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ArduinoUNO+USBHostShield+Bluetoothドングルで、iPadにつながるインプットデバイスを作る
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ArduinoUNO+USBHostShield+Bluetoothドングルで、iPadにつながるインプットデバイスを作る

概要

iPadはBluetooth経由でキーボードを接続できるようになっています。その機能を使ってArduinoからiPadへ文字を入力してみます。（Bluetooth 4.0 LEに対応した機種では、さらに多くの種類のデバイスに接続できるようになりました）

動作を収録した動画を撮りました。

Arduino_UNO_USBHostShield_Bluetooth_360.mp4

GithubのUSB_Host_Shield_2.0リポジトリよりフォークして、USB Host Library for ArduinoをBluetooth HIDに特化させるかたちで作成しています。 USB_Host_Shield_2.0については下記をご覧ください。

Bluetooth HIDは一般的な規格ですが、ArduinoからiPadへ文字を入力することを目的として開発したため、現時点では一部のBluetooth HID対応デバイスでしか動作しません。今後はPCなどでも使えるようになればよいなと考えています。（具体的にはSDPのServiceSearchAttributeRequestの回答を実装していません）USB_Host_Shield_2.0_BTHIDという名前で、Githubにてソースコードを公開しています。ライセンスはGPL2です。

必要なもの

  • Arduino Uno（R1を使ってテストしました）
  • SparkFun USB Host Shield DEV-09947
  • Bluetoothドングル（PLANEX社のBT-MicroEDR1Xを使ってテストしました。他のドングルも使えるかもしれません）
  • iPad（3rdモデルでテストしました）

使い方

Arduino IDE にライブラリをとりこむ

USB Host Library Rev.2.0 BTHIDは、Arduino IDEで使えるライブラリになっています。

  1. 下記URLよりライブラリをダウンロードし、解凍します。
    http://github.com/ll0s0ll/USB_Host_Shield_2.0_BTHID/archive/master.zip

  2. Arduino IDEではライブラリ名に「.」が使えませんので、「USB_Host_Shield_20_BTHID」等にフォルダ名を変更します。

  3. Arduino IDEを起動し、メニューから環境設定を開きます。環境設定の「スケッチブックの保存場所」を控えます。

  4. 「スケッチブックの保存場所」に記載されたフォルダをFinder等で開きます。そのフォルダの中に「libraries」というフォルダがあれば、そこにダウンロード&リネームしたフォルダをいれます。ない場合は、作成します。「USB_Host_Shield_20_BTHID」にリネームした場合、 下記のような階層構造になります。

    • Arduino/
      • libraries/
        • USB_Host_Shield_20_BTHID/

  5. Arduino IDEを再起動します。メニューの ファイル>スケッチの例 に、USB_Host_Shield_20_BTHID が出てくれば成功です。

ライブラリの使い方

ライブラリの使い方を知るためには、スケッチの例を見るのが一番です。メニューから ファイル＞スケッチの例＞USB_Host_Shield_20_BTHID＞BTHIDを開きます。基本的な部分は下記の4つです。

  1. 必要なファイルをインクルードします。
    #include

  2. クラスのインスタンス化をします。

    USB Usb;
BTD Btd(&Usb);
BTHID bthid(&Btd);

  3. setup()でUSB部を初期化し、デバイス名をつけます。

    Usb.Init(); //返り値が-1の場合はエラー
Btd.btdName = "Arduino"; //任意の名前を設定

  4. loop()内で思う存分コードを書く。

    Usb.Task(); //USB部分の制御のためコールが必要

用意されている関数は５つです。これらの関数に送信したいデータを投げることで、Bluetooth HIDを通してデバイスにデータが送られます。データの型によって使い分けてください。 コードの例はBTHIDクラスをbthidという名前でインスタンス化した場合を表しています。

  1. void HID_sendString(char *str);
    文字列を送信する関数です。最大32文字まで一度に送信できます。(最大値は機種によって異なります）ASCIIに準じた文字を送信できます。

    コードの例

    char str[] = "Hello World!"; //送信したい文字列を作成
bthid.HID_sendString(str); //「Hello World!」と送信

  2. void HID_sendInteger(int16_t integer);
    整数型を送信する関数です。メモリを食います。ビット数が少なくてよい場合はもう少し節約できるかもしれません。

    コードの例

    bthid.HID_sendInteger(12345); //12345を送信

  3. void HID_sendFloat(float myfloat);
    浮動小数点型を送信する関数です。 桁数は調整すればもう少し増えるかもしれません。

    コードの例

    bthid.HID_sendFloat(3.1415); //3.1415を送信

  4. void HID_SendCharacter(uint8_t ascii);
    ASCIIコードを変換して送信する関数です。ASCIIコードを投げてください。変換部分は制御文字を除いた部分を実装しています。（CRはReturn、SPはSpace、DELはDeleteに実装しています）

    コードの例

    bthid.HID_SendCharacter(0x7F); //0x7F = DEL(Delete)を送信

  5. void HID_sendKeyCodes(uint8_t modifier, uint8_t keycode1, uint8_t keycode2, uint8_t keycode3, uint8_t keycode4, uint8_t keycode5, uint8_t keycode6);
    キーコードを送信する関数です。同時に6キーを入力できるようになっています。（同時に入力できる数はデバイスによって異なります）この関数を呼ぶとキーが押しっぱなしになっている状態になりますので、必ずvoid HID_allKeyUp()と併用するか、0x00のキーコードを送信してください。

