利用手機藍芽功能控制 Raspberry Pi 3 Model B 上的 LED

十二月 28, 2017

從一開始，網路就一直是 Raspberry Pi 很重要的功能。而到了 Raspberry Pi 3 Model B，更是直接內建有線網路、WiFi 無線網路、藍芽等通訊功能，讓網路的應用更加容易與標準化。在這次的範例中，我們將透過 Android 手機上的應用程式與藍芽機制來控制連結在 Raspberry Pi GPIO 上的 LED 燈泡。這個範例總共會有兩個程式代碼，第一個是手機端的應用程式 (App)，另外一個則是 Raspberry Pi 的 Python 程式，可用來接受手機應用程式的指令，並根據指令開啟或關閉 LED 燈泡。

在物聯網的世界裡，所有的設備都必須具備連網的能力。連結的方式有很多種，對 Raspberry Pi 來說，TCP/IP 協定跟藍芽協定算是兩種比較主要的方式。有線網路跟 WiFi 無線網路使用 TCP/IP 協定，而藍芽當然就是使用藍芽協定。兩者各有優缺點，不過最主要的差別之一在於藍芽通常用於小區域的面積，大多數手機或行動裝置所使用的 Class 2 範圍限制在 10 公尺之內。而使用 TCP/IP 協定的有線網路或 WiFi 無線網路範圍都遠大於 10 公尺。TCP/IP 協定透過所謂的路由技術，甚至可以直接連結全世界各地的電腦設備。事實上，我們目前所使用的網際網路就是架構在 TCP/IP 協定之上。

雖然 TCP/IP 協定擁有很強大的功能，但是在 TCP/IP 協定的世界中，兩個設備想要順利地溝通往往還需要其他額外的設備，像是 IP 分享器、交換器、路由器等。藍芽相對來說就簡單多了，只要兩個設備都支援藍芽就可以直接進行連線。為了因應物聯網的快速成長，新版的藍芽協定也可以支援 TCP/IP 協定直接連網，不過使用的是 IPv6，而且並不是所有的藍芽裝置都已經支援新版的功能。總結來說，不管是硬體或軟體的方便性，都使得藍芽在小範圍的應用上不失為一個好選擇，而且目前對大多數的裝置來說，藍芽也僅適用於小範圍內的兩個設備之間的連結。

設備配對

在兩個設備利用藍芽進行溝通之前，必須先經過所謂的配對，也就是我們需要將用來控制 Raspberry Pi 的 Android 手機與被控制的 Raspberry Pi 進行配對。

因為每種手機的介面不太一樣，所以在手機部分須根據實際狀況稍作調整。

手機端開啟: “設定” -> “藍芽”。如果藍芽功能尚未開啟，請記得在此一併開啟。
Raspberry Pi 端: 藍芽 -> “Add Device” (新增設備)。
Raspberry Pi 新增藍芽配對
Raspberry Pi 端: 畫面上會出現手機的名稱，選取後按下 “Pair” (配對)。
Raspberry Pi 藍芽設備清單
Raspberry Pi 端: 畫面上出現需至手機進行確認的提示訊息。
Raspberry Pi 藍芽設備配對提醒訊息
手機端: 確認 Raspberry Pi 的藍芽配對請求。
手機藍芽配對確認訊息
Raspberry Pi 端: 畫面上出現配對成功的提示訊息，按下 OK 關閉訊息。
Raspberry Pi 藍芽設備配對完成訊息
Raspberry Pi 端: 確認 Raspberry Pi 已經完成與手機的配對。
Raspberry Pi 已配對藍芽設備

Python 虛擬環境設定

如果你尚未依照在 Raspberry Pi 3 Model B 建立 Python 3.6 環境的說明安裝 Python 3.6 的虛擬環境，請務必先予以正確設定再進行下列步驟。

選取 Terminal 應用程式
初始虛擬環境相關設定
Shell
source /opt/miniconda3/bin/virtualenvwrapper.sh
1
source /opt/miniconda3/bin/virtualenvwrapper.sh
回到之前建立的虛擬環境
Shell
workon rpi
1
workon rpi
安裝藍芽功能函式庫
Shell
sudo apt-get install libbluetooth-dev
1
sudo apt-get install libbluetooth-dev
修改 bluetooth 服務的啟動指令，加上相容模式的參數
Shell
sudo nano /etc/systemd/system/dbus-org.bluez.service
1
sudo nano /etc/systemd/system/dbus-org.bluez.service

將
/etc/motion/motion.conf
... ExecStart=/usr/lib/bluetooth/bluetoothd ...
1
2
3
...
ExecStart=/usr/lib/bluetooth/bluetoothd
...

改成
/etc/motion/motion.conf
... ExecStart=/usr/lib/bluetooth/bluetoothd -C ...
1
2
3
...
ExecStart=/usr/lib/bluetooth/bluetoothd -C
...
重新載入服務的設定檔
Shell
sudo systemctl daemon-reload
1
sudo systemctl daemon-reload
重新啟動 bluetooth 服務
Shell
sudo systemctl restart bluetooth
1
sudo systemctl restart bluetooth
在虛擬環境中安裝 pybluez 套件
Shell
pip install pybluez
1
pip install pybluez
確認 pybluez 套件已正確安裝
Shell
pip list
1
pip list

應可看到類似下列訊息
pip list 輸出結果
Shell
... PyBluez (0.22) ...
1
2
3
...
PyBluez (0.22)
...

