Bluetooth на Raspberry Pi Pico W: чтение датчиков через BLE

Краткое определение терминов

• BLE: Bluetooth Low Energy — профиль Bluetooth для низкоэнергопотребляющей передачи данных.
• UF2: формат прошивки для Raspberry Pi Pico, который записывается как USB-накопитель.
• CYW43439: радиочип Infineon, установлены в Pico W/WH, поддерживает Wi‑Fi и Bluetooth 5.2.

Почему это важно

Bluetooth на Pico W открывает простую и энергоэффективную передачу данных от датчиков к смартфонам, шлюзам и другим микроконтроллерам — удобно для прототипов и конечных IoT-решений. Часто достаточно лишь обновить прошивку и поместить пару модулей MicroPython на плату.

Аппаратная сводка

Raspberry Pi Pico W/WH — это микроконтроллерная плата с той же формой и распиновкой, что и оригинальная Pico, но с добавленным модулем беспроводной связи. Плата использует радиочип Infineon CYW43439, который поддерживает 802.11n Wi‑Fi и Bluetooth 5.2.

Что понадобится

• Raspberry Pi Pico W или WH (WH имеет пины для заголовков).
• USB‑кабель для подключения к компьютеру.
• Компьютер с Windows/macOS/Linux.
• Thonny IDE (или uPyCraft/ampy/rshell).
• MicroPython UF2 с поддержкой Bluetooth (скачать с официальной страницы MicroPython для Pico).

Установка Pico C/C++ SDK (кратко)

Если вы планируете разрабатывать на C/C++, установите набор инструментов: ARM GCC, CMake, Git, Python 3.9+, и, при желании, Visual Studio (Build Tools). Для этого руководства достаточно MicroPython, но знание SDK полезно для расширённых проектов и отладки низкоуровневого BLE.

Установка MicroPython и прошивка UF2

Вход в режим загрузчика

Есть два способа попасть в режим загрузчика (bootloader):

• В MicroPython REPL выполнить machine.bootloader().
• Нажать и удерживать кнопку BOOTSEL, подключая плату к USB.

Плата появится как USB‑накопитель. Скопируйте UF2‑файл MicroPython в накопитель. Во время прошивки индикатор на плате будет быстро мигать; после записи плата автоматически перезагрузится.

При желании прошивку можно установить через Thonny (см. ниже).

Настройка Thonny и выбор интерпретатора

1. Подключите Pico, удерживая BOOTSEL, если требуется.
2. Запустите Thonny.
3. В меню выберите Tools > Options.
4. Во вкладке Interpreter выберите MicroPython (Raspberry Pi Pico).
5. Порт — Try to detect automatically. Нажмите ссылку установки прошивки, Thonny предложит последнюю версию MicroPython для вашего Pico.

Сохранение необходимых модулей Bluetooth в MicroPython

Чтобы работать с BLE, поместите на плату два вспомогательных модуля:

1. ble_advertising.py — помогает формировать рекламные пакеты BLE.
2. ble_simple_peripheral.py — пример реализации простейшей периферийной роли (advertiser + UART‑псевдоинтерфейс).

Исходники можно взять из репозитория проекта (ссылка в оригинале). В Thonny создайте новый файл, вставьте содержимое и сохраните как ble_advertising.py на Raspberry Pi Pico (File > Save as > Raspberry Pi Pico). Повторите для ble_simple_peripheral.py.

Пример: чтение температуры и передача по BLE

Ниже — рабочий пример на MicroPython. Он считывает внутренний АЦП (используется ADC(4) у Pico для внутреннего датчика температуры/напряжения) и отправляет строку через BLE каждый 1 с, если соединение установлено.

from machine import ADC
import time
import bluetooth
from ble_simple_peripheral import BLESimplePeripheral

# Создаём BLE-объект
ble = bluetooth.BLE()
sp = BLESimplePeripheral(ble)

# Встроенный АЦП (канал 4) для внутреннего датчика
adc = ADC(4)

while True:
    try:
        if sp.is_connected():
            # Считываем 16‑битное значение и преобразуем в напряжение
            raw = adc.read_u16()
            voltage = raw * 3.3 / 65535
            # Встроенный датчик температуры требует калибровки; здесь передаём напряжение
            temperature_data = "{:.3f}".format(voltage)
            sp.send(temperature_data.encode())
    except Exception as e:
        # Ошибки не должны прерывать основной цикл
        print("BLE send error:", e)
    time.sleep(1)

Сохраните этот файл как main.py на плате — при следующем запуске он будет автоматически выполняться.

Настройка Android‑приложения для приёма

Установите на телефон приложение Serial Bluetooth Terminal из Google Play. Включите Bluetooth и в приложении откройте вкладку Devices, затем Bluetooth LE и нажмите SCAN. В списке появится устройство с именем mpy-uart — подключитесь к нему. В терминале появится статус Connected и каждая секунда будут приходить строки с показаниями.

Если вместо mpy-uart вы не видите устройство, убедитесь, что модуль ble_simple_peripheral действительно выполняется и что плата не в состоянии сна.

Когда это может не работать (типичные причины)

• Неправильная версия MicroPython без поддержки BLE — скачайте релиз с поддержкой Bluetooth.
• Модули не сохранены на плате или ошибочный путь/имя файлов.
• Устройство уже подключено по Wi‑Fi и у вас отсутствует свободное время/ресурс для BLE (редкие случаи конфликта стека).
• Низкая мощность питания USB или плохой кабель — плата может перезагружаться.

