1-wire snímače na I2C, přesnější měření teploty

Prvotně publikováno na raspi.cz 21.11.2012.

V komentářích u článku o měření teploty přes čidla na I2C komentoval „DFZ“ nepoužití Dallasovských 1-wire čidel s tím, že připojit je přes GPIO4 a kernelový patch je snadné. Tak tedy zamyšlení a ukázka na téma 1-wire.

---

Něco málo teorie – co to je 1-wire?

„1-wire“ je patentní systém komunikace s čidly a obecně zdroji krátkých informací (teploměry, vlhkoměry, identifikační čipy, hodiny, malé paměti, …) od Dallas Semiconductors (nyní Maxim). Jedno z obchodních jmen této technologie je „iButton“ a rutinně se používá v docházkových systémech.

V jednodušší verzi stačí pro připojení zařízení dva vodiče – zem a obousměrný signálový drát. Jednotlivá koncová zařízení se v tomto případě napájejí parazitně ze signálového vodiče.

Pokud chcete mít maximální spolehlivost, můžete použít třívodičové zapojení – zem, napájení a signál.

Základním kouzlem 1-wire je rozumně navržený komunikační protokol a to, jak se obsluhuje sběrnice – a z obou těchto bodů vyplývající spolehlivost a maximální dosah. Na jednu sběrnici je možno připojit hodně čidel – až stovky zařízení. Dobře nastavený 1-wire bus s dobrým bus driverem (s aktivním napájením datového vodiče atd.) na kvalitním krouceném kabelu UTP-5 může fungovat až na vzdálenost v řádu 500 metrů a nenechá se rozhodit poměrně silným rušením. V amatérských podmínkách není problém připojovat zařízení vzdálená několik desítek metrů.

Jak připojit 1-wire zařízení k RPi?

Jsou v podstatě tři základní metody připojování 1-wire zařízení:

1) Použití hotového bus driveru na RS-232 nebo USB.

Existují moduly od Dallasu i od jiných výrobců (např. zde), které se připojí na USB nebo RS-232 a na druhém konci z nich kouká 1-wire. Jednoduché. Jeden problém je ale cena – mluvíme o řádově 30 USD. Druhý problém je, že to není elegantní – přece k RPi nebudeme připojovat ošklivý adaptér, který je stejně velký jako celá malina? A v neposlední řadě nemáme USB portů nazbyt, že?

2) Připojení čidel přímo na GPIO4 

Součástí distribuce Occidentalis je přímá podpora 1-wire čidel na GPIO4 pomocí bit-bangingu (tj. někdo v assembleru nakódoval správné sekvence nul a jedniček; pro časování se nepoužívá žádný hardware, je to čistě softwarové řešení). Stejná funkce se pomocí kernelového patchu „w1“ dá docpat i do běžného Raspbianu.

Jenže se mi to nelíbí.

Nelíbí se mi realizace. Distribuce Occidentalis mi nefungovala dobře. A řešení s kernelovým patchem znamená, že už nepoužíváte standardní kernel – a tedy při každém update systému musíte řešit, zda to bude fungovat i nadále. Kdyby se to dostalo do jádra Raspbianu, bylo by to něco jiného.

Nelíbí se mi ale ani samotná myšlenka, že se to bude řešit přímo na GPIO portu. Smysl to určitě má – pro jednotky čidel na drátu dlouhém max. desítky centimetrů. Ale představa, že by 1-wire bus byl delší a na jednom konci končil přímo procesorem RPi … brrr. Odolnost takového řešení proti indukci neočekávaných napětí je mizivá. Takže jednoho dne zjistíte, že vaše RPi shořelo.

Takže co nám zbývá?

3) Použití bus driveru pro I2C

Ano, to je správná cesta. Na I2C si připojíme bus driver – čip, který má na jedné straně I2C a na druhé jeden či více 1-wire busů. Když se něco semele, vyměníme jen spálený bus driver – a ten je navíc výrazně odolnější než procesor RPi. Takže tohle je určitě správná cesta.

