M5StackでBluetooth® LE通信を実現するまでの手順メモ③ペリフェラル通信編

2025年7月30日

こんにちは、ムセンコネクトCCOの伊藤です。（プロフィール紹介はこちら）

「M5StackでBluetooth® LE通信を実現するまでの手順メモ」の第3回目です。今回は「ペリフェラル通信編」です。

ご注意ください

M5Stack自体はBluetooth認証を取得していないため、M5Stackで開発した最終製品のBluetooth認証取得は困難な場合があります。M5Stackを用いた製品化をご検討の際は、この点に十分ご注意ください。

M5Stackの公式サイトで製品を検索しても「Bluetooth」というキーワードでは見つからない

ペリフェラル動作を試す

前回、非接続でデータをブロードキャストするブロードキャスターにチャレンジしました。

プロンプト指示

前回のビーコン発信のときより、もう少し機能を明確にして以下のプロンプトを入力しました。

双方向データ通信（GATT通信）の仕様をイチから考えるのは大変なので、今回はNordic Semiconductor社が提唱するカスタムサービスであるNordic UART Service (NUS) を利用します。また、PCとM5Stackは仮想COMポートをつかって通信することにします。

手元に M5Stack Gray Core V1.0がある。
以下の条件のプログラムコードを提示してほしい。

開発環境
Arduino IDE

目的
Bluetooth LEのGATT通信を行うペリフェラル機器を作る

機能
アドバタイズ
タイプは接続型（ADV_IND）とする
周期は100msとする
Complete Local Nameを設定する（"M5Stack NUS")

GATT通信
Nordic UART Service(NUS)をサポートする
Tx Characteristicをサポートする
Rx Characteristicをサポートする

Serial通信
仮想COMポートを利用して、上記GATT通信を経由してASCII文字列の送受信ができる

M5Stackのディスプレイやそのほか機能は一切使わないものとする。

生成されたArduinoスケッチ（プログラムコード）は以下のとおりです。

#include <BLEDevice.h>
#include <BLEServer.h>
#include <BLEUtils.h>
#include <BLE2902.h>

// Nordic UART Service (NUS) のためのUUID定義
#define SERVICE_UUID           "6E400001-B5A3-F393-E0A9-E50E24DCCA9E"
#define CHARACTERISTIC_UUID_RX "6E400002-B5A3-F393-E0A9-E50E24DCCA9E" // M5Stackが受信する側 (Central -> Peripheral)
#define CHARACTERISTIC_UUID_TX "6E400003-B5A3-F393-E0A9-E50E24DCCA9E" // M5Stackが送信する側 (Peripheral -> Central)

// グローバル変数
BLECharacteristic *pTxCharacteristic;
bool deviceConnected = false;
bool oldDeviceConnected = false;

// BLEサーバーのイベントコールバック
class MyServerCallbacks: public BLEServerCallbacks {
    void onConnect(BLEServer* pServer) {
      deviceConnected = true;
      Serial.println(">>> Central device connected <<<");
    }

    void onDisconnect(BLEServer* pServer) {
      deviceConnected = false;
      Serial.println("--- Central device disconnected ---");
    }
};

// M5Stackがデータを受信した時 (Rx Characteristicへの書き込み時) のコールバック
class MyCallbacks: public BLECharacteristicCallbacks {
    void onWrite(BLECharacteristic *pCharacteristic) {
      std::string rxValue = pCharacteristic->getValue();

      if (rxValue.length() > 0) {
        // 受信したデータを仮想COMポート (Serial) に出力
        Serial.print("Received from BLE: ");
        Serial.println(rxValue.c_str());
      }
    }
};


void setup() {
  // 仮想COMポート (シリアル通信) を初期化
  Serial.begin(115200);
  Serial.println("Starting BLE Server for Nordic UART Service (NUS)...");

  // BLEデバイスを初期化し、アドバタイズ名を設定
  BLEDevice::init("M5Stack NUS");

  // GATTサーバーを作成
  BLEServer *pServer = BLEDevice::createServer();
  pServer->setCallbacks(new MyServerCallbacks());

  // Nordic UART Service (NUS) を作成
  BLEService *pService = pServer->createService(SERVICE_UUID);

  // TX Characteristic (M5Stack -> Central) を作成
  // Property: Notify (Centralに値を通知する)
  pTxCharacteristic = pService->createCharacteristic(
                      CHARACTERISTIC_UUID_TX,
                      BLECharacteristic::PROPERTY_NOTIFY
                    );
  // Notifyを有効にするためのDescriptor(0x2902)を追加
  pTxCharacteristic->addDescriptor(new BLE2902());

