicoWをBOOTSELボタンを押しながらUSBでPCに接続。
* ２）Pico W の本体にUF2ファイルを配置。

すれば良いです。

# ２．PythonのプログラムをPicoWに保存

以下、3つのpythonファイルを PicoW に保存します。

それぞれ、Thonnyの画面に貼り付けて、
PicoWの内部に指定のファイル名で保存していきましょう。

## main.py
```python
from machine import Pin 
import bluetooth
from ble_simple_peripheral import BLESimplePeripheral

# Bluetooth Low Energy (BLE) オブジェクトを作成する。
ble = bluetooth.BLE()

# BLE オブジェクトを使用して BLESimplePeripheral クラスのインスタンスを作成。
sp = BLESimplePeripheral(ble)

# オンボード LED の Pin オブジェクトを作成し、出力として設定。
led = Pin("LED", Pin.OUT)

# LED の状態を 0 (オフ) に初期化します。
led_state = 0

# 受信したデータを処理するコールバック関数
def on_rx(data):
    # Bluetoothで受信したデータをコンソールに表示。
    print("Data received: ", data)
    # 受信したデータが「toggle」かどうかを確認。
    if data == b'toggle\r\n':
        # LED の状態を切り替える。( 0 or 1 )
        global led_state
        led.value(not led_state)
        # LED の状態を更新する。
        led_state = 1 - led_state
        # 更新した結果をBluetoothで送信。
        if led_state == 1:
            sp.send("ON\n")
        else:
            sp.send("OFF\n")

# メインループ
while True:
    # BLE 接続が確立されているかどうかを確認。
    if sp.is_connected():
        # データ受信用のコールバック関数を設定。
        sp.on_write(on_rx)
```

## ble_simple_peripheral.py

ble_simple_peripheral.pyの 掲載元は [コチラ](https://github.com/micropython/micropython/blob/master/examples/bluetooth/ble_simple_peripheral.py)

```python
import bluetooth
import random
import struct
import time
from ble_advertising import advertising_payload

from micropython import const

_IRQ_CENTRAL_CONNECT = const(1)
_IRQ_CENTRAL_DISCONNECT = const(2)
_IRQ_GATTS_WRITE = const(3)

_FLAG_READ = const(0x0002)
_FLAG_WRITE_NO_RESPONSE = const(0x0004)
_FLAG_WRITE = const(0x0008)
_FLAG_NOTIFY = const(0x0010)

_UART_UUID = bluetooth.UUID("6E400001-B5A3-F393-E0A9-E50E24DCCA9E")
_UART_TX = (
    bluetooth.UUID("6E400003-B5A3-F393-E0A9-E50E24DCCA9E"),
    _FLAG_READ | _FLAG_NOTIFY,
)
_UART_RX = (
    bluetooth.UUID("6E400002-B5A3-F393-E0A9-E50E24DCCA9E"),
    _FLAG_WRITE | _FLAG_WRITE_NO_RESPONSE,
)
_UART_SERVICE = (
    _UART_UUID,
    (_UART_TX, _UART_RX),
)

class BLESimplePeripheral:
    def __init__(self, ble, name="mpy-uart"):
        self._ble = ble
        self._ble.active(True)
        self._ble.irq(self._irq)
        ((self._handle_tx, self._handle_rx),) = self._ble.gatts_register_services((_UART_SERVICE,))
        self._connections = set()
        self._write_callback = None
        self._payload = advertising_payload(name=name, services=[_UART_UUID])
        self._advertise()

    def _irq(self, event, data):
        # 通知を送信できるように接続を追跡。
        if event == _IRQ_CENTRAL_CONNECT:
            conn_handle, _, _ = data
            print("New connection", conn_handle)
            self._connections.add(conn_handle)
        elif event == _IRQ_CENTRAL_DISCONNECT:
            conn_handle, _, _ = data
            print("Disconnected", conn_handle)
            self._connections.remove(conn_handle)
            # 新しい接続を許可するために、アドバタイズを再度開始。
            self._advertise()
        elif event == _IRQ_GATTS_WRITE:
            conn_handle, value_handle = data
            value = self._ble.gatts_read(value_handle)
            if value_handle == self._handle_rx and self._write_callback:
                self._write_callback(value)

    def send(self, data):
        for conn_handle in self._connections:
            self._ble.gatts_notify(conn_handle, self._handle_tx, data)

    def is_connected(self):
        return len(self._connections) > 0

    def _advertise(self, interval_us=500000):
        print("Starting advertising")
        self._ble.gap_advertise(interval_us, adv_data=self._payload)

    def on_write(self, callback):
        self._write_callback = callback
```