Устранение неполадок — чеклист

• Убедитесь в наличии последней MicroPython UF2 с BLE.
• Перезапустите Pico и Thonny.
• В Thonny откройте Shell и проверьте вывод при запуске main.py.
• Попробуйте подключиться к другому телефону/компьютеру с BLE‑сканером.
• Проверьте, что файл main.py действительно выполняется (print сообщения в Shell).

Альтернативные подходы

• Использовать C/C++ SDK и NimBLE или другой стек для более тонкой настройки BLE (более высокая сложность, лучшая производительность).
• Применить внешний Bluetooth‑модуль (например, модуль на базе nRF52840) для специальных профилей или длинного времени автономной работы.
• Передавать данные через Wi‑Fi на MQTT‑шлюз, если нужен централизованный сбор телеметрии.

Мини‑методология: быстрый план развертывания

1. Скачайте MicroPython UF2 с поддержкой BLE.
2. Включите Pico в режим BOOTSEL и скопируйте UF2.
3. Откройте Thonny, выставьте MicroPython-интерпретатор.
4. Скопируйте ble_advertising.py и ble_simple_peripheral.py на плату.
5. Разместите main.py с логикой чтения/передачи.
6. Тестируйте через мобильное приложение.
7. Добавьте логирование и обработку ошибок.

Безопасность и приватность

• BLE сам по себе не шифрует данные в рекламе; если пересылаете чувствительные данные, применяйте шифрование на уровне приложения.
• Ограничивайте период рекламного вещания и используйте уникальные идентификаторы для тестовых устройств, чтобы избежать случайного соединения.

Проверка приёмки и тестовые случаи

Критерии приёмки:

• main.py запускается автоматически и начинается реклама BLE.
• Устройство обнаруживается приложением как mpy-uart.
• Значения появляются в терминале не реже, чем раз в 2 с.

Тестовые сценарии:

• Холодный старт: подключение питания и автоматический запуск main.py.
• Повторное подключение: отключение Bluetooth на телефоне и повторное подключение.
• Ошибка передачи: имитация исключения в sp.send() и проверка устойчивости цикла.

Совместимость и миграция

• Pico WH и Pico W используют тот же радиочип и программную основу — модули и примеры одинаковы для обоих.
• При миграции с оригинального Pico (без W) необходим внешний радиомодуль или переход на Pico W/WH.

Чеклист для ролей

Maker (энтузиаст):

• Нужен рабочий кабель и Thonny.
• Скопировать UF2 и модули, вставить main.py, тестировать с телефоном.

Developer (инженер):

• Установить CI для прошивки, версионировать main.py, покрыть обработку ошибок.
• Продумать метод обновления OTA (через USB, через файловый менеджер, через свой загрузчик).

Ops (развёртывание):

• План резервного восстановления (BOOTSSEL + UF2).
• Мониторинг стабильности питания и логов.

Шаблон диагностики (короткая таблица)

• Плата не видна как USB‑накопитель: проверьте BOOTSEL и кабель.
• Прошивка не устанавливается: скачайте UF2 заново и попробуйте другой порт.
• Нет BLE в списке: проверьте версию MicroPython и наличие модулей на плате.

Примеры альтернативных приложений и инструментов

• nRF Connect — мощный BLE‑сканер (iOS/Android) для диагностики GATT.
• BLE Peripheral Simulator — для тестирования центральной роли.
• Использование ESP‑плат для Wi‑Fi + BLE (если нужен более мощный контроллер).

Decision flow (Mermaid)

flowchart TD
  A[Начать: есть Pico W?] -->|Да| B{Прошивка MicroPython с BLE установлена?}
  A -->|Нет| Z[Купить Pico W или добавить BLE-модуль]
  B -->|Да| C[Скопировать модули ble_*.py на плату]
  B -->|Нет| D[Скачать UF2 и прошить через BOOTSEL]
  D --> C
  C --> E[Разместить main.py]
  E --> F{Устройство видно в телефоне как mpy-uart?}
  F -->|Да| G[Готово: принимать данные]
  F -->|Нет| H[Устранение неполадок: проверить питание, версии, перезапуск]

Короткий глоссарий

• BLE: Bluetooth Low Energy.
• UF2: прошивочный файл для Pico.
• REPL: Read-Eval-Print Loop — интерактивная консоль Python.
• GATT: профиль и набор сервисов/характеристик BLE.

Часто задаваемые вопросы

Как понять, что MicroPython поддерживает BLE?

В релизных заметках MicroPython для Pico указываются поддерживаемые возможности — ищите упоминание Bluetooth/BLE и версию прошивки.

Можно ли использовать внешний датчик вместо внутреннего ADC?

Да. Подключите датчик к любому доступному GPIO/ADC и считывайте значения так же, как и встроенный ADC.

Нужно ли явно выключать рекламирование (advertising)?

В простых сценариях это не обязательно, но для экономии энергии и безопасности рекомендуется управлять рекламой программно.

Итог и дальнейшие шаги

Bluetooth добавляет гибкости в работу с Pico W: вы можете быстро прототипировать беспроводные датчики, заменять USB‑кабель мобильным интерфейсом и интегрировать данные в приложения. Следующие шаги: добавить аппаратную калибровку датчика, внедрить шифрование приложения и подготовить OTA‑механизм для массовых развёртываний.

Important: если в проекте передаются персональные данные, продумайте шифрование и соответствие локальным нормам приватности.