BlueZブレスレットコントロール

研究プロジェクトでは、プロトタイプの医療用ブレスレットが必要でした。 デバイスはパルスを定期的に測定し、患者に警告し、バッテリーレベルとともに結果をクラウドサービスに送信する必要がありました。 スマートフォンの代わりに固定リピーターを備えたフィットネスブレスレットもそのようなデバイスになる可能性があります。 したがって、自分の手でプロトタイプを組み立てようとする前に、準備ができたもので実験することにしました。 そこで、光学式心拍センサーを備えた新しいXiaomi miバンド1S Pulse（Geektimesのレビュー ）を入手しました。



ブレスレットの選択は、その比較的低い価格、優れたバッテリー、および心拍数の測定がボタンを押すことによって起動されるのではなく、スマートフォンから開始されるという事実に関連していました。



Bluetooth 4.0（またはBluetooth Low Energy、以降BLEと呼びます）で利用可能な一連のサービスと機能を調べることから、実験を開始しました。 ネット上で何かを見つけることは難しくありませんでした。この情報は私を大いに助けてくれましたが、必要なセンサーなしで以前のバージョンに関係していました。 そこで、BLEスキャナーから始めました。



Nordic Semiconductorには、適切で、率直に言って、非常に便利なツールがあることがわかりました。 これは、Android 4.3 以降のマスターコントロールパネルまたはnRF MCPです。 タブレットにアプリケーションをインストールして「SCAN」を実行すると、miバンドが簡単に見つかり、その物理アドレスを書き留めました-C8：0F：10：11：1B：6E：







「タブを開く」をクリックしてから「接続」をクリックすると、一連のサービスが表示されます。







脈拍計の識別子は、そのようなデバイスの標準であることが判明しました-0x180D 。 先を見て、私は早く喜んでいたと言うでしょう。



リピーターとして、 Raspberry Pi （モデルB）とASUSのASUS BT400 BLE-USBアダプターを使用しました。 BlueZも必要でした-Linux用のBluetoothとPython用のいくつかの追加モジュールを使用するための本物のスイスナイフ。





Raspberryのコードを書く前に、必要なすべてのサービス（心拍数、バッテリーレベル、振動警告）がBlueZのターミナルモードで利用可能であることを確認する必要がありました。

彼はBLE環境をスキャンし、問題なくブレスレットを見つけました。

 pi@raspberrypi:~ $ sudo hcitool -i hci0 lescan LE Scan ... C8:0F:10:11:1B:6E (unknown) C8:0F:10:11:1B:6E MI1S
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

connectコマンドでブレスレットに接続し、対話モードでgatttoolを実行しました（キーI）：

 pi@raspberrypi:~ $ sudo gatttool -i hci0 -b C8:0F:10:11:1B:6E -I [C8:0F:10:11:1B:6E][LE]> connect Attempting to connect to C8:0F:10:11:1B:6E Connection successful [C8:0F:10:11:1B:6E][LE]>
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

ペアリングなしの対話型接続は通常約20秒続き、これはいわゆる低レベルのプライバシーであり、デフォルトで使用されます。 利用可能なサービスのリストは、プライマリコマンドによって表示されます。

 [C8:0F:10:11:1B:6E][LE]> primary attr handle: 0x0001, end grp handle: 0x0009 uuid: 00001800-0000-1000-8000-00805f9b34fb attr handle: 0x000c, end grp handle: 0x000f uuid: 00001801-0000-1000-8000-00805f9b34fb attr handle: 0x0010, end grp handle: 0x0039 uuid: 0000fee0-0000-1000-8000-00805f9b34fb attr handle: 0x003a, end grp handle: 0x0048 uuid: 0000fee1-0000-1000-8000-00805f9b34fb attr handle: 0x0049, end grp handle: 0x004e uuid: 0000180d-0000-1000-8000-00805f9b34fb attr handle: 0x004f, end grp handle: 0x0051 uuid: 00001802-0000-1000-8000-00805f9b34fb
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

uuidの後の4桁で、どのような種類のサービスが可能かを判断します。 2つの一般的なサービス（汎用）、メーカーによって定義された2つのサービス（fee0およびfee1）、HRMサービス（180d）およびアラート（1802）が判明しました。

