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MANUAL DE USUARIO BLEBee

MCI-MA-00306 | REV. 1.0

Ingeniería MCI Ltda.

Luis Thayer Ojeda 0115 of. 1105, Providencia, Santiago, Chile.

+56 2 23339579 | www.olimex.cl | [email protected]

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Luis Thayer Ojeda 0115 Of. 1105, Providencia, Santiago, Chile +56 2 23339579 | www.olimex.cl | [email protected]

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Luis Thayer Ojeda 0115 Oficina 1105

Providencia, Santiago, Chile

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Fax: +56 2 23350589

® MCI Ltda. 2017

Atención: cambios y modificaciones hechas en el dispositivo, no autorizados expresamente por

MCI, anularán su garantía.

Código Manual: MCI–MA-0306



CONTENIDO

CONTENIDO ................................................................................................................................... 3

INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................. 4

CARACTERÍSTICAS .......................................................................................................................... 4

PARTES DEL DISPOSITIVO ............................................................................................................... 5

PINOUT .......................................................................................................................................... 6

RN4020 MODOS DE OPERACIÓN .................................................................................................... 7

MODO COMANDO ..................................................................................................................... 8

DEFINICIONES SMART BLE .............................................................................................................. 8

GAP ............................................................................................................................................ 8

ADVERTISING DATA Y SCAN RESPONSE DATA ............................................................................. 8

PROCESO DE ANUNCIACIÓN DE UN DISPOSITIVO ....................................................................... 9

TOPOLOGÍA DE REDES BROADCAST ........................................................................................... 9

GATT ........................................................................................................................................ 10

TOPOLOGÍA DE REDES DISPOSITIVOS YA CONECTADOS ............................................................ 11

TRANSACCIONES DEL GATT ...................................................................................................... 11

SERVICIOS Y CARACTERÍSTICAS ................................................................................................. 12

PERFILES .................................................................................................................................. 13

SERVICIOS ................................................................................................................................ 13

CARACTERÍSTICAS .................................................................................................................... 13

ACTUALIZACIÓN DE FIRMWARE ................................................................................................... 14

EJEMPLO DE USO ......................................................................................................................... 16

PRECAUCIONES ............................................................................................................................ 20

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS ..................................................................................................... 20

CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS .................................................................................................... 21

HISTORIA DEL DOCUMENTO ........................................................................................................ 21



INTRODUCCIÓN

En el siguiente manual se detallará como trabajar con el módulo RN4020 de Microchip, sus distintas

funcionalidades y la manera de actualizar el firmware. Toda la referencia fue tomada del manual de

fabricante y de los distintos foros en los cuales hemos encontrado una nutrida información. El

módulo RN4020, y con el fin de tener acceso rápido y fácil a sus pines, ha sido puesto en la tarjeta

BLEBee con el formato/conexionado XBee. De esta manera podremos trabajar con las distintas

tarjetas con socket XBee compatible, aunque para nuestro caso en particular, usaremos la XBee

Explorer USB.

CARACTERÍSTICAS

A continuación se presentarán las características de la tarjeta.

Compatible con formato XBee para comunicación serial

Módulo Bluetooth 4.2

Modo de baja energía

Voltaje de operación de 3.3V

LEDs de estados

Tecnología BLE

Velocidad de comunicación desde 2400 a 921600



PARTES DEL DISPOSITIVO

Descripción de las partes más importante que el usuario necesita conocer.

Figura 1. Partes de la tarjeta.

Antena módulo RN4020: PCB en el cual se encuentra la antena del módulo bluetooth.

Switch Selector: Selecciona entre el modo Wake y MDLP.

LEDs: LED indicador de modo del módulo.

Pines extras: Pines reflejados del módulo bluetooth por si se desea conectar a una

protoboard



PINOUT

La siguiente imagen muestra los pines del módulo RN4020 reflejados en los pines del socket

compatible XBee.

Figura 2. Partes de la tarjeta.

NOMBRE FUNCIÓN

3,3V Alimentación positiva

TX Transmisión del módulo

RX Recepción del módulo

GND Alimentación

Wake_SW_H Sueño profundo, colocar en alto para despertar el módulo

CTS Despejado para enviar, control de flujo

SDA Datos

SCL Reloj

RTS Petición de envió, control de flujo

AIO0 Entrada o salida Análoga

AIO1 Entrada o salida Análoga

MLDP_H Modo envió/recepción Datos

Tabla 1. Descripción Pines.



