第十六篇 ESP32 藍芽BT連線：即時通訊與語音指令 @ 夜市小霸王

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本章將介紹ESP32的藍芽通訊，藍芽與WiFi都是用來通訊，藍芽通常用於近端點對點通訊，WiFi則常用來連入網際網路，所謂的點對點就像是藍芽無線耳機與手機連接，用來播放音樂，或者藍芽滑鼠鍵盤功能是輸入文字，只是一種序列通訊，功能較為簡單，因此不需要像WiFi這樣太複雜的設定，不過藍芽雖然簡單，但是使用上方便，只要配對就可以取用服務，所以也非常流行。
與藍芽同位階的應該算是紅外線，不過紅外線有方向性，是要對準裝置才能傳輸，速度慢不說，距離大概不能超過10公尺，而藍芽則無方向性，因此不用對準，而且傳輸距離遠、速度也比紅外線快很多。
本書將會介紹如何使用ESP32藍芽與手機連線通訊，並透過手機的語音辨識遙控電風扇及檯燈，此外也會介紹最新的ibeacon室內定位裝置原理及實做。本章先簡介ESP32的藍牙通訊設定與使用，由於是藍芽內建的，所以不用接線或設定AT COMMAND，也不用宣告TXRX相關的通訊協定，而且ESP32內建的藍芽是採用低功率藍芽（BLE：Bluetooth Low Energy）耗電量較少，傳輸距離理論可達300公尺遠，實際測試30公尺沒問題，而常見搭配UNO使用的HC-05屬於藍芽2.1，理論傳輸距離只有10公尺，本章將介紹如何的啟動ESP32藍芽裝置，並搭配Android手機進行通訊，以下為本章的架構。

一、藍芽單向傳輸
二、藍芽雙向傳輸
三、藍芽指令與語音辨識

一、藍芽單向傳輸
本節說明使用ESP32藍芽將資訊傳遞給藍芽裝置（手機）進行接收，由於bluetooth函式庫iOS手機不相容的原因，後續章節都將使用Android裝置進行解說。
ESP32藍芽的開啟僅需幾個步驟：
1. 使用藍芽函式庫：#include <BluetoothSerial.h>
2. 宣告藍芽序列通訊物件：BluetoothSerial BT;//BT為藍芽通訊物件
3. 在Setup中開啟藍芽：BT.begin("BTName");// BTName為藍芽廣播名稱
4. 當要傳輸資訊時：BT.print("要傳輸的文字");//println則是換行
我們先來一個簡單的測試，就是每秒傳輸一次"Hello World!"到手機中，程式如下

#include <BluetoothSerial.h>
BluetoothSerial BT;//宣告藍芽物件，名稱為BT

void setup() {
Serial.begin(115200);
BT.begin("Eric1030");//請改名例如英文+生日，以免與其他同學名稱重複
}

void loop() {
BT.println("Hello World!");
delay(1000);
}

完成程式上傳後，我們來處理手機的部份，請將Android手機開啟App store，並搜尋Arduino Bluetooth Control，其圖示如下，APP Store有很多類似的APP其實功能都差不多，但是我們選定的這個APP有提供語音辨識的功能，後續練習將會用到。讀者若無法找到該APP，可能是版本不相容，但可從筆者雲端空間中下載備份APK檔案：https://t.ly/YRWpD

Arduino Bluetooth Control（Google Play網址：https://t.ly/eA2R3）

手機安裝好APP後，啟動藍芽連線設定如圖2，如果未在可用裝置中出現請點選不常用類型裝置，您所設定的ESP32藍芽名稱就會出現在這裡（如圖3），點選您的ESP裝置就會出現配對訊息（如圖4），點選下方的配對即可完成配對（如圖5）。


圖2：開啟藍芽設定	圖3：藍芽不常用裝置列表

圖4：開始配對	圖5：配對完成

完成配對後，開啟剛剛安裝的Arduino Bluetooth Control APP，若沒有自動連線，則點選上方的箭頭圖示選擇要本次要連線的ESP32裝置（如圖6）。
連線成功時，下方會出現「Connected to 裝置名稱」的訊息（如圖7），此時再點選序列通訊的功能，即可看到每秒一次的「Hello World!」訊息（如圖8）。


圖6：開啟APP連線藍芽裝置	圖7：等候連線成功（connected）

圖8：點選右上序列通訊功能	圖9：觀察傳入的資訊

接下來我們使用DHT11溫濕度計為範例，將溫濕度的值傳入手機中，關於DHT11溫濕度計的使用方式請參考前面章節的內容，另外每次ESP32更新程式時重新啟動時，APP都必須按一下連線的圖示，重新與裝置建立連線，才能讀取資訊。

