[PC-98][ESP32] Bluetooth(BLE HID)マウス・キーボードをESP32でPC-98につなげる②

[PC-98][ESP32] Bluetooth(BLE HID)マウス・キーボードをESP32でPC-98につなげる①

🕒️2024年4月18日

BLE(HID)機器をEPS32に接続する色々なキーボード、マウスをPC-98に接続しようという企画(？)も終盤です。PS/2、USBは何となく出来上がりました。残りはBluetoothになります。やる気になった理由は EPS32にはBluetooth(Classic・BLE)がサポートされてる USBHostSheildが不要 USBの時に作ったガジェットをそのまま流用できるまぁ、1,2は後付け理由ですw。一番大きいのは3ですね！もうコテ握ってMiniDinを結線するのは老眼(初期と信じてる)にはつらい…。やりたくない。歯科拡大鏡が必要なレベル。Bluetoothには3.0までのBluetooth Clas...

前回の記事の続きとなります。Githubは以下です

GitHub

GitHub - maru-dinagon/BLEto98KbMouse: Connect BLE keyboard and mouse to PC-98...

https://github.com/maru-dinagon/BLEto98KbMouse

Connect BLE keyboard and mouse to PC-98 using ESP32 - maru-dinagon/BLEto98KbMouse

キャラクタリスティックのNotify属性のコールバック処理

株式会社ムセンコネクト

【サルでもわかるBLE入門】（２）アドバタイズとGATT通信 | 株式会社ムセンコネクト

https://www.musen-connect.co.jp/blog/course/trial-production/ble-beginner-2/

こんにちは。ムセンコネクト三浦です。今回も「サルでもわかるBLE入門」と銘打ってお話していこうと思います。BLE初心者の方でも理解をしてもらえるように、できるだけわかりやすく解説していきます。第2回の今回はBLEの『

上のサイトで解説されている通り、キャラクタリスティックには属性があります。属性というと「？」って感じなんですが、通知と表現するとNotifyと被るので属性と表現されます。感覚としては通知みたいなもんです。

Read
Write
Notify
Indicate

があります(他にもあるかも)。Read,Writeは読み書きする属性、Notify,Indicateはなんらかの通知の属性です。NotifyとIndicateの違いは接続[ESP32]からの応答を要求するのがIndicate、しないのがNotifyとのことです。HIDサービスでキーコードやマウスの移動などの情報はNotifyで通知されてきます。つまりはNotifyを受けった際にコールバック処理をしてデータをマウス・キーボードパーサーに送ればよいのです。

NimBLEのサンプルスケッチでは

GitHub

NimBLE-Arduino/examples/NimBLE_Client/NimBLE_Client.ino at master · h2zero/Ni...

https://github.com/h2zero/NimBLE-Arduino/blob/master/examples/NimBLE_Client/NimBLE_Client.ino

A fork of the NimBLE library structured for compilation with Arduino, for use with ESP32, nRF5x. - h2zero/NimBLE-Arduino

上のライブラリのサンプルでは”DEAD”サービスの”BEEF”キャラクタリスティックからのNotifyを受け取ったときにコールバック処理をしています。このコードでは汎用性が悪く、Moke Nakamuraさんのサイトで、その点を修正した解説とコードが掲載されています。とてもありがたいです。

Qiita

NimBLEでESP32(M5StickC)にBLEデバイスを接続する(複数デバイス対応) - Qiita

https://qiita.com/coppercele/items/4ce0e8858a92410c81e3

ESP32のBLEはNimBLEに切り替わっていくらしい(ESP-IDF4にも同梱された)という話を聞いたので試してみましたここではM5StickCを使っていますがESP32が載っていれば何でも使…

複数のキャラクタリスティックにNotifyのコールバックを登録できるようになっています。これを用いていきます。

//クライアントのプロビジョニングを処理とサーバーとの接続/インターフェースを行う。
bool connectToServer() {
    NimBLEClient* pClient = nullptr;

    //再利用できるクライアントの検索
    if(NimBLEDevice::getClientListSize()) {
        pClient = NimBLEDevice::getClientByPeerAddress(advDevice->getAddress());
        if(pClient){
          //このデバイスをすでに知っている場合は、connect()の第2引数にfalseセットすることで
          //サービスデータベースを更新しないようにする。これにより、かなりの時間と電力を節約できる
          if(!pClient->connect(advDevice, false)) {
              Serial.println("Reconnect failed");
              return false;
          }
          Serial.println("Reconnected client");
        }else {
          //このデバイスを知っているクライアントがまだない場合、使用できる切断中のクライアントを調べる
          pClient = NimBLEDevice::getDisconnectedClient();
        }
    }