RN4020 MODOS DE OPERACIÓN

Para trabajar con el módulo RN4020 usaremos la tarjeta BLEBee, que ya posee todo el hardware

necesario para facilitar el trabajo con el RN4020, y un XBee Explorer USB , sin embargo, y antes de

conectarlo, debemos dar una breve descripción del modo de funcionamiento del módulo.

El módulo RN4020 posee dos pines de control (WAKE_HW & WAKE_SW) con los cuales se configuran

las distintas opciones de funcionamiento dependiendo de su estado lógico.

PIN WAKE_HW

Este PIN tiene una doble función. Se utiliza (en conjunto con WAKE_SW) para colocar el módulo en

estado inactivo (Deep Sleep). También tiene la funcionalidad de resetear el módulo con la

configuración de fábrica con una secuencia de estados lógicos (ALTA-BAJO-ALTO dentro de los

primeros cinco segundos después del encendido). En la BLEBee, por medio de un Switch sobre la

tarjeta, tendremos el control de este PIN.

PIN WAKE_SW

Este PIN se utiliza para controlar el estado de energía del dispositivo y el modo Comando. Una

transición BAJO-ALTO mueve el módulo del “Deep Sleep” al estado “Active RF”. En Active RF, el

comando “CMD” es enviado por la puerta serial del módulo lo cual nos indica que tenemos

comunicación serial y estamos en “Modo comando”. Cuando el PIN es colocado en estado BAJO,

recibiremos el comando “END”; Esto nos indica que entro en modo “Deep Sleep” y termina el “Modo

Comando”. Este PIN está disponible en la tarjeta BLEBee para uso externo.

Figura 3. Estados del módulo según SW y HW.

http://olimex.cl/shop/product/xbee-explorer-usb-9900?search=explorer+usb



MODO COMANDO

En modo comando, podremos controlar el módulo vía comandos ASCII. Todos los comandos y

parámetros están separados por comas y no se permiten espacios entre ellos. Los comandos se

terminan mediante un retorno de carro (‘\r'). En general, la mayoría de los comandos válidos

devuelven "AOK", mientras que los inválidos devuelven "ERR". Sin embargo, hay varios comandos

ASCII que devuelven respuestas no estándar; Todos ellos aparecen en la Guía del usuario.

DEFINICIONES SMART BLE

Para poder entender un poco más sobre el trabajo con módulos BLE, presentaremos las

definiciones más importantes.

GAP

GAP (Generic Acces Profile) , es lo que hace que el dispositivo sea visible para el mundo exterior, y

determina cómo dos dispositivos pueden o no interactúar entre si.

Dentro de la GAP se definen varios tipos de roles, pero estos estan implementados bajo el concepto

en que los dispositivos BLE pueden actuar con rol Central o un rol Periferico. Los dispositivos con rol

periférico son pequeños, de baja potencia y que pueden conectarse a un dispositivo central mucho

más potente. Los dispositivos periféricos pueden ser: monitor de frecuencia cardíaca, una tarjeta de

proximidad BLE, etc. Por lo general, los dispositivos con rol Central usualmente son teléfono móvil,

tableta o PC los cuales poseen mucha más potencia de procesamiento y memoria.

ADVERTISING DATA Y SCAN RESPONSE DATA

Hay dos modos diferentes de realizar el envio de datos en un anuncio GAP : Advertising Data y Scan

Response. Los datos enviados en cada uno de los anuncios forman el llamado Payload del mensaje.

Ambas cargas son idénticas y pueden almacenar hasta 31 bytes de datos, pero sólo los mensajes de

Advertising son obligatorios para la norma, ya que esta contiene siempre la informacion útil que

constantemente se esta transmitiendo desde el dispositivo periférico al dispositivo central. Los

datos de los mensajes Scan response actualmente son opcionales y son utilizados para enviar una

secuencia de datos secundaria a pedido del dispositivo central. Esto permite a los desarrolladores

de equipos ingresar datos adicionales que se entregan en el momento de realizar el anuncio, como

indicar el nombnre del dispositivo, por ejemplo.