#include <SimpleDHT.h>
#include <BluetoothSerial.h>
BluetoothSerial BT;
int pinDHT11 = 25; //本例請將溫度計S腳接在左11 (GPIO25)
SimpleDHT11 dht11(pinDHT11);

void setup() {
Serial.begin(115200);
BT.begin("Eric1030");//請改名
}

void loop() {
// start working...
Serial.println("=================================");
Serial.println("Sample DHT11...");
// read without samples.
byte temperature = 0;
byte humidity = 0;
int err = SimpleDHTErrSuccess;
if ((err = dht11.read(&temperature, &humidity, NULL)) != SimpleDHTErrSuccess) {
Serial.print("Read DHT11 failed, err="); Serial.println(err); delay(1000);
return;
}
//將溫濕度傳輸到藍芽裝置
BT.print((int)temperature);
BT.print(" *C,");
BT.print((int)humidity);
BT.println(" H");
delay(1000); //休息1秒
}

圖10：利用藍芽傳輸DHT11溫濕度

二、藍芽雙向傳輸
只有ESP32傳送資料到手機，可以反過來讓手機傳資料到ESP32嗎？當然可以，而且更好玩。這部份ESP32的流程是這樣的
1.檢測藍芽是否有資料：BT.available()
2.如果有資料，我們就把資料讀出：BT.readString()
3.將資料從電腦的序列視窗（Serial）中印出來。
這部份的程式如下

#include <BluetoothSerial.h>
BluetoothSerial BT;

void setup() {
Serial.begin(115200);
BT.begin("Eric1030");//請改名
}
void loop() {
//檢查藍芽內是否有資料
while (BT.available()) {
//讀取藍芽資料
String BTdata=BT.readString();
//顯示在序列視窗
Serial.println(BTdata);
}
delay(1);
}

連線成功後，一樣點選右上序列通訊功能後，此次在下方的空白處，輸入文字並按鍵盤的Done或Enter送出後，我們即可在電腦的序列通訊視窗中收到手機傳來的訊息。


圖11：在手機輸入訊息	圖12：ESP32的序列視窗中讀取訊息

不過這樣單方面只能手機講話有點孤單，我們要如何讓ESP32也能打字回覆？
其實語法很類似，只是與藍芽的方向相反，就是檢查序列是否有資料輸入Serial.available()，當Serial.available()時用Serial.readString()將資料讀入後，再用BT.println()將資料送到手機。不過ESP32要在哪裡打字呢？是透過序列通訊視窗上面的空白處（如圖13），本部份程式如下

#include <BluetoothSerial.h>
BluetoothSerial BT;

void setup() {
Serial.begin(115200);
BT.begin("Eric1030");//請改名
}

void loop() {
//檢查序列內是否有資料
while (Serial.available()) {
//讀取序列資料
String Sdata = Serial.readString();
//傳輸給藍芽
BT.println(Sdata);
}

//檢查藍芽內是否有資料
while (BT.available()) {
//讀取藍芽資料
String BTdata = BT.readString();
//顯示在序列視窗
Serial.println(BTdata);
}
delay(1);
}


圖13：ESP32在序列視窗輸入訊息	圖14：雙向資料傳輸

三、藍芽指令與語音辨識
這樣的程式只能拿來藍芽聊天嗎？其實這可以用來遙控一些東西，例如我們用簡單的LED燈來測試，將LED依照前面的內容依序將綠黃紅放置在GPIO4,16,17（麵包板右7,8,9）位置，接下來我們假設ESP32從藍芽接到傳來'1'時，就開啟綠LED，而'2'代表關閉綠LED，其餘雷同，'3''4'代表開啟及關閉黃LED，'5''6'代表開啟及關閉紅LED，這樣我們就可以用手機來遙控三個燈號。完整程式如下

#include <BluetoothSerial.h>
BluetoothSerial BT;

void setup() {
Serial.begin(115200);
BT.begin("Eric1030");//請改名
pinMode(15, OUTPUT); //綠色LED
pinMode(2, OUTPUT); //黃色LED
pinMode(4, OUTPUT); //紅色LED
}

void loop() {
//檢查序列內是否有資料
while (Serial.available()) {
//讀取序列資料
String Sdata = Serial.readString();
//傳輸給藍芽
BT.print(Sdata);
}