    //再利用するクライアントがない場合、新しいクライアントを作成する
    if(!pClient) {
        if(NimBLEDevice::getClientListSize() >= NIMBLE_MAX_CONNECTIONS) {
            Serial.println("Max clients reached - no more connections available");
            return false;
        }

        pClient = NimBLEDevice::createClient();

        Serial.println("New client created");

        pClient->setClientCallbacks(&clientCB, false);
        
        //初期接続パラメータの設定： これらの設定は、15ms間隔、0ms待ち時間、120msタイムアウト
        //これらの設定は、3クライアントが確実に接続できる安全な設定です。タイムアウトはインターバルの倍数で、最小は100ms
        //最小間隔：12 * 1.25ms = 15ms、最大間隔：12 * 1.25ms = 15ms、待ち時間 0ms、タイムアウト51 * 10ms = 510ms
        pClient->setConnectionParams(12,12,0,51);

        //接続が完了するまでの待機時間（秒）を設定。デフォルトは30。
        pClient->setConnectTimeout(5);


        if (!pClient->connect(advDevice)) {
            //クライアントを作成したが、接続に失敗
            NimBLEDevice::deleteClient(pClient);
            Serial.println("Failed to connect, deleted client");
            return false;
        }
    }

    if(!pClient->isConnected()) {
        if (!pClient->connect(advDevice)) {
            Serial.println("Failed to connect");
            return false;
        }
    }

    //接続完了
    Serial.print("Connected to: ");
    Serial.println(pClient->getPeerAddress().toString().c_str());
    Serial.print("RSSI: ");
    Serial.println(pClient->getRssi());


    NimBLERemoteService *pSvc = nullptr;
    
    //複数扱うためにvectorを使う
    std::vector<NimBLERemoteCharacteristic*> *pChrs = nullptr;
    NimBLERemoteDescriptor *pDsc = nullptr;

    //HIDサービスを取得する
    pSvc = pClient->getService(serviceUUID);
    if (pSvc) { 
      //Serial.println("pSvc : HIDサービス取得成功");
      // 複数のCharacterisiticsを取得(リフレッシュtrue)
      pChrs = pSvc->getCharacteristics(true);
    }else{
      //Serial.println("pSvc : HIDサービス取得失敗");
    }

    if (pChrs) {
      //Serial.println("pChrs : Characterisitics取得成功");
      // 複数のReport Characterisiticsの中からNotify属性を持っているものをCallbackに登録する
      for (int i = 0; i < pChrs->size(); i++) {

        // Read Write処理部は省略

        //registerForNotify()は非推奨となり、subscribe()/unsubscribe()に置き換えられた
        // Subscribeパラメータのデフォルトは、notifications=true、notifyCallback=nullptr、response=false
        //接続機器からのcharacteristic変更を通知する属性はNotifyとIndicateのみでコールバックを登録する
        
        //Notify属性
        if (pChrs->at(i)->canNotify()) {
          //Serial.printf("SetNotify UUID: %s\n",pChrs->at(i)->getUUID().toString().c_str());
          //if (!pChrs->at(i)->registerForNotify(notifyCB)) {
          if(!pChrs->at(i)->subscribe(true, notifyCB,true)) {
            //コールバック登録(サブスクライブ)失敗した場合は切断する
            pClient->disconnect();
            return false;
          }
        } else
        //Indicate属性(Noitfyとの違いは接続元[ESP32]からの応答を要求する)
        if (pChrs->at(i)->canIndicate()) {
          if(!pChrs->at(i)->subscribe(false, notifyCB,true)) {
            pClient->disconnect();
            return false;
          }        
        }
      }
    }else{
      //Serial.println("pChrs : Characterisitics取得失敗");
    }

    Serial.println("Done with this device!");
    return true;

}

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//クライアントのプロビジョニングを処理とサーバーとの接続/インターフェースを行う。

bool connectToServer() {

NimBLEClient* pClient = nullptr;

//再利用できるクライアントの検索

if(NimBLEDevice::getClientListSize()) {

pClient = NimBLEDevice::getClientByPeerAddress(advDevice->getAddress());

if(pClient){

//このデバイスをすでに知っている場合は、connect()の第2引数にfalseセットすることで

//サービスデータベースを更新しないようにする。これにより、かなりの時間と電力を節約できる

if(!pClient->connect(advDevice, false)) {

Serial.println("Reconnect failed");

return false;

