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ESP32とスマホでBLE通信をする．そしてロボットを動かす．

2025/03/21に公開

 はじめにこの記事は弊ロボコンサークルの初心者向け教育資料として、大量にあったESP32-S3を使って最小構成機体を動かしてもらうために作成しました。筆者自体も初心者なので、拙い部分は大目に見てください。
ESP32はBluetoothが使えます．今回は，ESP32-S3-devkitc-1を使います．

ESP32-S3は，BLE通信のみで，PS4などのclassicBluetoothは使えません．

そこで今回は，スマホアプリ”MicroBlue”を使って，ESP32とスマホ間でBLE通信を試みます．

 0. 使用するロボットとブロック図と回路図

 ブロック図

 パワー配線

 制御配線

 1. 環境構築

 ESP32用のArduino環境をセットアップ
まず、ESP32-S3をArduino IDEで使えるようにします。
Arduino IDEのインストール
公式サイトからダウンロード: https://www.arduino.cc/en/software
ESP32ボードマネージャのインストール
Arduino IDEを開く

[ファイル] → [環境設定] を開く
追加のボードマネージャのURL に以下を入力：https://raw.githubusercontent.com/espressif/arduino-esp32/gh-pages/package_esp32_index.json

[ツール] → [ボード] → [ボードマネージャ] を開き、「ESP32」を検索
「esp32 by Espressif Systems」をインストール
ESP32-S3用のボードを選択

[ツール] → [ボード] から "ESP32S3 Dev Module" を選択

 3. ESP32-S3のスケッチ
iPhoneとESP32-S3をBLE通信させるには、ESP32を BLE Peripheral（サーバー） として動作させ、iPhone側を BLE Central（クライアント） として操作します。

 コードと使用例
以下のリポジトリから、"myBLEController.h"、"myBLEController.cpp"をダウンロードして、

main.inoと同じディレクトリに配置して下さい。
https://github.com/takaki-maeda-99/takaki-works-hub/tree/main/Training/Intro/main

 使用例
以下では、タイマー割込みでBLE通信を読み取りを行っています。

スマホから飛んでくるx,yの値が 0 ~ 1023 なので原点を機体と一致させるために、

中央値を引いてx,yに格納、このx,yを使ってモーターへ出力しています。
#include <Arduino.h>
#include "myBLEController.h"

hw_timer_t *timer = NULL;    // タイマーのポインタ

void onTimer();

// グローバルにインスタンスを用意
MyBLEController myBLE;

#define MR_PWM 4
#define MR_DIR 5
#define ML_PWM 6
#define ML_DIR 7

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  // BLE初期化
  myBLE.begin("My BLE Controller");  // 広告するデバイス名

  timer = timerBegin(1000);  // タイマーを1kHzで初期化
  timerAttachInterrupt(timer, &onTimer);  // 割り込み関数を設定
  timerAlarm(timer, 50, true, 0);  // 50msごとに割り込みを発生させる

  pinMode(MR_PWM,OUTPUT);
  pinMode(MR_DIR,OUTPUT);
  pinMode(ML_PWM,OUTPUT);
  pinMode(ML_DIR,OUTPUT);
}

static std::array<std::array<int, 2>, 2> current;

int x = 0;
int y = 0;

void IRAM_ATTR onTimer() {
  // 何かキーが受信されていれば確認
  // static String lastVal;
  current = myBLE.getLastReceived();
  Serial.print("d0:");
  Serial.print(current[0][0]);
  Serial.print(current[0][1]);
  Serial.print(",d1:");
  Serial.print(current[1][0]);
  Serial.println(current[1][1]);

  x = (current[0][0] - 512);
  y = (current[0][1] - 512);
}

float ml_power = 0;
float mr_power = 0;

void loop() {
  analogWrite(ML_PWM, 0);
  analogWrite(MR_PWM, 0);

  ml_power = 255*(-x+y)/1024;
  mr_power = 255*(-x-y)/1024;

  analogWrite(ML_PWM, abs(ml_power));
  analogWrite(MR_PWM, abs(mr_power));

  if(ml_power>0) digitalWrite(ML_DIR,1);
  else digitalWrite(ML_DIR,0);
  if(mr_power>0) digitalWrite(MR_DIR,1);
  else digitalWrite(MR_DIR,0);
  
  Serial.print(ml_power);
  Serial.println(mr_power);

  delay(50);
}


 ESP32への書き込み最初は，"ESP32 familydevice"と認識されるはず．

ツール → ボード → ESP32 → ESP32S3 Dev Module

にボードを変更する．

すると，ツールにオプションが出てくる．これを適切に設定する．

とりあえず下記のように設定すればOK（各設定項目の説明は最後に記す．

）


 書き込みESP32に書き込む．ESP32が起動すると，自動でサーバーが立つ．

書き込みに失敗するよくあるパターンとして，ESP32がブートモードになっていない場合がある．

手動ブートモード：BOOTボタンを押しっぱなし → RESET → 指を離す順番で試す。

 BLE通信MicroBlueを起動し，右上のBluetoothマークから，"myBLEcontroller"を選択.

