Zephyr와 XIAO nRF54L15로 Bluetooth LE 구현하기 – nRF Connect로 GATT 통신 확인

소프트웨어 구성

프로젝트 구성

하드웨어 구성이 끝났으므로 이제 XIAO nRF54L15에서 Bluetooth LE를 동작시켜 보겠습니다.

Zephyr에는 Bluetooth LE를 위한 Bluetooth Stack과 API가 포함되어 있기 때문에, Bluetooth 통신을 처음부터 직접 구현할 필요는 없습니다. 필요한 기능을 설정하고 Zephyr에서 제공하는 API를 이용하여 애플리케이션을 구성할 수 있습니다.

이번 프로젝트에서는 프로그램의 기능을 한 파일에 모두 넣지 않고 다음과 같이 나누어 구성했습니다.

Bluetooth LE 관련 기능은 ble.c, ble.h, LED 제어는 led.c, led.h, 메트로놈 동작은 metronome.c, metronome.h로 분리하여 구성했습니다. main.c에서는 각 모듈을 초기화하고 전체 프로그램의 실행 흐름을 관리합니다.

기능별로 소스를 분리하면 Bluetooth 통신, LED 제어, 메트로놈 동작을 서로 독립적으로 수정하고 시험하기가 쉬워집니다.

Zephyr 프로젝트에서는 어떤 소스 파일을 빌드에 포함할 것인지 CMakeLists.txt에 지정합니다. 이번 프로젝트에서는 main.c, led.c, metronome.c, ble.c를 애플리케이션 소스로 등록했습니다.

target_sources()에 등록된 소스 파일들이 함께 컴파일되어 하나의 Zephyr 애플리케이션을 구성합니다. 헤더 파일인 ble.h, led.h, metronome.h는 각 소스 파일에서 #include하여 사용하므로 별도로 target_sources()에 등록할 필요는 없습니다.

보드 설정

보드 설정은 이전 프로젝트에서 사용한 방법과 동일합니다. Zephyr에서 제공하는 XIAO nRF54L15 공식 보드 설정을 복사하여 my_xiao_nrf54l15 커스텀 보드를 만들고 이를 사용했습니다.

커스텀 보드를 만드는 자세한 과정은 이전 글에서 다루었으므로, 이번 글에서는 별도로 설명하지 않고 Bluetooth LE 구현에 집중하겠습니다.

이 프로젝트 구조를 바탕으로 다음 단계에서는 prj.conf에서 Bluetooth LE 기능을 활성화하고, 실제 BLE 동작을 위한 설정을 추가하겠습니다.

Bluetooth LE 기능 설정

Zephyr에서는 프로젝트에서 사용할 기능을 prj.conf 파일에서 설정합니다.

이번 프로젝트에서는 Bluetooth LE Peripheral로 동작하기 위한 기본 기능과 GATT 통신에 필요한 항목들을 활성화했습니다.

아래는 설정된 prj.conf 코드 입니다.

CONFIG_GPIO는 외부 LED 조명을 제어하기 위한 GPIO 기능을 활성화하고, CONFIG_PRINTK와 CONFIG_CONSOLE은 프로그램의 동작 상태를 확인하기 위한 콘솔 출력을 사용합니다.

Bluetooth LE와 직접 관련된 설정은 다음 세 항목입니다.

CONFIG_BT=y
CONFIG_BT_PERIPHERAL=y
CONFIG_BT_DEVICE_NAME="XIAO_NRF54L15_METRONOME"

CONFIG_BT를 통해 Zephyr의 Bluetooth 기능을 활성화하고, CONFIG_BT_PERIPHERAL을 설정하여 XIAO nRF54L15가 BLE Peripheral로 동작하도록 합니다.

CONFIG_BT_DEVICE_NAME은 BLE 장치의 이름을 지정합니다. 이후 스마트폰에서 nRF Connect로 Scan하면 XIAO_NRF54L15_METRONOME이라는 이름으로 장치를 확인할 수 있습니다.