}

Serial.println("Reconnected client");

}else {

//このデバイスを知っているクライアントがまだない場合、使用できる切断中のクライアントを調べる

pClient = NimBLEDevice::getDisconnectedClient();

}

//再利用するクライアントがない場合、新しいクライアントを作成する

if(!pClient) {

if(NimBLEDevice::getClientListSize() >= NIMBLE_MAX_CONNECTIONS) {

Serial.println("Max clients reached - no more connections available");

return false;

}

pClient = NimBLEDevice::createClient();

Serial.println("New client created");

pClient->setClientCallbacks(&clientCB, false);

//初期接続パラメータの設定：これらの設定は、15ms間隔、0ms待ち時間、120msタイムアウト

//これらの設定は、3クライアントが確実に接続できる安全な設定です。タイムアウトはインターバルの倍数で、最小は100ms

//最小間隔：12 * 1.25ms = 15ms、最大間隔：12 * 1.25ms = 15ms、待ち時間 0ms、タイムアウト51 * 10ms = 510ms

pClient->setConnectionParams(12,12,0,51);

//接続が完了するまでの待機時間（秒）を設定。デフォルトは30。

pClient->setConnectTimeout(5);

if (!pClient->connect(advDevice)) {

//クライアントを作成したが、接続に失敗

NimBLEDevice::deleteClient(pClient);

Serial.println("Failed to connect, deleted client");

return false;

}

if(!pClient->isConnected()) {

if (!pClient->connect(advDevice)) {

Serial.println("Failed to connect");

return false;

}

//接続完了

Serial.print("Connected to: ");

Serial.println(pClient->getPeerAddress().toString().c_str());

Serial.print("RSSI: ");

Serial.println(pClient->getRssi());

NimBLERemoteService *pSvc = nullptr;

//複数扱うためにvectorを使う

std::vector<NimBLERemoteCharacteristic*> *pChrs = nullptr;

NimBLERemoteDescriptor *pDsc = nullptr;

//HIDサービスを取得する

pSvc = pClient->getService(serviceUUID);

if (pSvc) {

//Serial.println("pSvc : HIDサービス取得成功");

// 複数のCharacterisiticsを取得(リフレッシュtrue)

pChrs = pSvc->getCharacteristics(true);

}else{

//Serial.println("pSvc : HIDサービス取得失敗");

}

if (pChrs) {

//Serial.println("pChrs : Characterisitics取得成功");

// 複数のReport Characterisiticsの中からNotify属性を持っているものをCallbackに登録する

for (int i = 0; i < pChrs->size(); i++) {

// Read Write処理部は省略

//registerForNotify()は非推奨となり、subscribe()/unsubscribe()に置き換えられた

// Subscribeパラメータのデフォルトは、notifications=true、notifyCallback=nullptr、response=false

//接続機器からのcharacteristic変更を通知する属性はNotifyとIndicateのみでコールバックを登録する

//Notify属性

if (pChrs->at(i)->canNotify()) {

//Serial.printf("SetNotify UUID: %s\n",pChrs->at(i)->getUUID().toString().c_str());

//if (!pChrs->at(i)->registerForNotify(notifyCB)) {

if(!pChrs->at(i)->subscribe(true, notifyCB,true)) {

//コールバック登録(サブスクライブ)失敗した場合は切断する

pClient->disconnect();

return false;

}

} else

//Indicate属性(Noitfyとの違いは接続元[ESP32]からの応答を要求する)

if (pChrs->at(i)->canIndicate()) {

if(!pChrs->at(i)->subscribe(false, notifyCB,true)) {

pClient->disconnect();

return false;

}

}else{

//Serial.println("pChrs : Characterisitics取得失敗");

}

Serial.println("Done with this device!");

return true;

}

ちょっと変更したのが、registerForNotifyがdeprecatedになってsubscribeになった点です。

h2zero.github.io

NimBLE-Arduino: NimBLERemoteCharacteristic Class Reference

https://h2zero.github.io/NimBLE-Arduino/class_nim_b_l_e_remote_characteristic.html#aa08b2f62376568e1fc833e4ff91e8aa7