ブレスレットの特性のリストは、char-descコマンドでハンドルの昇順で表示されます。 リストにff0cという識別子を持つ特性が見つかりました：

ハンドル：0x002c、uuid：0000ff0c-0000-1000-8000-00805f9b34fb、

バッテリーレベルの0x002cポインターは、以前のバージョンのブレスレットに既に定義されています。 char-read-hndコマンドでデータを読み取ろうとしました（ポインターでデータを読み取ります）：







バッテリーは最初に「降伏」しました。 答えは充電レベルだけではなく、これは16進数の最初のバイト（前夜にスマートフォンが70％を示した）であるだけでなく、完全な充電情報（サイクル数、最後の充電の日付、バッテリーステータス）でもあります。 タスクの条件の下では、レベルだけが必要でした。



2番目は、振動するアラートに「従った」。 MCPからのデータによると、これは即時アラートであり、アラートレベルは識別子0x2A06に送信する必要があるコマンドであると想定しました。







特性のリストでは、この識別子は次の行に対応しています。

ハンドル：0x0051、uuid：00002a06-0000-1000-8000-00805f9b34fb

値01のポインター0x0051にコマンドを送信しました：

 [C8:0F:10:11:1B:6E][LE]> char-write-cmd 0x0051 01
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

ブレスレットは2つの弱いバズで応答しました。値02は01の2倍です。 4つの信号、および03-2、しかしより強い。 心拍数があると、すべてがより複雑になりました。 MCPは次のことを示しました。







このサービスに関連する機能：

 handle: 0x004b, uuid: 00002a37-0000-1000-8000-00805f9b34fb handle: 0x004c, uuid: 00002902-0000-1000-8000-00805f9b34fb handle: 0x004d, uuid: 00002803-0000-1000-8000-00805f9b34fb handle: 0x004e, uuid: 00002a39-0000-1000-8000-00805f9b34fb
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

心拍数は、通知モードまたはプッシュ通知モードでスマートフォンに送信されますが、バッテリーレベルとは見なされません。 ポインター0x004c（CCCの識別子は常に2902）の値0100を使用してCCC（クライアント特性構成）に書き込むことにより通知を有効にし、通知を待つ必要があります。



何も起こらず、値は正常に記録されましたが、通知は受信されず、ブレスレットは数秒後にオフになりました。 –listenスイッチを使用してコンソールモードでgatttoolを実行することも失敗しました。gatttoolは予期して「ハング」するだけです。 一言で言えば、なぞなぞ。



状況を明確にするために、BLEスニファーを使用する必要がありました（Windows 8を搭載したラップトップ）。 これは、Texas InstrumentsのCC2540チップ上のフラッシュされたBLE-usbドングルと、同じメーカーのSmart Packet Snifferプログラムに基づいていました。 プログラマーを含む必要なものはすべて、開発者向けのキットの形で簡単に見つけることができます。プログラムとファームウェアはTIの Webサイトから自由にダウンロードしました。



重要！ ブレスレットがプレゼンテーションモード（広告モード）のときにスニファーを実行します。 スマートフォンに接続する前に。 それ以外の場合は表示されません。 また、不要なBLEデバイスをすべてスニファーから取り外しておくのも良いことです。さらにシールドをかけると、ログを後で把握するのに役立ちます。



これは、プレゼンテーションモードでスニファーのパケットがどのように見えるかです。







AdvA（Advertising Address）フィールドによると、これがまさに私のブレスレットであると判断しました。 スマートフォンとの接続を確立した後、GATT接続モードで画像が変更されました：







ここでは、値0100がポインター0x004Cを使用してCCCに書き込まれ、心拍数通知が有効になっていることがわかります。



ブレスレットの以前のバージョンの研究者の一人は、すべてのサービスが匿名デバイスで利用できるとは限らないとブログに書いています。 私が知る限り、場合によっては、ブレスレットと対話するデバイスは、正しいユーザー情報をブレスレットに送信する必要があります。これは、スマートフォンとペアリングするときに部分的にハッシュされます。



前のバージョンと同様に、このデータは20バイト長で、ポインター0x0019を使用して特性に書き込まれ、新しい接続ごとに変更されることはありません。 最初の4バイトはスマートフォンのuid、プレーンテキストでは性別、年齢、身長、体重、上書き許可のバイト（00である必要があります）のバイト、およびハッシュのようなシーケンスの10バイトです。 ブレスレットからユーザー情報を読み取ることができませんでした。