마지막의

CONFIG_KERNEL_BIN_NAME="my_xiao_nrf54l15_metronome_ble_redesign"

이렇게 prj.conf 설정을 마치면 Zephyr에서 Bluetooth LE를 사용할 준비가 됩니다.

다음으로 프로그램에서 Bluetooth Stack을 초기화하고 Advertising을 시작하여, 실제로 스마트폰에서 XIAO nRF54L15가 검색되는지 확인해 보겠습니다.

Bluetooth LE 구현

Bluetooth 초기화와 Advertising

소프트웨어 구성이 완료되었으므로 이제 실제로 Bluetooth LE를 동작시켜 보겠습니다.

XIAO nRF54L15는 이번 프로젝트에서 Peripheral로 동작합니다. Peripheral 장치는 먼저 Bluetooth 기능을 초기화한 후 주변의 Central 장치가 자신을 발견할 수 있도록 Advertising을 시작합니다.

전체적인 동작 순서는 다음과 같습니다.

XIAO nRF54L15
      │
      ▼
Bluetooth 초기화
      │
      ▼
Advertising 시작
      │
      ▼
Smartphone에서 Scan
      │
      ▼
BLE 장치 발견

bt_enable()이 정상적으로 완료되면 Bluetooth LE 기능을 사용할 준비가 된 것입니다.

다음으로 Advertising을 시작합니다. Advertising은 Peripheral 장치가 주변에 자신의 존재와 기본적인 정보를 주기적으로 알리는 과정입니다.

이번 프로젝트에서는 Advertising 데이터에 장치 이름과 GATT Service 정보를 포함시켜 스마트폰에서 장치를 검색할 수 있도록 구성했습니다.

Advertising을 시작하는 핵심 부분은 Zephyr의 bt_le_adv_start()를 이용합니다.

Advertising이 시작되면 XIAO nRF54L15는 주변에서 검색 가능한 BLE Peripheral 장치가 됩니다.

스마트폰에서는 nRF Connect for Mobile을 실행하고 Scan을 수행하여 prj.conf에서 지정한 장치 이름을 확인할 수 있습니다.

XIAO nRF54L15                     Smartphone
   Peripheral                    nRF Connect
       │                              │
       │──── Advertising ────────────>│
       │                              │
       │                         Scan / 발견
       │                              │
       │<──── Connection Request ─────│
       │                              │
       │<====== BLE Connection ======>│

다음으로 스마트폰이 장치에 연결된 후 실제 데이터를 주고받기 위해 필요한 GATT Service와 Characteristic을 구현해 보겠습니다.

GATT Service와 Characteristic

Advertising을 통해 스마트폰에서 XIAO nRF54L15를 찾고 연결할 수 있게 되었습니다. 이제 연결된 장치 사이에서 실제 데이터를 주고받기 위한 GATT Service와 Characteristic을 구성합니다.

앞에서 살펴본 것처럼 GATT에서는 관련된 기능을 하나의 Service로 묶고, 실제 데이터는 Characteristic을 통해 주고받습니다.

이번 프로젝트에서는 메트로놈 제어를 위한 하나의 Custom Service를 만들고, 그 안에 Control Characteristic과 BPM Characteristic을 구성했습니다.

Metronome Service
       │
       ├── Control Characteristic
       │       │
       │       ├── 0x00 : STOP
       │       ├── 0x01 : START
       │       └── 0x02 : STATUS REQUEST
       │
       └── BPM Characteristic
               │
               └── BPM 설정

Zephyr에서는 BT_GATT_SERVICE_DEFINE()를 이용하여 GATT Service와 그 안의 Characteristic을 정의할 수 있습니다.

Control Characteristic

Control Characteristic은 메트로놈의 Start/Stop 제어와 상태 확인을 위해 사용합니다.