  // RX Characteristic (Central -> M5Stack) を作成
  // Property: Write (Centralから書き込みを受け付ける)
  BLECharacteristic *pRxCharacteristic = pService->createCharacteristic(
                                           CHARACTERISTIC_UUID_RX,
                                           BLECharacteristic::PROPERTY_WRITE
                                         );
  // Centralから書き込みがあった際のコールバックを設定
  pRxCharacteristic->setCallbacks(new MyCallbacks());

  // サービスを開始
  pService->start();

  // アドバタイジングの設定
  BLEAdvertising *pAdvertising = BLEDevice::getAdvertising();
  pAdvertising->addServiceUUID(SERVICE_UUID); // アドバタイズパケットにサービスUUIDを含める
  pAdvertising->setScanResponse(true);
  pAdvertising->setMinPreferred(0x0); // iOSとの接続のために推奨される設定
  
  // アドバタイジング周期の設定 (100ms)
  // 値は0.625ms単位で指定する。 100ms / 0.625ms = 160
  uint16_t advInterval = 160;
  pAdvertising->setMinInterval(advInterval);
  pAdvertising->setMaxInterval(advInterval);

  // アドバタイジングを開始
  BLEDevice::startAdvertising();
  Serial.println("Waiting for a client connection...");
}

void loop() {
  // Centralとの接続/切断状態が変化した場合にメッセージを表示
  if (deviceConnected && !oldDeviceConnected) {
    oldDeviceConnected = deviceConnected;
  }
  if (!deviceConnected && oldDeviceConnected) {
      oldDeviceConnected = deviceConnected;
      Serial.println("Advertising restarted. Waiting for a client connection...");
      // 切断されたらアドバタイジングを再開する
      BLEDevice::startAdvertising(); 
  }

  // Centralと接続中、かつ仮想COMポートからデータが送信された場合
  if (deviceConnected) {
    if (Serial.available()) {
      // 仮想COMポートからの文字列を読み取り、BLE経由で送信
      String txString = Serial.readStringUntil('\n');
      pTxCharacteristic->setValue(txString.c_str());
      pTxCharacteristic->notify(); // Centralに値を通知
      Serial.print("Sent via BLE: ");
      Serial.println(txString);
    }
  }
  
  // CPUを少し休ませる
  delay(10);
}

書き込みをしようとすると、エラーが出ました。ESP32のBLEライブラリが返す値と、それを格納する変数の型が一致していないようです。

C:\Users\genki.ito\Documents\Arduino\sketch_peripheral_nus_ai_generated_gemini2.5pro\sketch_peripheral_nus_ai_generated_gemini2.5pro.ino: In member function 'virtual void MyCallbacks::onWrite(BLECharacteristic*)':
C:\Users\genki.ito\Documents\Arduino\sketch_peripheral_nus_ai_generated_gemini2.5pro\sketch_peripheral_nus_ai_generated_gemini2.5pro.ino:32:54: error: conversion from 'String' to non-scalar type 'std::string' {aka 'std::__cxx11::basic_string<char>'} requested
   32 |       std::string rxValue = pCharacteristic->getValue();
      |                             ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~^~
exit status 1

Compilation error: conversion from 'String' to non-scalar type 'std::string' {aka 'std::__cxx11::basic_string<char>'} requested

このエラー自体をAIにプロンプトとして与えてみると、型変換について修正したコードが提示されました。

修正点もまとめてくれていて、かつコード上に修正箇所がわかるよう目印をつけてくれていますね。ビーコン発信の際に私が★で目印をつけたのと同じように記載していて驚きました！私の行動を学習しているのかもしれませんね。

修正されたコードは以下のとおりです。

#include <BLEDevice.h>
#include <BLEServer.h>
#include <BLEUtils.h>
#include <BLE2902.h>

// Nordic UART Service (NUS) のためのUUID定義
#define SERVICE_UUID           "6E400001-B5A3-F393-E0A9-E50E24DCCA9E"
#define CHARACTERISTIC_UUID_RX "6E400002-B5A3-F393-E0A9-E50E24DCCA9E" // M5Stackが受信する側 (Central -> Peripheral)
#define CHARACTERISTIC_UUID_TX "6E400003-B5A3-F393-E0A9-E50E24DCCA9E" // M5Stackが送信する側 (Peripheral -> Central)

// グローバル変数
BLECharacteristic *pTxCharacteristic;
bool deviceConnected = false;
bool oldDeviceConnected = false;

// BLEサーバーのイベントコールバック
class MyServerCallbacks: public BLEServerCallbacks {
    void onConnect(BLEServer* pServer) {
      deviceConnected = true;
      Serial.println(">>> Central device connected <<<");
    }

    void onDisconnect(BLEServer* pServer) {
      deviceConnected = false;
      Serial.println("--- Central device disconnected ---");
    }
};