Notifyの場合はnotifications = trueにして、Indicateの場合はfalseにします。第三引数のresponseはNotifyの場合はfalseかなと思ったんですが、デフォルトのfalseではコールバックが呼ばれないのでtrueとしています。このへんは調べましたがわからずじまいでした。IndicateでもNotifyでもtureを指定しています。

コールバックの本体(NotifyCB)です

//通知(Notify)／表示(Indicate)の受信時コールバック
void notifyCB(NimBLERemoteCharacteristic* pRemoteCharacteristic, uint8_t* pData, size_t length, bool isNotify){

#ifdef NOTIFY_DEBUG
  //ここでは文字列処理・ログ出力などの重い処理は遅延の原因となるため注意
    std::string str = (isNotify == true) ? "Notification" : "Indication";
    str += " from ";
    // NimBLEAddress and NimBLEUUID have std::string operators
    str += std::string(pRemoteCharacteristic->getRemoteService()->getClient()->getPeerAddress());
    str += ": Service = " + std::string(pRemoteCharacteristic->getRemoteService()->getUUID());
    str += ", Characteristic = " + std::string(pRemoteCharacteristic->getUUID());
    char st[20];
    sprintf(st, ",length = %zd",length);
    str += std::string(st);
    //str += ", Value = " + std::string((char*)pData, length);
    
    //Hex出力
    std::string buf = "";
    for(int i=0; i< length ; i++){
      sprintf(st,"%02x ",pData[i]);
      buf += std::string(st);   
    }
    str += ", Value = " + buf;
    Serial.println(str.c_str());
#endif

    //Notifyのキャラクテリスティクを処理
    if(pRemoteCharacteristic->getUUID().equals(charUUID)){
      
      //マウスからの通知
      if(pRemoteCharacteristic->getRemoteService()->getClient()->getPeerAddress().equals(Mouse_Ad)){
        mouse_rpt_parser.Parse(length,pData);
        return;
      }

      //キーボードからの通知
      if(pRemoteCharacteristic->getRemoteService()->getClient()->getPeerAddress().equals(Kb_Ad)){
        kb_rpt_parser.Parse(length,pData);
        return;
      }
    }
}

//通知(Notify)／表示(Indicate)の受信時コールバック

void notifyCB(NimBLERemoteCharacteristic* pRemoteCharacteristic, uint8_t* pData, size_t length, bool isNotify){

#ifdef NOTIFY_DEBUG

//ここでは文字列処理・ログ出力などの重い処理は遅延の原因となるため注意

std::string str = (isNotify == true) ? "Notification" : "Indication";

str += " from ";

// NimBLEAddress and NimBLEUUID have std::string operators

str += std::string(pRemoteCharacteristic->getRemoteService()->getClient()->getPeerAddress());

str += ": Service = " + std::string(pRemoteCharacteristic->getRemoteService()->getUUID());

str += ", Characteristic = " + std::string(pRemoteCharacteristic->getUUID());

char st[20];

sprintf(st, ",length = %zd",length);

str += std::string(st);

//str += ", Value = " + std::string((char*)pData, length);

//Hex出力

std::string buf = "";

for(int i=0; i< length ; i++){

sprintf(st,"%02x ",pData[i]);

buf += std::string(st);

}

str += ", Value = " + buf;

Serial.println(str.c_str());

#endif

//Notifyのキャラクテリスティクを処理

if(pRemoteCharacteristic->getUUID().equals(charUUID)){

//マウスからの通知

if(pRemoteCharacteristic->getRemoteService()->getClient()->getPeerAddress().equals(Mouse_Ad)){

mouse_rpt_parser.Parse(length,pData);

return;

}

//キーボードからの通知

if(pRemoteCharacteristic->getRemoteService()->getClient()->getPeerAddress().equals(Kb_Ad)){

kb_rpt_parser.Parse(length,pData);

return;

}

Notifyを受信したら、マウス/キーボードのパーサーにデータを渡すだけです。注意点はマウスの通知は更新が激しいので通知が半端なく来ます。ログ出力、文字列比較などの重い文字列処理をしてしまうと処理が追い付かなくなり、マウスがドリフトしてしまいます。当初デバイスのMacアドレス比較を文字列比較で行って激重になって原因追及に時間を取られてしまいました。デバック以外は軽い処理のみにすべきです。パーサーもその点考えて実装すべきです。僕は気づいた時には実装後でしたw。

データ解析とPC-98とのやりとりは各種パーサーが担当します。記事を改めます。

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