    キーコードはASCIIコードと異なるもので、USB接続のキーボード等で使われる規格です。詳しい値はUSB.orgから発行されている「Universal Serial Bus HID Usage Tables」の10章「Keyboard/Keypad Page (0x07)」（53ページ以降）に記載されています。 Usage IDをキーコードと読み替えてください。

    uint8_t modifierは修飾キー用の変数です。キーコード0xE0から0xE7までのキーが対象です。（0xE0=LeftControl、0xE1=LeftShift、0xE2=LeftAlt、0xE3=Left GUI、0xE4=RightControl、0xE5=RightShift、0xE6=RightAlt、0xE7=Right GUI）0xE0から0x01となるため、LeftShiftキーを押したい場合はmodifier = 0x02となります。

    コードの例

    bthid.HID_sendKeyCodes(0x02,0x04,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00); //'A'を入力（0x02=LeftShift and 0x04='a'）
delay(5); //少し時間を置きます
bthid.HID_allKeyUp(); // キーを放す
delay(5); //少し時間を置きます

スケッチの例について

スケッチの例は、Arduino IDEのシリアルモニタを通して送られた文字によって、異なった関数が動くようになっています。 使い方は下記のようになります。

  1. Arduino IDEを起動し、メニューから ファイル＞スケッチの例＞USB_Host_Shield_20_BTHIDBTHID を開く
  2. ファイル＞マイコンボードに書き込む でプログラムをArduinoに書き込む。
  3. ツール＞シリアルモニタ でシリアルモニタを開く。
  4. シリアルモニタに「Bluetooth HID」と表示されて、処理が始まる。「OSC did not start」と表示される場合は、リセットボタンを押したりUSBケーブルをさし直してみたりする。
  5. 「Wait For Incoming Connection Request」と表示されたら検出可能状態になったので、iPad等のデバイスからペアリング操作をする。
  6. ペアリングが完了したら、デバイスを文字を入力できる状態にして、シリアルモニタに目的の文字を入力して、送信ボタンを押す。
  7. 入力した文字に応じて、接続したデバイスに下記のように入力される。
    • 1を入力した場合は「Hello World!」と入力される
    • 2を入力した場合は「12345」と入力される
    • 3を入力した場合は「3.1415」と入力される
    • 4を入力した場合は、EISUキーが入力される（日本語環境のみ）
    • 5を入力した場合は、KANAキーが入力される（日本語環境のみ）
    • Qを入力した場合は、接続を切断する
    • Dを入力した場合は、Deleteが入力される
    • Rを入力した場合は、Returnが入力される
  8. その他のキーを入力した場合は、打ち込んだキーが入力される（ASCIIに対応したもキーのみ）

参考資料

ASCIIコードが掲載されています。
Arduino – ASCIIchart
http://arduino.cc/en/Reference/ASCIIchart　　

Apple Pro Keyboard JIS配列のキーコードが掲載されています。
森山 将之のホームページ – USBキーボードのキーコード
http://www2d.biglobe.ne.jp/~msyk/keyboard/layout/usbkeycode.html

キーコードが記載されています。
USB.org – Universal Serial Bus HID Usage Tables
http://www.usb.org/developers/devclass_docs/Hut1_11.pdf

PICマイコンを使ってBluetoothドングルをコントロールする方法がたいへん詳しく書かれています。
辻見裕史のホームページ – PIC
http://phys.sci.hokudai.ac.jp/LABS/yts/pic/pic.html

iPadとBluetoothキーボードはどのようにして通信しているのか

Bluetoothの通信の仕方もいろいろありますが、使われているのは**Bluetooth HID(Human Interface Device Profile)**というプロファイルです。Bluetooth HIDはマウスやキーボードとの通信のために用意されているプロファイルです。ですので、Bluetooth HIDプロファイルをサポートしたBluetoothデバイスを作るというのが今回の目標になります。

Bluetooth HIDプロファイルをサポートしたBluetoothデバイスを作るには

ハードウェア

Bluetooth HIDプロファイルをサポートしたBluetoothモジュールは、SparkFunからBlueSMiRF HIDが販売されています。HOW TO GET WHAT YOU WANTさんでは、Arduino Mini ProとBlueSMiRF HIDを使って、ArduinoからMacへ文字入力をしています。しかし、国内ではBlueSMiRF HIDを販売しているところはないようです。

今回は、安価に入手できるBluetoothドングルをArduino UNOからUSB Host Shieldを通してコントロールすることで実現したいと思います。BluetoothドングルはUSB接続になっています。ArduinoにもUSBポートがありますが、ホスト機能がないので、Bluetoothドングルをそのまま接続することができません。そこでArduinoにUSBホスト機能を追加するUSB Host Shieldを使います。今回はSparkFunから発売されているUSB Host Shieldを使います。BluetoothドングルはPLANEX社のBT-MicroEDR1Xを使います。量販店等で千円前後で入手できるかと思います。

ソフトウェア

Bluetooth HIDプロファイル、SDP (Service Discovery Protocol)、HCI (Host Controller Interface)、USB Host Shieldのコントロール部分が必要になります。USB Host Shieldをコントロールするためのソフトウェアは、Circuits@Homeさんが、USB Host Shield 2.0 for Arduinoを公開してくれています。これには、Bluetoothドングルをコントロールするコード例も含まれていて、HCIについても実装されています。感謝しつつこれを利用させていただきます。大まかな流れは下記のようになっています。

HCIを使い、Bluetoothドングルのリセット、設定、iPadへ接続する
↓
SDPで使うL2CAPのチャンネルを確保する
↓
SDPでの問い合わせに回答をする
↓
BT-HIDプロファイルで使うL2CAPチャンネルを確保する。
↓
確保したチャンネルに入力したいキー情報を送信する

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