//檢查藍芽內是否有資料
while (BT.available()) {
//讀取藍芽資料
String BTdata = BT.readString();
//顯示在序列視窗
Serial.println(BTdata);
//檢查藍芽資料及相對的指令
if (BTdata == "1") {
//1：開綠燈
digitalWrite(15, HIGH);
}
if (BTdata == "2") {
//2：關綠燈
digitalWrite(15, LOW);
}
if (BTdata == "3") {
//3：開黃燈
digitalWrite(2, HIGH);
}
if (BTdata == "4") {
//4：關綠燈
digitalWrite(2, LOW);
}
if (BTdata == "5") {
//5：開紅燈
digitalWrite(4, HIGH);
}
if (BTdata == "6") {
//6：關紅燈
digitalWrite(4, LOW);
}

}
delay(1);
}

我們將數字1～6按過一次，就會發現燈號依序亮起熄滅，代表藍芽傳輸正常。

圖15：將數字1-6輸入，查看燈號變化

除了使用序列通訊用自己打字的方式之外，也可以使用APP上其他的功能，我們先來看看左側上方的方向鍵，我們點選不同方向時，觀察獲得的資訊，會發現其實每個方向對應的是一個數字（如圖17），因此按下不同方向，剛好可以控制燈號，例如「^」對應數字「1」，所以按「^」就會開啟綠燈，在按鈕時要請讀者慢慢按，不要太急，否則他會將很多數字合成一個字串才送出，例如一直按往上「^」會送出「11111」，而這樣的方式我們的程式是無法判讀的，因為我們是用字串比對，而非字元比對。


圖16：APP上的所有功能	圖17：方向鍵功能

而在加速器上，則對應的方向與上面的方向鍵是相同的，不過他的控制是用手機的傾斜方向來控制送出的訊號，例如你將手機向前傾斜一秒鐘後復原水平狀態，手機會對ESP32送出一連串的「11111111」，向後則會送出「2222222…..」等，有些手機硬體沒有支援加速器，就不會送出任何資料，與上面相同的，我們程式以字串比對，所以這個功能無法控制燈號。


圖18：加速器功能（請透過傾斜你的手機來觸發）	圖19：接收到的資料

按鈕的功能如圖示，不過這裡APP有一個小bug，就是5、6是標錯的，預設標成4、4（如圖20），我們要進入設定進行修改。點選右上機器人圖示按鈕進入設定功能，尋找「Command button configuration」（如圖21），點選Button E，然後修改對應的值從4改為5，相同的步驟，請設定Button F對應的值為6。完成修改設定之後，一樣依序點選按鈕，也可以觀察到燈號的變化


圖20：按鈕的功能	圖21：設定Button E按鈕為5

圖22：設定Button F按鈕為6	圖23：正確的按鈕功能

最後我們來看右下角的功能語音指令（Voice Control），也就是透過語音辨識來控制傳輸的，不過我們一樣必須先設定語音及所對應的文字，例如，當我們說「開綠燈」，手機就送出「1」到ESP32，而根據判斷ESP32獲得1就會開啟綠色LED。
我們先點選右上角的機器人圖示來設定語音指令，進入設定後往下拉到底，可以找到「Vocal Command Configuration」的功能（如圖24），進入設定畫面後，該APP一共提供10個語音指令（如圖25），我們先設定一個作為示範。


圖24：設定語音指令	圖25：一共有10組語音指令

設定方式如下，我們點選第一個語音指令「Vocal Command n^o1」後，一共有兩個值要設定，第一個Vocal command代表要講的話，第二個Data to send則是要在藍芽發送的文字，舉例來說，要講的話就是「開綠燈」（如圖26），而要在藍芽發送的文字則是「1」（如圖27）。這樣當手機聽到我們講「開綠燈」時，就會發送1到ESP32，而依據程式的判斷，收到1就會開啟綠燈。而其餘的語音指令則可以依照相同的方式設定，例如「Vocal Command n^o2」的Vocal command設定為「關綠燈」、Data to send設定為「2」，而「Vocal Command n^o3」的Vocal command設定為「開黃燈」、Data to send設定為「3」等等。


圖26：設定語音命令為「開綠燈」	圖27：設定要送出的文字「1」

接下來我們就可以利用手機語音辨識的功能，來控制燈號開關，回到APP首頁畫面後（如圖28），點選右下角的「Voice Control」語音按鈕就會跳出麥克風圖示（如圖29），點選麥克風後，請讀者說出設定好的語音指令，例如「開綠燈」，此時手機辨識「開綠燈」成功後（如圖30），就會在藍芽送出「1」給ESP32，ESP32就可以開啟綠燈。