PROCESO DE ANUNCIACIÓN DE UN DISPOSITIVO

En la figura 4 se puede visualizar el proceso de anunciacion por parte de un dispositivo periférico a

un equipo central y de como entran en juego los mensajes del tipo Advertising data y Scan data.

Un dispositivo periferico puede definir el intervalo de anuncio, y en cada tiempo en que se alcance

este intervalo de anuncio, se enviara un paquete de datos llamado Advertising data. A intervalos

largos de anuncios, el dispositivo reduce considerablemente el consumo, pero el equipo es menos

sensible a las respuestas si el intervalo de anuncio es de 2 segundos en lugar de 20ms.

Figura 4. Proceso de anuncio de un dispositivo.

Si algunos de los dispositivos que se encuentran escuchando estos mensajes de anuncio por parte

del periférico está interesado en recibir los datos que agrega el mensaje Scan Payload (y a su vez

está disponible en el dispositivo periférico), entonces es posible enviar un mensaje que indica que

se requiere el Scan Payload del dispositivo, a lo cual este le responderá con los datos solicitados.

TOPOLOGÍA DE REDES BROADCAST

Mientras que la mayoría de los dispositivos utilizan el proceso de anuncio para realizar conexiones

con el equipo de rol Central y generar el intercambio de datos estableciendo los servicios y

características, hay situaciones en las que solo se requiere él envió de datos de anunciación y nada

más.

El Principal uso de este tipo de caso es cuando se requiere desde el periférico enviar datos a más de

un dispositivo a la vez. Esto solo puede realizarse utilizando los paquetes de datos del mensaje

Advertising Payload, ya que los datos enviados y recibidos en el modo conectado son solamente

visibles entre los dos equipos.

Al incluir una pequeña cantidad de datos personalizados en los 31 Bytes del Payload del mensaje

Advertising o del Scan Payload, se puede utilizar un dispositivo Bluetooth de bajo consumo para

enviar datos en una sola dirección a cualquier dispositivo que se encuentre dentro del rango de

escucha, esta situación se ilustra en la siguiente figura y se conoce como Broadcasting en

dispositivos de bajo consumo.



Figura 5. Esquema de Broadcasting con BLE.

Una vez que se encuentra establecida la conexión entre el dispositivo periférico y el central, el

proceso de anunciación se detiene, lo que no permite él envió de más paquetes Advertising.

GATT

GATT es el acronimo de Generic Atribute Profile, y define de que modo dos dispositivos Bluetooth

de bajo consumo transfieren sus datos, haciendo usos de los conceptos de Servicios y

Caracteristicas. Ademas se hace uso de un protocolo de datos genericos llamados Attribute Protocol

(ATT) en el cual se almacenan los servicio, caracteristicas y datos relacionados en una simple tabla

de consultas en cuya entrada se utiliza un ID de 16bits.

Una vez que ya se encuentra establecida la comunicación entro los dos dispositivos, entra en juego

los servicios y atributos definidos por GATT, es decir, que ya tuvo que haber concluido la etapa de

Anuncio y asociacion de los dispositivos gobernado por las definiciones establecidas por GAP.

Cabe mencionar que los sevicios y caracteristicas descritas en la GATT, la conexión entre el

disposittivo periferico y el central es exclusiva, es decir, que solo puede haber una comunicación a

la vez. De esta manera , para que otro dispositivo pueda conectarse al periférico, primero debe

desconectarse de su enlace actual.



El establecimiento de una conexion es tambien la única manera de permitir una comunicación

bidireccional, donde el dispositivo central puede enviar datos al periférico y viceversa.

TOPOLOGÍA DE REDES DISPOSITIVOS YA CONECTADOS

Un periferico solo puede conectarse a un solo dispositivo central (Como un teléfono móvil) a la vez,

pero un dispositivo central puede conectarse a varios periféricos.

Figura 6. Topología de red de dispositivos conectados.

Una vez ya se establecio la conexión entre un dispositivo periferico y un central, la comunicación

puede ser bidireccional, esto es distinto al sistema broadcasting en GAP, en dónde solo se podía

compartir información en una sola dirección utilizando los mensajes Advertising.