## ble_advertising.py

ble_advertising.pyの 掲載元は [コチラ](https://github.com/micropython/micropython/blob/master/examples/bluetooth/ble_advertising.py)

```ble_advertising.py
from micropython import const
import struct
import bluetooth

# advertising payloadは、次の形式の繰り返しパケットです。
#    1バイトのデータ長(N+1)
#    1 バイト型 (以下の定数を参照)
#    N バイトのタイプ固有のデータ

_ADV_TYPE_FLAGS = const(0x01)
_ADV_TYPE_NAME = const(0x09)
_ADV_TYPE_UUID16_COMPLETE = const(0x3)
_ADV_TYPE_UUID32_COMPLETE = const(0x5)
_ADV_TYPE_UUID128_COMPLETE = const(0x7)
_ADV_TYPE_UUID16_MORE = const(0x2)
_ADV_TYPE_UUID32_MORE = const(0x4)
_ADV_TYPE_UUID128_MORE = const(0x6)
_ADV_TYPE_APPEARANCE = const(0x19)


# gap_advertise(adv_data=...) に渡すpayloadを生成
def advertising_payload(limited_disc=False, br_edr=False, name=None, services=None, appearance=0):
    payload = bytearray()

    def _append(adv_type, value):
        nonlocal payload
        payload += struct.pack("BB", len(value) + 1, adv_type) + value

    _append(
        _ADV_TYPE_FLAGS,
        struct.pack("B", (0x01 if limited_disc else 0x02) + (0x18 if br_edr else 0x04)),
    )

    if name:
        _append(_ADV_TYPE_NAME, name)

    if services:
        for uuid in services:
            b = bytes(uuid)
            if len(b) == 2:
                _append(_ADV_TYPE_UUID16_COMPLETE, b)
            elif len(b) == 4:
                _append(_ADV_TYPE_UUID32_COMPLETE, b)
            elif len(b) == 16:
                _append(_ADV_TYPE_UUID128_COMPLETE, b)

    # org.bluetooth.characteristic.gap.appearance.xml を参照。
    if appearance:
        _append(_ADV_TYPE_APPEARANCE, struct.pack("<h", appearance))

    return payload


def decode_field(payload, adv_type):
    i = 0
    result = []
    while i + 1 < len(payload):
        if payload[i + 1] == adv_type:
            result.append(payload[i + 2 : i + payload[i] + 1])
        i += 1 + payload[i]
    return result


def decode_name(payload):
    n = decode_field(payload, _ADV_TYPE_NAME)
    return str(n[0], "utf-8") if n else ""


def decode_services(payload):
    services = []
    for u in decode_field(payload, _ADV_TYPE_UUID16_COMPLETE):
        services.append(bluetooth.UUID(struct.unpack("<h", u)[0]))
    for u in decode_field(payload, _ADV_TYPE_UUID32_COMPLETE):
        services.append(bluetooth.UUID(struct.unpack("<d", u)[0]))
    for u in decode_field(payload, _ADV_TYPE_UUID128_COMPLETE):
        services.append(bluetooth.UUID(u))
    return services
```

# ３．Thonnyで実行
ソースコードのmain.pyタブを選択して、
F5 キーを押すか、「実行」アイコンをクリックしてコードを実行すると、
Thonnyのシェルに「Starting advertising」と表示されます。

# ４．Android側の操作
GooglePlayより [Serial Bluetooth Terminal](https://play.google.com/store/apps/details?id=de.kai_morich.serial_bluetooth_terminal) をダウンロード＆インストールして使用しました。

※通信相手として検証に使ったのはスマートフォンのAndroi10です。

* １）まずアプリを立ち上げて、メニューから[Devices]を選択します。
* ２）[Bluetooth LE]タブを選択し、[SCAN]をタップします。これで、デバイスがmpy-uartとしてリストされているはずです。
* ３）接続が確立されると、Android アプリに「Connected」
というメッセージが表示されます。Thonnyのシェルにも「New Connection 64」というテキストが表示されます。
* ４）Android アプリで、引用符なしで「toggle」と入力し、送信アイコンをタップすると、PicoWのLEDが点灯し、Android側は「ON」という文字列が表示されます。

![IMG_3355.jpeg](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/1155018/0e4aadec-1a44-8c8f-7894-d766726050a3.jpeg)

以上です。様々なセンサーやモーターなどを
遠隔で操作するのに応用してみてください。