主從式 (C/S) 架構

雖然 Raspberry Pi 已經與手機完成配對，但是兩者之間還沒有辦法開始進行溝通，而必須利用特定的一組程式開啟溝通的管道。這兩個分別執行在 Raspberry Pi 與手機上的程式，必須透過一定的機制才能夠順利溝通。一種很常見、也是比較單純的機制就是所謂的主從式架構。在解釋主從式架構之前，必須先釐清有兩種完全不一樣的架構-Client/Server 和 Master/Slave 架構-中文都叫作主從式架構，而我們在這裡講的是前者。Client/Server (簡寫 C/S) 架構中文翻成主從式架構其實並不是很適當，因為溝通的雙方並沒有主、從這樣的階級關係，而是主動 (Client) 、被動 (Server) 之分。

接下來我們用一張圖來看看何謂主從式 (C/S) 架構：

主從式 (C/S) 架構示意圖

雖然主從式架構讓雙方 (如銀行服務員與顧客) 可以開始進行溝通，但是實際的溝通方式與內容可就不關主從式架構的事情了。在現實生活中，人與人之間的溝通沒有辦法標準化，不過對於電腦來說標準化卻是很重要的。所以手機上的程式如何讓 Python 程式了解開啟/關閉 LED 燈泡的要求，需要在開始寫程式之前先講清楚、說明白。在這裡我們採用最簡單的方式：直接說英文。當手機應用程式”說出” on 時，Python 程式就開啟 LED 燈泡。而當手機應用程式”說出” off 時，Python 程式就要關閉 LED 燈泡。如果手機應用程式說出其他英文字句、甚至是非英文時，Python 程式就當作對方胡言亂語而不加以理會。這裡所謂的”說出”，並不是指人類的說話方式，而是把文字訊息送往另外一方的程式，如下列圖示：

手機與 Raspberry Pi 溝通示意圖

其實我們剛剛作的就是制定一個雙方用來溝通的協定，雖然很簡單，但是卻可以滿足我們目前的需要。協定沒有唯一的作法，例如我們可以用數字來取代兩個英文單字，說 “1” 表示開啟 LED 燈泡，而說 “0” 則表示關閉 LED 燈泡。事實上，對一個運作良好的系統來說，制定清楚而且有效率的協定是一件很重要的事情，甚至可以說是最重要的事情。

線路圖

Raspberry Pi 3 Model B 與 LED 燈泡

說明如下：

此線路包含一個 LED 燈泡與 1K 歐姆的限流電阻。其中 LED 陽極 (長腳) 連結至 Raspberry PI 實體編號的腳位 (BCM 編號 18)，而陰極 (短腳) 則經由限流電阻連直接至實體編號 6 之腳位 (接地)。

Raspberry Pi 端程式範例

利用文字編輯器 (如 nano) 新增 Python 程式 led_bt_server.py

nano led_bt_server.py

1	nano led_bt_server.py

內容如下

import uuid
from bluetooth import *
import RPi.GPIO as GPIO

LED_PIN = 18
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(LED_PIN, GPIO.OUT)

server_socket=BluetoothSocket(RFCOMM)
server_socket.bind(("", PORT_ANY))
server_socket.listen(1)
port = server_socket.getsockname()[1]
service_id = str(uuid.uuid4())

advertise_service(server_socket, "LEDServer",
                  service_id = service_id,
                  service_classes = [service_id, SERIAL_PORT_CLASS],
                  profiles = [SERIAL_PORT_PROFILE])

try:
    print('按下 Ctrl-C 可停止程式')
    while True:
        print('等待 RFCOMM 頻道 {} 的連線'.format(port))
        client_socket, client_info = server_socket.accept()
        print('接受來自 {} 的連線'.format(client_info))
        try:
            while True:
                data = client_socket.recv(1024).decode().lower()
                if len(data) == 0:
                    break
                if data == 'on':
                    GPIO.output(LED_PIN, GPIO.HIGH)
                    print('開燈')
                elif data == 'off':
                    GPIO.output(LED_PIN, GPIO.LOW)
                    print('關燈')
                else:
                    print('未知的指令: {}'.format(data))
        except IOError:
            pass
        client_socket.close()
        print('中斷連線')
except KeyboardInterrupt:
    print('中斷程式')
finally:
    if 'client_socket' in vars():
        client_socket.close()
    server_socket.close()
    GPIO.cleanup()
    print('中斷連線')

import uuid

from bluetooth import *

import RPi.GPIO as GPIO

LED_PIN = 18

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

GPIO.setup(LED_PIN, GPIO.OUT)

server_socket=BluetoothSocket(RFCOMM)

server_socket.bind(("", PORT_ANY))

server_socket.listen(1)

port = server_socket.getsockname()[1]

service_id = str(uuid.uuid4())

advertise_service(server_socket, "LEDServer",

service_id = service_id,

service_classes = [service_id, SERIAL_PORT_CLASS],

profiles = [SERIAL_PORT_PROFILE])

try:

print('按下 Ctrl-C 可停止程式')

while True:

print('等待 RFCOMM 頻道 {} 的連線'.format(port))

client_socket, client_info = server_socket.accept()

print('接受來自 {} 的連線'.format(client_info))

try:

while True:

data = client_socket.recv(1024).decode().lower()

if len(data) == 0:

break

if data == 'on':