TRANSACCIONES DEL GATT

Un concepto importante para entender GATT es la relación servidor / cliente. El periférico se conoce

como el servidor GATT, ya que contiene los datos de búsqueda ATT y las definiciones de servicio y

características, y el cliente GATT (el teléfono / tableta), que envía solicitudes a este servidor.

Al establecer una conexión, el periférico sugerirá un "Intervalo de conexión" al dispositivo central,

y el dispositivo central intentará volver a conectar en cada intervalo de conexión para ver si hay

nuevos datos disponibles. Es importante tener en cuenta que este "Intervalo de conexión" es sólo

una sugerencia, puesto que es posible que el dispositivo central no pueda cumplir con la solicitud



porque está ocupado hablando con otro periférico o los recursos del sistema necesarios no están

disponibles.

El siguiente diagrama ilustra el proceso de intercambio de datos entre un periférico (el servidor

GATT) y un dispositivo central (el cliente GATT), con el dispositivo maestro iniciando cada

transacción: Transacciones del GATT.

Figura 7. Transacciones del GATT.

SERVICIOS Y CARACTERÍSTICAS

Las transsacciones GATT en los dispositivos BLE estan basadas en objetos anidados de alto nivel que

se denominan Perfiles, Servicios y Caracteristicas. El orden de estos elementos se muestra a

continuacion.

Figura 8. Orden de objetos.



PERFILES

En realidad, un perfil no existe en el propio periférico BLE, sino que es una colección predefinida de

servicios que ha sido compilada por el SIG de Bluetooth o por los diseñadores periféricos. El perfil

de frecuencia cardiaca, por ejemplo, combina el servicio de frecuencia cardiaca y el servicio de

información de dispositivos

SERVICIOS

Los servicios se utilizan para dividir datos en entidades lógicas y contienen porciones específicas de

datos llamados Características. Un servicio puede tener una o más características y cada servicio se

distingue de otros servicios por medio de un ID numérico único denominado UUID, que puede ser

de 16 bits (para servicios BLE adoptados oficialmente) o de 128 bits (para servicios personalizados).

Una lista completa de los servicios BLE adoptados oficialmente se puede ver en la página Servicios

del Portal de Desarrolladores de Bluetooth. Si nos fijamos en el servicio de frecuencia cardiaca, por

ejemplo, podemos ver que este servicio,oficialmente adoptado, tiene un UUID de 16 bits de 0x180D,

y contiene hasta 3 características, aunque sólo la primera es obligatoria: Medición de la frecuencia

cardíaca, sensor de cuerpo, ubicación y punto de control de la frecuencia cardíaca.

CARACTERÍSTICAS

El concepto de nivel más bajo en las transacciones GATT son las características, que encapsula un

único punto de datos (aunque puede contener una matriz de datos relacionados, como valores X /

Y / Z de un acelerómetro de 3 ejes, etc.).

De forma similar a los Servicios, cada Característica se distingue a través de un UUID predefinido de

16 bits o 128 bits, y usted es libre de usar las características estándar definidas por el Bluetooth SIG

(que asegura la interoperabilidad a través de HW / SW habilitado para BLE) o definir sus propias

características personalizadas que sólo su periférico y SW entiende.

Por ejemplo, la característica de medición de la frecuencia cardíaca es obligatoria para el servicio de

frecuencia cardiaca y usa un UUID de 0x2A37. Comienza con un único valor de 8 bits que describe

el formato de datos HRM (si los datos son UINT8 o UINT16, etc.), y pasa a incluir los datos de

medición de la frecuencia cardíaca que coinciden con este byte de configuración.

Las características son el punto principal con el cual usted va a interactuar con su periférico BLE, por

lo que es importante entender el concepto. También se utilizan para enviar datos al periférico BLE,

ya que también se puede escribir en la característica. Puede implementar una interfaz UART simple

con un 'Servicio UART' personalizado y dos características, una para el canal TX y otra para el canal

RX, donde una característica puede configurarse como de sólo lectura y la otra tiene privilegios de

escritura.



ACTUALIZACIÓN DE FIRMWARE

PRECAUCIÓN: MCI no se hace responsable por una mala actualización de firmware por parte del

cliente.