Připojení 1-wire čidla teploty přes bus driver DS2482

DS2482-100 (25 Kč u TME) je to, co hledáme. (Maximalisté mohou použít DS2482-800 – to je stejný čip, ale má 8 1-wire busů.)

Datasheet.

Tenhle čip má jen jednu malinkou chybičku. Skoro přehlédnutelnou. Největší pouzdro, ve kterém se vyrábí, je SO-8. Tj. rozměry čipu jsou cca 4×6 mm a rozteč nožiček je poloviční proti běžným DIL pouzdrům – 1/20″ (pro evropany 1,27 mm). Do nepájivého kontaktního pole to nedostanete.

Takže nezbývá než vyndat pájku. SO-8 je asi nejmenší velikost pouzdra, co se ještě dá amatérsky pájet.

Pokud se vám, stejně jako mně, nechce si leptat vlastní plošný spoj, je možné ho koupit zde. Ideální není – tomu, kdo vymyslel vývody pod čipem bych utrhnul něco důležitého – ale použít se dá.

Zapojení je jednoduché:

• 1 – napájení +3.3V
• 2 – datový vodič pro 1-wire, je nutné připojit přes odpor 4k7 na +3.3V
• 3 – GND
• 4 – SCL
• 5 – SDA
• 6 – pomocí této nohy se řídí „aktivní napájení datového vodiče 1-wire“, což neřešíme = nezapojit
• 7+8 – výběr adresy, spojíme na GND

Takto zapojený 1-wire bus je nejjednodušší možný – pro malé počty čidel a krátké přívody. Pokud bychom chtěli připojit hodně čidel a/nebo mít bus velmi dlouhý (desítky metrů), je potřeba tam přidat jeden MOSFET transistor pro aktivní pullup řízený nožičkou číslo 6. Jo a taky by se hodilo napájení sběrnice +5V. Viz datasheet.

Jako experimentální čidlo použijeme čidlo teploty DS18B20 (24 Kč u TME). Datasheet. DS18B20 umožňuje až 12-bitovou konverzi dat a v rozsahu -10 až +85 stupňů slibuje přesnost +-0.5 stupně. A je v pěkně použitelném třínožičkovém pouzdru.

Zapojení je jednoduché – prostřední nožičku na 1-wire data, levou na GND a pravou na +3.3V. Pokud bychom chtěli připojit více čidel, všechny se zapojí paralelně.

Software

Nejprve se koukneme, zda vidíme bus driver na I2C sběrnici.

pi@raspberrypi ~ $ i2cdetect -y 0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f
00: — — — — — — — — — — — — —
10: — — — — — — — — 18 — — — — — — —
20: 20 — — — — — — — — — — — — — — —
30: — — — — — — — — — — — — — — — —
40: — — — — — — — — 48 — — — — 4d — —
50: — — — — — — — — — — — — — — — —
60: — — — — — — — — — — — — — — — —
70: — — — — — — — —

Je tam nové zařízení na adrese 18, takže je to v pořádku.

No a teď jak to vlastně použít – jak načíst hodnoty z čidel?

Kouzlo linuxu a open-source světa je, že hodně problémů už někdo promýšlel a vyřešil je lépe, než bych dokázal sám. Takže i pro 1-wire čidla existuje řešení – OWFS (one-wire file system). A existuje přímo v balíčku pro Raspbian!