操作画面の"d0"のjoyコン、もしくは十字キーで操作することができます。

 動かす

 以下は、Arduino IDEの「ツール」メニューで選択できるESP32-S3の設定項目の説明です。
 1. USB CDC On Boot: "Enabled"
CDC (Communications Device Class)を有効化するかどうか
Enabled にすると、ESP32-S3が仮想シリアルポートとして認識される
これを有効にすると、USBケーブルでESP32-S3とPC間のシリアル通信が可能になる

 2. CPU Frequency: "240MHz (WiFi)"
ESP32-S3の動作クロック（CPU速度）

240MHz はESP32-S3の最大クロック速度

WiFi と書かれているのは、この設定がWiFi利用時の推奨設定であるため

 3. Core Debug Level: "None"
デバッグログの出力レベル

None にするとデバッグメッセージが表示されない

Verbose にすると詳細なデバッグ情報が出る（開発時には便利だが、動作が遅くなる）

 4. USB DFU On Boot: "Disabled"
DFU（Device Firmware Update）を有効にするかどうか
DFUを有効 (Enabled) にすると、ESP32-S3をUSB経由でファームウェア更新できる

Disabled にすると通常のUART経由での書き込みのみ可能

 5. Erase All Flash Before Sketch Upload: "Disabled"
スケッチを書き込む前にフラッシュメモリを全消去するかどうか

Enabled にすると、毎回フラッシュメモリが完全消去される（問題が発生したときのリセット用）

Disabled にすると、前のデータが部分的に残る（通常はこれでOK）

 6. Events Run On: "Core 1"
ESP32-S3のどのCPUコアでイベントを処理するか
ESP32-S3はデュアルコア (Core 0 & Core 1) を持つ

Core 1 は通常、WiFiやBLEの処理に使われる

 7. Flash Mode: "QIO 80MHz"
フラッシュメモリのアクセスモードと速度

QIO (Quad Input/Output) は4本のデータ線を使って高速アクセスするモード

80MHz はフラッシュの動作クロック

 8. Flash Size: "4MB (32Mb)"
ESP32-S3のフラッシュメモリ容量

4MB（=32メガビット）のストレージが使える
より大きな容量のESP32-S3ボードもある（例: 8MB、16MB）

 9. JTAG Adapter: "Disabled"
JTAGデバッグを有効化するか

Enabled にするとJTAG（ハードウェアデバッグ）が使えるが、通常は Disabled で問題ない

 10. Arduino Runs On: "Core 1"
Arduinoスケッチが動作するCPUコア

Core 1 にすると、WiFiやBLEと同じコアでスケッチが動作する

Core 0 に変更すると、WiFiとは別のコアでスケッチが実行される（リアルタイム処理向け）

 11. USB Firmware MSC On Boot: "Disabled"
ESP32-S3をUSBストレージデバイスとして起動するか

Enabled にすると、PCにUSBメモリのように認識される

Disabled の場合は通常の動作

 12. Partition Scheme: "Default 4MB with spiffs (1.2MB APP/1.5MB SPIFFS)"
ESP32-S3のフラッシュメモリのパーティション構成

APP 1.2MB：プログラム用の領域

SPIFFS 1.5MB：SPI Flash File System（データ保存用）
他のオプション：

"No OTA (2MB APP/1.5MB SPIFFS)" → OTA（Over-the-Air）アップデートなし、アプリ領域が広い

"Minimal SPIFFS (1.9MB APP/190KB SPIFFS)" → アプリの領域を最大化

 13. PSRAM: "Disabled"
ESP32-S3に追加のPSRAM（Pseudo-SRAM）がある場合に有効化

Enabled にすると、大量のメモリが必要な処理（画像処理など）が可能になる

Disabled なら内蔵RAMのみ使用

 14. Upload Mode: "UART0 / Hardware CDC"
プログラムの書き込み方式

UART0 → シリアルポート経由で書き込み

Hardware CDC → USB経由で書き込み（通常はこっちでOK）

 15. Upload Speed: "921600"
ESP32-S3へのプログラム書き込み速度（ボーレート）

921600 は高速設定（通常はこれでOK）
もし書き込みに失敗する場合は 115200 に変更

 16. USB Mode: "Hardware CDC and JTAG"
USBの機能設定

Hardware CDC → USBシリアル通信を有効化

JTAG → ハードウェアデバッグも有効

 17. Zigbee Mode: "Disabled"
Zigbee通信機能を有効にするか

Disabled ならZigbee通信はオフ
ESP32-S3の一部のモデルはZigbeeをサポートするが、通常は不要

はじめに

0. 使用するロボットとブロック図と回路図

ブロック図

パワー配線

制御配線

1. 環境構築

ESP32用のArduino環境をセットアップ

3. ESP32-S3のスケッチ

コードと使用例

使用例

ESP32への書き込み

書き込み

BLE通信

動かす

以下は、Arduino IDEの「ツール」メニューで選択できるESP32-S3の設定項目の説明です。

1. USB CDC On Boot: "Enabled"

2. CPU Frequency: "240MHz (WiFi)"

3. Core Debug Level: "None"

4. USB DFU On Boot: "Disabled"

5. Erase All Flash Before Sketch Upload: "Disabled"

6. Events Run On: "Core 1"

7. Flash Mode: "QIO 80MHz"

8. Flash Size: "4MB (32Mb)"

9. JTAG Adapter: "Disabled"

10. Arduino Runs On: "Core 1"

11. USB Firmware MSC On Boot: "Disabled"

12. Partition Scheme: "Default 4MB with spiffs (1.2MB APP/1.5MB SPIFFS)"

13. PSRAM: "Disabled"

14. Upload Mode: "UART0 / Hardware CDC"

15. Upload Speed: "921600"

16. USB Mode: "Hardware CDC and JTAG"

17. Zigbee Mode: "Disabled"

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