La actualización de firmware no es un proceso complicado, sin embargo, si no se siguen los procesos

adecuados, es posible dañar el modulo irremediablemente. Queremos mencionar que los módulos

que están en la BLEBee ya se encuentran actualizados a la última versión (v1.33). Si usted posee un

módulo que no está actualizado, y quiere actualizarlo, el proceso es el siguiente:

1) Insertar el Modulo BLEEBee en la XBEE Explorer Regulated, luego realizar la conexión al

FTDI y esta última conectarla al computador.

2) Habilitar una consola serial con cualquier programa de este Tipo (Hercules Terminal,

Hyperterminal, Putty, etc.).

3) Enviar la siguiente secuencia de comandos al módulo (recordar que para ello, el modulo

debe estar en modo comando)

+ # echo_ON

SR,32000000 # Se habilita el control del flujo por hardware

R,1 # Reset del módulo para que los cambios tengan efecto



ES IMPORTANTISIMO HABILITAR EL CONTROL DE FLUJO EN EL MÓDULO.

4) Desde la página de Microchip descargar la aplicación para actualizar el Firmware

a. http://www.microchip.com/wwwproducts/en/RN4020

5) Abrir la aplicación y elegir el puerto correspondiente.

6) Apretar el botón “Update” y esperar que el proceso termine.

http://www.microchip.com/wwwproducts/en/RN4020



EJEMPLO DE USO

Para configurar el módulo, usaremos la tarjeta XBee Explorer USB. A continuación se muestra

como se realiza el montado.

Figura 9. Conexión BLEBee con XBee Explorer USB.

Se abre el programa Hercules http://www.hw-group.com/products/hercules/index_es.html y

se selecciona la pestaña Serial. Los módulos BLEBee vienen por defecto a 115200 baudios, por

lo tanto la configuración del Hercules se muestra en la siguiente imagen.

http://olimex.cl/shop/product/xbee-explorer-usb-9900?search=417

http://www.hw-group.com/products/hercules/index_es.html



Figura 30. Configuración de parámetros de comunicación.

Ahora vamos a realizar la configuración. A pesar de que el módulo funciona sin necesidad de crear

un Script, en este caso se crea uno, para que al encender el módulo se cargue automáticamente el

Script y no exista la necesidad de escribirlo cada vez que se conecta el BLEBee. A continuación se

presentan los comandos realizados en esta etapa.

Tabla 2. Descripción de los comandos del Script.

Comando Función

ww Escribir Script

@PW_ON Creas el evento donde quieres que se cargue el Script, es decir al encender

F,0023,0022 Tiempo en que escanea paquetes

J,1 Modo Escucha

SB,1 Baud rate a 9600

WP Finaliza el Script

Click a la tecla ESC Finaliza el modo escritura



Figura 41. Creación de Script.

Nota: El listado de comandos y su funcionamiento fueron extraídos del manual del

fabricante http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/70005191B.pdf .

Se envía el comando SR,01000000 para cargar el script luego de encender, seguidamente se envía

el comando SR,90000000 para configurarlo como nodo central y por último se resetea el módulo

enviando el comando R,1.

http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/70005191B.pdf



Figura 52. Comandos de configuración.

Se cierra el puerto, se cambia el Baud rate a 9600 y se abre de nuevo.

Figura 63. Se cambian los parámetros de configuración.



De esta manera se puede observar tramas recibidas de otros dispositivos BLE.

Figura 74. Recepción de datos.

PRECAUCIONES

Al usar esta tarjeta se deben tener las siguientes precauciones:

No desconectar el dispositivo mientras se actualiza el firmware

Al momento de insertar en el socket compatible XBee, revisar que esté en la posición

correcta

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS

Voltaje de alimentación: 3.3V

Consumo promedio: 12mA.

Modo Sueño profundo: <5.0 uA



CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS

Dimensiones: 30.77mm x 24.43mm

Figura 11. Dimensiones de la tarjeta BLEBee.

HISTORIA DEL DOCUMENTO

Revisión Fecha Editado por Descripción/Cambios

1.0 08 de Noviembre de 2016 Felipe Battaglia Versión inicial del documento

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