Tak do toho:

sudo mkdir /mnt/1wire
sudo apt-get install owfs
sudo apt-get install owfs-doc
sudo apt-get install ow-shell

Nyní je potřeba editovat /etc/owfs.conf :

Zakomentujte (přidejte před ní #) řádku:

server: FAKE = DS18S20,DS2405

a přidejte následující řádky:

device = /dev/i2c-0
mountpoint = /mnt/1wire
Celsius
allow_other
error_print = 0
error_level = 0

Dále editujte /etc/fuse.conf – odkomentujte řádku

user_allow_other

Teď by bylo dobré restartovat. Chvilku počkáme, než RPi naběhne… a pak zkusíme vypsat obsah owfs:

pi@raspberrypi ~ $ owdir
/28.9614C2030000
/bus.0
/uncached
/settings
/system
/statistics
/structure
/simultaneous
/alarm

Výpis „owdir“ ukazuje strukturu objektů v owfs. Objekt „/28.9614C2030000“ reprezentuje teplotní čidlo; kdyby bylo připojeno více čidel, měly by obdobná jména. Objekt „/bus.0“ je 1-wire sběrnice; kdyby bylo více sběrnic (např. při použití čipu DS2482-800), bylo by zde více záznamů „/bus.#“ .

Objekty jsou uloženy stromově – je možné se dívat i na další úrovně. Třeba na detaily čidla:

pi@raspberrypi ~ $ owdir /28.9614C2030000
/28.9614C2030000/address
/28.9614C2030000/alias
/28.9614C2030000/crc8
/28.9614C2030000/errata
/28.9614C2030000/family
/28.9614C2030000/fasttemp
/28.9614C2030000/id
/28.9614C2030000/locator
/28.9614C2030000/power
/28.9614C2030000/r_address
/28.9614C2030000/r_id
/28.9614C2030000/r_locator
/28.9614C2030000/temperature
/28.9614C2030000/temperature10
/28.9614C2030000/temperature11
/28.9614C2030000/temperature12
/28.9614C2030000/temperature9
/28.9614C2030000/temphigh
/28.9614C2030000/templow
/28.9614C2030000/type

Pro čtení dat z jednotlivých souborů je k dispozici příkaz owread. Můžeme se tedy zeptat třeba na typ připojeného čidla:

pi@raspberrypi ~ $ owread /28.9614C2030000/type
DS18B20

A jakou nám měří teplotu?

pi@raspberrypi ~ $ owread /28.9614C2030000/temperature
20.4375

(Jaké hodnoty jsou v dalších souborech a co s nimi? Nastudujte si za domácí úkol dokumentaci OWFS a datasheet čidla DS18B20.)

Stejným způsobem jako k čidlu se můžeme chovat i k ostatním položkám stromu OWFS. Třeba můžeme zjisti, jaký bus master je použit pro bus.0:

pi@raspberrypi ~ $ owread /bus.0/interface/settings/name
DS2482-100

Jak zde je vidět, OWFS řeší spoustu věcí, ne jen vlastní zjištění teploty. Pro většinu 1-wire zařízení OWFS umožňuje plnohodnotné použití. Například u teplotních čidel je tak možno zjišťovat maxima a minima nebo nastavovat limity pro automatické alerty. Vygenerované alerty pak najdete v cestě /alarm.
Dá se to ještě vylepšit? No jistě!

Copak asi značí to „FS“ v názvu OWFS? Filesystém.

Zkusíme ho spustit:

sudo owfs

No a teď zkusíme použít ne „owdir“, ale prostý výpis adresáře:

pi@raspberrypi ~ $ ls -l /mnt/1wire
total 0
drwxrwxrwx 1 root root 8 Nov 17 23:49 28.9614C2030000
drwxr-xr-x 1 root root 8 Nov 17 23:49 alarm
drwxr-xr-x 1 root root 8 Nov 17 23:49 bus.0
drwxr-xr-x 1 root root 8 Nov 17 23:49 settings
drwxrwxrwx 1 root root 8 Nov 17 23:49 simultaneous
drwxr-xr-x 1 root root 8 Nov 17 23:49 statistics
drwxr-xr-x 1 root root 32 Nov 17 23:49 structure
drwxr-xr-x 1 root root 8 Nov 17 23:49 system
drwxr-xr-x 1 root root 8 Nov 17 23:49 uncached

A hele? Je tu totéž, co vypisovalo owdir!
A data se z toho čtou jak? No jako z normálních souborů:

pi@raspberrypi ~ $ cat /mnt/1wire/28.9614C2030000/temperature
20.6875

Šlo by z toho dostat ještě víc?