// M5Stackがデータを受信した時 (Rx Characteristicへの書き込み時) のコールバック
class MyCallbacks: public BLECharacteristicCallbacks {
    void onWrite(BLECharacteristic *pCharacteristic) {
      // ★★★ 修正点1: 値をArduinoのStringオブジェクトとして受け取る ★★★
      // .c_str()を経由することで、ライブラリのバージョン差異による型問題を吸収します。
      String rxValue = pCharacteristic->getValue().c_str();

      if (rxValue.length() > 0) {
        // 受信したデータを仮想COMポート (Serial) に出力
        Serial.print("Received from BLE: ");
        // ★★★ 修正点2: Stringオブジェクトを直接printlnに渡す ★★★
        Serial.println(rxValue);
      }
    }
};


void setup() {
  // 仮想COMポート (シリアル通信) を初期化
  Serial.begin(115200);
  Serial.println("Starting BLE Server for Nordic UART Service (NUS)...");

  // BLEデバイスを初期化し、アドバタイズ名を設定
  BLEDevice::init("M5Stack NUS");

  // GATTサーバーを作成
  BLEServer *pServer = BLEDevice::createServer();
  pServer->setCallbacks(new MyServerCallbacks());

  // Nordic UART Service (NUS) を作成
  BLEService *pService = pServer->createService(SERVICE_UUID);

  // TX Characteristic (M5Stack -> Central) を作成
  // Property: Notify (Centralに値を通知する)
  pTxCharacteristic = pService->createCharacteristic(
                      CHARACTERISTIC_UUID_TX,
                      BLECharacteristic::PROPERTY_NOTIFY
                    );
  // Notifyを有効にするためのDescriptor(0x2902)を追加
  pTxCharacteristic->addDescriptor(new BLE2902());

  // RX Characteristic (Central -> M5Stack) を作成
  // Property: Write (Centralから書き込みを受け付ける)
  BLECharacteristic *pRxCharacteristic = pService->createCharacteristic(
                                           CHARACTERISTIC_UUID_RX,
                                           BLECharacteristic::PROPERTY_WRITE
                                         );
  // Centralから書き込みがあった際のコールバックを設定
  pRxCharacteristic->setCallbacks(new MyCallbacks());

  // サービスを開始
  pService->start();

  // アドバタイジングの設定
  BLEAdvertising *pAdvertising = BLEDevice::getAdvertising();
  pAdvertising->addServiceUUID(SERVICE_UUID); // アドバタイズパケットにサービスUUIDを含める
  pAdvertising->setScanResponse(true);
  pAdvertising->setMinPreferred(0x0); // iOSとの接続のために推奨される設定
  
  // アドバタイジング周期の設定 (100ms)
  // 値は0.625ms単位で指定する。 100ms / 0.625ms = 160
  uint16_t advInterval = 160;
  pAdvertising->setMinInterval(advInterval);
  pAdvertising->setMaxInterval(advInterval);

  // アドバタイジングを開始
  BLEDevice::startAdvertising();
  Serial.println("Waiting for a client connection...");
}

void loop() {
  // Centralとの接続/切断状態が変化した場合にメッセージを表示
  if (deviceConnected && !oldDeviceConnected) {
    oldDeviceConnected = deviceConnected;
  }
  if (!deviceConnected && oldDeviceConnected) {
      oldDeviceConnected = deviceConnected;
      Serial.println("Advertising restarted. Waiting for a client connection...");
      // 切断されたらアドバタイジングを再開する
      BLEDevice::startAdvertising(); 
  }

  // Centralと接続中、かつ仮想COMポートからデータが送信された場合
  if (deviceConnected) {
    if (Serial.available()) {
      // 仮想COMポートからの文字列を読み取り、BLE経由で送信
      String txString = Serial.readStringUntil('\n');
      pTxCharacteristic->setValue(txString.c_str());
      pTxCharacteristic->notify(); // Centralに値を通知
      Serial.print("Sent via BLE: ");
      Serial.println(txString);
    }
  }
  
  // CPUを少し休ませる
  delay(10);
}

コンパイルが通って、M5Stack Grayに書き込みが成功しました。さっそく、ペリフェラルとして接続・双方向データ通信ができるのか動作の確認をしてみます。

前回同様、確認用のアプリケーションとしてnRF Connect for Mobileを使用します。セントラルの役割をしてもらいます。今回、GATT通信としてNordic UART Service(NUS)を採用したのは、nRF Connect for Mobileと相性が良いからです。

Google Play

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App Store

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