パッケージを分析すると、次のことがわかりました。

1. 接続するたびに、すべての通知許可がブレスレット（識別子2902のCCC）に送信されます
2. 次はユーザー情報の転送です
3. 次に、ポインター0x0028に従って、日付と時刻が記録されます
4. その後、バッテリーレベルと1日あたりの歩数に関するデータが読み込まれます
5. ポインター0x004Eによる心拍数に関する通知を受け取る前に、特性「心拍数制御ポイント」に対応して、シーケンス0x15 0x00 0x00が記録されます（これはリセットであると想定します）
6. 次に、0x15 0x02 0x01がそこに書き込まれます。これは、私の場合は左手に対応します
7. その後、15〜20秒後に、2バイトの心拍数、たとえば06 40で通知が到着します。2番目のバイトは、16進数の心拍数です。

理論的には、心拍数を取得するために、3番目と4番目のポイントを除いて、これらすべてのトランザクションを繰り返す必要がありました。 判明したように、リセットせずに実行できます。 これを手動で行うことは不可能です。すべてのコマンドを入力する前にブレスレットが切断されます。 そこで、Pythonスクリプトを準備しました。

 import sys, pexpect from time import sleep gatt=pexpect.spawn('gatttool -I') gatt.logfile = open("pylog.txt", "w") gatt.sendline('connect C8:0F:10:11:1B:6E') gatt.expect('Connection successful') # Check battery level gatt.sendline('char-read-hnd 0x002c') gatt.expect('Characteristic value.*') batt = gatt.after batt = int(batt.split()[2],16) print 'Battery level:', batt, '%' # Send alert gatt.sendline('char-write-cmd 0x0051 01') sleep(5) # Allow notification gatt.sendline('char-write-req 0x004c 0100') gatt.expect('Characteristic value.*') # Send user data gatt.sendline('char-write-req 0x0019 F8663A5F0126B45500040049676F7200000000DC') gatt.expect('Characteristic value.*') # Set control point gatt.sendline('char-write-req 0x004e 150201') # Waiting for notification try: gatt.expect('Notification handle.*') hrm = gatt.after hrm = int(hrm.split()[6], 16) print 'HRM:', hrm except: print 'Bad control point or timeout' sys.exit(0)
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

ところで、実行されたステップの数は匿名で読み取ることができ、ポインタ0x001Dで読み取ることができます。 答えは4バイトです。左から右に読む必要があります。



スクリプトはバッテリーレベルを表示し、通知を送信し、待機して心拍数を出力します。 謎は解決しましたが、データをクラウドサービスに送信する方法を学習する必要があり、そのためにThingspeakを使用することにしました 。 これは、シンプルなAPIと既製の視覚化を備えた無料のサービスです。



Thingspeakのセットアップには5分しかかかりませんでした。 登録して個人用スペースに入室する必要があります。 次に、新しいチャンネルを作成し、チャンネル設定で名前、番号、フィールドラベルを指定します。 設定を保存し、[APIキー]タブに移動します。 そこで、書き込み用のAPIキーをコピーします（APIキーの書き込み）：







その後-[プライベートビュー]タブに切り替えます（チャンネルのセットアップ時に[パブリックにする]が指定されていない場合）。



Pythonのこのような構造は、Thingspeakにデータを送信する責任があります。

 baseURL = 'https://api.thingspeak.com/update?api_key=%s'%YOUR_API_KEY f = urllib2.urlopen(baseURL + "&field1=%s&field2=%s" % (batt, hrm)) print f.read() f.close()
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

通常の操作では、コンソールには1から始まるデータ送信番号が表示されます。 リピータの範囲は、直視線で3〜4メートルで、これは医療病棟では通常のことです。 しかし、そのような距離にあるブレスレットは手のひらで簡単に保護されます。



エクササイズバイクでのトレーニング中に、結果のシステムを20分間テストしました。 測定間隔は3分、測定回数は8分です。ブレスレットは、皮膚との接触がゆるい場合に脈拍数を過大評価する傾向があり、精度を高めるために手首の後ろにセンサーを配置します。 Thingspeakの結果：





グラフからわかるように、8回の測定はバッテリーの充電に影響しませんでした。 実験は非常に成功していると考えられ、得られた経験を使用して独自のデバイスを設計したり、たとえばOEMを探したりすることができます。

便利なリンク：

• CC2540チューニングおよびBLEスニファーガイド
• Bluetooth Low Energyの使用を開始する
• Bluetooth低エネルギー電球のリバースエンジニアリング
• Intel EdisonのBluetooth LEでGATTを使用する