스마트폰에서 Control Characteristic에 값을 Write하면 write_control() callback 함수가 호출되고, 전달된 값에 따라 다음과 같이 동작합니다.

0x00 : STOP
0x01 : START
0x02 : STATUS REQUEST

0x00을 Write하면 metronome_stop()이 호출되어 메트로놈이 정지하고, 0x01을 Write하면 metronome_start()가 호출되어 메트로놈이 동작을 시작합니다.

Start 또는 Stop 명령이 처리되면 notify_control()을 통해 변경된 Control 상태를 스마트폰으로 Notify할 수도 있습니다.

0x02는 동작 명령이 아니라 현재 상태를 요청하는 명령입니다.

스마트폰에서 0x02를 Write하면 XIAO nRF54L15는 현재 Control 값과 BPM 값을 확인하여 두 Byte의 데이터로 구성한 후 Notify를 통해 스마트폰으로 전달합니다.

Smartphone
    │
    │ Control Write : 0x02
    ▼
XIAO nRF54L15
    │
    ├── 현재 Control 값
    └── 현재 BPM 값
    │
    ▼
Status Notify
    │
    ▼
Smartphone

BPM Characteristic은 메트로놈의 BPM 값을 설정하고 현재 값을 읽기 위해 사용합니다.

스마트폰에서 BPM Characteristic에 새로운 값을 Write하면 Zephyr의 GATT 처리 과정에서 write_bpm() callback 함수가 호출됩니다.

예를 들어 nRF Connect에서 uint8 형식으로 60을 Write하면 다음과 같은 흐름으로 처리됩니다.

nRF Connect
    │
    │ BPM Characteristic
    │ Write : 60
    ▼
XIAO nRF54L15
    │
    ▼
write_bpm()
    │
    ▼
BPM = 60
    │
    ▼
Metronome 동작 주기 변경

즉, Characteristic은 Bluetooth LE에서 데이터를 주고받는 통로이고, write_control()이나 write_bpm()과 같은 callback 함수는 그 통로를 통해 전달된 데이터를 실제 애플리케이션에서 처리하는 역할을 합니다.

동작 흐름

Bluetooth LE를 통해 전달받은 데이터는 실제 메트로놈 동작으로 연결됩니다. Control Characteristic으로 Start 명령을 받으면 메트로놈이 동작을 시작하고, Stop 명령을 받으면 동작을 정지합니다. BPM Characteristic으로 전달받은 값은 메트로놈의 점멸 주기를 결정하는 데 사용됩니다.

실제 박자 생성은 스마트폰에서 하는 것이 아니라 XIAO nRF54L15에서 수행합니다. 스마트폰은 BPM과 Start/Stop 명령만 Bluetooth LE를 통해 전달하고, nRF54L15가 설정된 BPM에 맞추어 외부 LED 조명을 점멸시킵니다.

전체적인 프로그램의 흐름은 다음과 같습니다.

Smartphone
     │
     │ Bluetooth LE
     │ Start / Stop / BPM
     ▼
   ble.c
     │
     ▼
metronome.c
     │
     │ BPM에 따른 박자 생성
     ▼
   led.c
     │
     ▼
외부 LED 조명

마찬가지로 GATT 구현 코드도 세부적인 내용까지 설명하지 않고 전체적인 구조와 데이터의 흐름을 중심으로 살펴보겠습니다. 전체 구현 코드는 글 마지막에서 프로젝트 소스로 제공하겠습니다.

이제 이렇게 구성한 GATT Service와 Characteristic이 실제로 동작하는지 Build 및 다운로드하고 스마트폰의 nRF Connect for Mobile을 이용하여 확인해 보겠습니다.

빌드 및 다운로드

Bluetooth LE와 메트로놈 프로그램 구성이 완료되었으므로 프로젝트를 빌드하고 XIAO nRF54L15에 다운로드합니다.

이번 프로젝트에서는 앞에서 만든 my_xiao_nrf54l15 커스텀 보드를 대상으로 빌드합니다.

