nRF5 SDK (13) - ble_app_uart 예제를 이용한 Long Range 모드 테스트

13. ble_app_uart 예제를 이용한 Long Range 모드 테스트

이번 포스트에서는 nRF5 SDK 에서 제공되는 Long Range 연결 방법에 대해 간단하게 소개하고자 한다. nRF5 SDK 에서 제공되는 ble_app_uart 예제를 기준으로는 소스 코드에 몇 줄만 추가해주면 Long Range 모드로 연결이 가능한데, 관련된 자료가 별로 없어서 처음 테스트 할 당시에는 꽤 골치가 아팠다 😫.

13.1 Setup

• nRF52840-DK x 3EA

Long Range 모드 테스트를 위해 총 3개의 테스트 보드가 있으면 좋은데, central & peripheral 로 동작할 보드가 각각 하나씩 필요하고, Long Range 로 정상 동작하는지 확인하기 위해 패킷 정보를 분석할 nRF Sniffer 로 동작시킬 보드가 하나 있어야 한다. nRF Sniffer 로 사용 가능한 장치가 따로 있다면 2개의 테스트 보드만 준비하면 되고, nRF Sniffer 에 대한 정보가 필요할 경우 이전 포스트 를 참고하길 바람.

물론 nRF Sniffer 가 없더라도 Long Range 연결은 가능하지만, nRF5 SDK 에서는 Long Range 모드로 연결하더라도 이를 검증할 만한 방법이 딱히 없는 듯하다.

Long Range 모드 테스트를 위해 준비한 테스트 보드 중 하나에는 nRF5 SDK 폴더의 예제 중 ble_app_uart_c 예제의 소스 코드를, 또 다른 하나에는 ble_app_uart 예제의 소스 코드를 업로드하면 된다. 일단, 별다른 코드 변경 없이 프로젝트 파일을 빌드한 뒤에 소스 코드를 양쪽에 업로드 해보면, (ble_app_uart_c 예제가 업로드 된) central 역할을 수행하는 보드에서 연결을 자동으로 수행할 것이다.

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13.2 sd_ble_gap_phy_update

소스 코드가 정상적으로 업로드 된 것을 확인했다면, central 쪽 소스 코드에 다음의 몇 줄만 추가해주면 된다. main.c 코드를 살펴보면, ble_evt_handler 라는 이름의 event handler 함수가 있을 것이다. 해당 함수에서 BLE_GAP_EVT_CONNECTED 구문 안에 ble_db_discovery_start(...) 함수 호출 이후 다음과 같이 sd_ble_gap_phy_update 함수와 해당 함수에서 사용되는 파라미터 변수를 입력해주면 된다.

static void ble_evt_handler(ble_evt_t const * p_ble_evt, void * p_context)
{
    ret_code_t            err_code;
    ble_gap_evt_t const * p_gap_evt = &p_ble_evt->evt.gap_evt;

    switch (p_ble_evt->header.evt_id)
    {
        case BLE_GAP_EVT_CONNECTED:
            err_code = ble_nus_c_handles_assign(&m_ble_nus_c, p_ble_evt->evt.gap_evt.conn_handle, NULL);
            APP_ERROR_CHECK(err_code);

            err_code = bsp_indication_set(BSP_INDICATE_CONNECTED);
            APP_ERROR_CHECK(err_code);

            // start discovery of services. The NUS Client waits for a discovery result
            err_code = ble_db_discovery_start(&m_db_disc, p_ble_evt->evt.gap_evt.conn_handle);
            APP_ERROR_CHECK(err_code);

            //@ Long Range Feature (PHY Coded)
            ble_gap_phys_t const phys =
            {
                .rx_phys = BLE_GAP_PHY_CODED,
                .tx_phys = BLE_GAP_PHY_CODED,
            };
            err_code = sd_ble_gap_phy_update(p_ble_evt->evt.gap_evt.conn_handle, &phys);
            APP_ERROR_CHECK(err_code);
            break;

        case BLE_GAP_EVT_DISCONNECTED:

            NRF_LOG_INFO("Disconnected. conn_handle: 0x%x, reason: 0x%x",
                         p_gap_evt->conn_handle,
                         p_gap_evt->params.disconnected.reason);
            break;
            ...
    }
}

BLE_GAP_PHY_CODED 상수가 정의되어 있는 곳을 가보면 해당 옵션 외에 다른 옵션 (e.g. 2Mbps)도 선택할 수 있으며, 여기서 설정한 PHY Coded 옵션이 Long Range 모드를 가리킨다. (생각보다 별 거 없쥬?)