GPIO.output(LED_PIN, GPIO.HIGH)

print('開燈')

elif data == 'off':

GPIO.output(LED_PIN, GPIO.LOW)

print('關燈')

else:

print('未知的指令: {}'.format(data))

except IOError:

pass

client_socket.close()

print('中斷連線')

except KeyboardInterrupt:

print('中斷程式')

finally:

if 'client_socket' in vars():

client_socket.close()

server_socket.close()

GPIO.cleanup()

print('中斷連線')

說明如下:

第 2 行指令引入剛剛安裝的 bluetooth 套件，程式將利用這個套件開發藍芽的相關功能。
第 3 行指令引入 RPi.GPIO 套件，程式將使用這個套件來控制 LED 燈泡。
第 5 行指令定義 LED 正極 (長腳) 所接腳位之 BCM 編號 18，其實體編號為 12。
第 6 行指令指定使用 BCM 編號方式。
第 7 行指令將 LED 燈泡控制腳位指定為輸出模式。
第 9-11 行指令定義藍芽功能所需的控制物件，之後完成綁定 (bind) 並開始接受其他程式的連線 (listen)。
第 12 行指令取得程式所綁定的埠號，後面會用到。
第 13 行指令產生一個唯一識別碼 UUID，後面會用到。
第 15 行指令宣告藍芽服務，此處會用到第 12、13 行指令所指定的變數內容。
第 22~42 行透過無限迴圈不斷地接受手機程式進行連線。僅管如此，一次只有一個手機程式可以連上，也就是同一時間只有一個手機可以控制 LED 燈泡。
第 24 行指令會暫停程式的運作，直到有手機程式進行連結。
第 27~38 行指令不斷地接受來自手機應用程式的指令，並根據指令作出反應。這個程式僅支援兩個指令，on 表示開啟 LED 燈泡，而 off 則表示關閉 LED 燈泡，也就是分別將 LED 控制腳位設定為高電位或低電位。
第 46~49 行指令確保當我們使用 Ctrl-C 中斷程式後，藍芽連線可以正常中斷，而且程式所使用的 GPIO 腳位會回復到預設狀態。

此程式需要管理者的權限才能正常執行，程式完成後，需要輸入下列指令執行程式

sudo su
source /opt/miniconda3/bin/virtualenvwrapper.sh
export WORKON_HOME=/home/pi/.virtualenvs
workon rpi
python led_bt_server.py

sudo su

source /opt/miniconda3/bin/virtualenvwrapper.sh

export WORKON_HOME=/home/pi/.virtualenvs

workon rpi

python led_bt_server.py

手機端程式範例

在手機端程式部分，我採用 App Inventor 2 進行開發。
App Inventor 2 為圖形化的開發環境，以下分別是組件設計與邏輯設計的畫面：

LED BTClient AI2 組件設計

LED BTClient AI2 邏輯設計

你也可選擇下載 App Inventor 2 的專案檔，甚至是直接下載安裝檔。

執行手機端應用程式後，可以看到下列的畫面：

手機 LED 控制程式主畫面

按下 “建立連線”後，會出現已經配對過的藍芽設備清單，選取 Raspberry Pi 後應該就可以順利連上我們之前所執行的 Python 程式了：

手機 LED 控制程式選擇藍芽設備畫面

連上後我們就可以利用”開啟 LED” 跟”關閉 LED” 兩個按鈕來控制 LED 燈泡的發光與熄滅了。

透過藍芽機制，我們可以使用手機上的應用程式遠端控制 Raspberry Pi 的 LED 燈泡。雖然本次範例是以 Android 手機為主，不過只要是支援藍芽的手機、甚至是其他設備，其實也都可以達成相同的應用。在這個範例中，僅使用畫面上的按鈕來控制 LED 燈泡的開啟與關閉，但是如果加上語音辨識的功能，可就是一個酷上加酷的語音控制 LED 燈泡了。

如果對文章的內容有任何疑問或建議，歡迎與我聯絡。

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利用手機藍芽功能控制 Raspberry Pi 3 Model B 上的 LED

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在這次的範例中，我們將透過 Android 手機上的應用程式與藍芽機制來控制連結在 Raspberry Pi GPIO 上的 LED 燈泡。這個範例總共會有兩個程式代碼，第一個是手機端的應用程式 (App)，另外一個則是 Raspberry Pi 的 Python 程式，可用來接受手機應用程式的指令，並根據指令開啟或關閉 LED 燈泡。

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cyrilwang

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