프로젝트 폴더에서 다음과 같이 빌드합니다.

west build -b my_xiao_nrf54l15 -p always -- -DBOARD_ROOT=...

-b 옵션에는 사용할 보드 이름을 지정하고, BOARD_ROOT에는 앞에서 만든 커스텀 보드가 포함된 경로를 지정합니다. 실제 BOARD_ROOT 경로는 각자의 Zephyr 개발 환경에 맞게 설정하면 됩니다.

빌드가 정상적으로 완료되면 생성된 펌웨어를 XIAO nRF54L15에 다운로드합니다.

west flash

다음으로 스마트폰에서 nRF Connect for Mobile을 실행하여 실제 Bluetooth LE 통신이 정상적으로 이루어지는지 확인해 보겠습니다.

nRF Connect for Mobile을 이용한 동작 확인

지금까지 XIAO nRF54L15에서 Bluetooth LE를 초기화하고 Advertising, GATT Service, Characteristic을 구성했습니다.

이제 스마트폰의 nRF Connect for Mobile을 이용하여 실제로 BLE 장치를 검색하고 연결한 후, 구현한 GATT 통신이 정상적으로 동작하는지 확인해 보겠습니다.

nRF Connect는 Nordic Semiconductor에서 제공하는 Bluetooth LE 개발 및 시험용 애플리케이션입니다. 별도의 스마트폰 프로그램을 만들지 않아도 BLE 장치를 검색하고 연결하여 Service와 Characteristic을 확인하고, Read, Write, Notify 등의 기능을 직접 시험할 수 있습니다.

nRF Connect for Mobile 공식 페이지

이번 프로젝트에서는 다음 순서로 확인합니다.

nRF Connect
     │
     ▼
BLE 장치 Scan
     │
     ▼
XIAO_NRF54L15_METRONOME 발견
     │
     ▼
Connect
     │
     ▼
GATT Service / Characteristic 확인
     │
     ├── Control Write
     │      ├── 0x00 : STOP
     │      ├── 0x01 : START
     │      └── 0x02 : STATUS REQUEST
     │
     ├── BPM Write
     │
     └── Notify 확인

먼저 XIAO nRF54L15에 프로그램을 다운로드하고 실행합니다.

프로그램이 정상적으로 시작되면 Bluetooth LE Advertising이 시작되고, XIAO nRF54L15는 주변의 스마트폰에서 검색 가능한 Peripheral 장치가 됩니다.

스마트폰에서 nRF Connect for Mobile을 실행하고 Scan을 시작합니다.

prj.conf에서 다음과 같이 설정했던 장치 이름을 검색합니다.

XIAO_NRF54L15_METRONOME

Unknown Service
(Metronome Service)
        │
        ├── Unknown Characteristic
        │      └── Control Characteristic
        │
        └── Unknown Characteristic
               └── BPM Characteristic

0x00 : STOP
0x01 : START
0x02 : STATUS REQUEST

Control Characteristic
        │
        │ Write : 0x01
        ▼
XIAO nRF54L15
        │
        ▼
     START
        │
        ▼
설정된 BPM에 따라
외부 LED 조명 점멸

Data type : UINT8
Value     : 90

nRF Connect
     │
     │ BPM Characteristic
     │ Write : 90
     ▼
XIAO nRF54L15
     │
     ▼
  write_bpm()
     │
     ▼
   BPM = 60
     │
     ▼
메트로놈 주기 변경
     │
     ▼
외부 LED 조명 점멸

nRF Connect
     │
     │ Write : 0x02
     ▼
XIAO nRF54L15
     │
     ├── Control 상태
     └── BPM 값
     │
     │ Notify
     ▼
nRF Connect

src/
├── main.c
├── ble.c
├── ble.h
├── metronome.c
├── metronome.h
├── led.c
└── led.h

CMakeLists.txt
prj.conf