블루투스 표준 문서를 보면 Bluetooth 5.0 에서 추가된 Long Range 통신을 위한 물리 계층은 S=2 or S=8 옵션으로 구분되는데, nordic 에서는 S=8 물리 계층만을 지원하는 것으로 보인다. 이 때 데이터 전송 속도는 1 Mbps / 8 = 125 kbps 에 해당하며, 이론상 전송 거리는 4배 증가된다고 알려져 있음.

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13.3 nRF Sniffer Capturing 🚁

central 장치의 소스 코드를 수정했다면 해당 테스트 보드의 전원은 잠시 꺼두고 Wireshark 를 이용해 nRF Sniffer 에서 수신되는 패킷 정보를 확인해보도록 하자. 여기서 central 장치를 꺼두는 이유는, 현재 예제 코드에서는 central 장치가 곧바로 peripheral 장치와 연결을 하기 때문에 nRF Sniffer 에서 원하는 패킷을 구분해서 확인하기가 어렵기 때문이다.

Wireshark 에서 nRF Sniffer 를 선택한 후 Nordic_UART 라는 이름으로 Advertising 하고 있을 ble_app_uart peripheral 장치의 신호를 따로 걸러내도록 하자.

만약 nRF Sniffer 를 처음 실행시켰을 경우에는 아래 그림과 같은 Bluetooth LE Interface 가 보이지 않을 수 있는데, 그럴 때는 상단 메뉴바에서 마우스 우클릭을 한 후 Interface Toolbars 의 nRF Sniffer for Bluetooth LE 옵션을 클릭해주면 된다.

필터링 이후에 Advertising 패킷을 하나 선택해보면, 아래 그림에서 볼 수 있듯이 현재 사용되는 물리 계층이 PHY: LE 1M 되어있는 것을 볼 수 있고, 현재는 기본 BLE 데이터 통신 모드로 (1 Mbps) 동작하고 있다는 것을 확인할 수 있다.

nRF Sniffer 의 수신 패킷을 peripheral 디바이스로 필터링하고 있는 상태에서 central 디바이스의 전원을 켜면 Broadcast 로만 표시되던 패킷 정보가, Master & Slave 로 표시되고 두 디바이스간의 무선 연결이 이루어졌음을 확인할 수 있다. 무선 연결 과정은 central 장치에서 scanning 후 연결 요청 신호를 보내는 것으로 시작되며, 아래 그림을 보면 연결 완료 후 앞서 추가한 sd_ble_gap_phy_update 함수에 의해 데이터 전송 모드가 1 Mbps 에서 125 kbps = PHY Coded 로 변경된 것을 확인할 수 있다.

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13.4 Another Issue

본 포스트에서 소개한 방식은 기본 BLE 통신 모드 (1 Mbps)에서 연결 과정을 마무리한 후에 데이터 전송 모드를 Long Range 로 변경한 예시인데, 이는 애초에 1 Mbps 에서 연결이 어려울 경우에 적용할 수 없으므로, 다소 불완전한 연결 방식이 될 수도 있다.

이와 관련해서 몇 가지 이슈를 소개하자면,

• 현재까지는 모든 블루투스 기기 (e.g. 스마트폰) 에서 Long-Range 모드를 지원하지 않으므로, 연결 이후에 Long-Range 모드로 전환하는 것 또한 이점이 있을 수 있음.
• 따라서, Long-Range 모드를 실제 어플리케이션에 적용할 때는, 해당 모드가 호환되지 않는 장치와의 연결도 고려해야할 것으로 보임.
• nRF 보드 끼리는 Advertising 단계에서부터 Long-Range 모드로 동작시켜도 되는데, nRF5 SDK 에서는 Advertising 패킷은 Long-Range 로 송신되지 않음.

Advertising 단계에서 Long-Range 패킷을 전송하기 위해서는 Extended 모드로 패킷을 송신해야하는데, 간단하게 테스트 해봤을 때는 이를 적용하더라도 기존 1 Mbps 모드로 패킷이 송신되는 것처럼 보였다. nRF5 SDK 에서 지원이 안 되는 것인지, 아니면 뭔가 설정하는 과정에서 빠뜨린 부분이 있는 것인지 모르겠는데.. 일단 추후에 Long-Range 관련 포스트를 다루게 되면 다시 소개하는 걸로…🎆