Pomocí služby owhttpd je možné stejná data zpřístupnit jako webové stránky.

Aplikace owserver a owhttpd jsou systémové služby, takže se spouští při startu systému a je možno je ovládat pomocí

sudo service owserver start
sudo service owserver stop

resp.

sudo service owhttpd start
sudo service owhttpd stop

Další odkazy

A design guide for the layman: understanding, designing and building MicroLan™ (1-Wire) networks:
http://www.1wire.org/Files/Articles/1-Wire-Design%20Guide%20v1.0.pdf

Guidelines for Reliable Long Line 1-Wire® Networks:
http://www.maximintegrated.com/app-notes/index.mvp/id/148
Zde najdete informace, jak počítat délky 1-wire sítě a jaké jsou limity 

Quickstart quide pro ubuntu:
http://owfs.org/index.php?page=quickstart-guide

Kterak zajistit, aby se „owfs“ (ne owserver) spustilo samo po startu systému:
http://wiki.temperatur.nu/…

Jak připojit čidla teploty přes GPIO4 a kernelový patch (česky – zdejší diskutující MiK):
http://www.astromik.org/raspi/15.htm

1 – I2C teploměry
2+3 – I2C GPIO expandér a jím řízená LED
4 – budič 1-wire sběrnice DS2482-100
5 – teplotní čidlo DS18B20

I2C potřetí: rozsvěcíme LED diodu složitěji a dráže

Prvotně publikováno na raspi.cz 19.11.2012. 

 

Ve svém druhém příspěvku jsem ukazoval,  jak rozsvítit LED připojenou na GPIO. Je to snadné, že? Tak teď to bude znovu, ale složitěji.

---

Přímé připojení vstupů a výstupů na GPIO porty RPi je hezké (a na výuku/předvádění je to super), ale má to dva háčky:

• Není zcela zjevné, kolik proudu je možno z jednotlivých GPIO krátkodobě a dlouhodobě odebírat – a když to přeženete, nedopadne to dobře.
• Většina „bastlířského“ světa funguje na pětivoltové logice – a pokud přivedete 5 V na vstup, můžete RPi říct jen „pápá“.

Oba tyto problémy lze vyřešit například použitím I2C GPIO expandéru. Pod označením MCP23009-E/P najdete 8-bitový I2C port expander s otevřeným kolektorem – tj. čip, který má na straně RPi jeden I2C port a směrem ven nabízí 8 I/O portů. Každý z portů si můžete nastavit jako vstupní nebo výstupní.

Port nakonfigurovaný jako vstup je tolerantní k pětivoltové logice, tj. korektně přežije spolupráci s TTL zařízením.

Port nakonfigurovaný jako výstup má tyto parametry:

• Je tolerantní k 5 V signálům.
• Má maximální proud 25 mA (a součet přes celý čip nesmí přesáhnout 200 mA).
• Má otevřený kolektor – tj. když je na něm logická 0, je sepnutý na zem; když je na něm logická 1, není připojený nikam. Tj. logickou jedničku dosáhnete tím, že výstup přes odpor připojíte k napájení. Kouzlo tohoto řešení je v tom, že při připojení odporu k 3.3V můžete komunikovat se zařízeními s třívoltovou logikou; při připojení odporu k 5 V můžete komunikovat s běžnými TTL (5 V) zařízeními.

Datasheet k obvodu.

Takže to zapojíme:

• Napájení obvodu na +3.3V a na GND.
• I2C SDA a SCL na odpovídající výstupy na expanzním konektoru.
• Dále zde máme /RESET – aby se obvod nahodil, musí tam být logická 1 = přes odpor na +3.3V.
• Kouzelný vstup ADDR určuje, jakou adresu na I2C sběrnici čip obsadí. Je analogový (!!!) a umožňuje tak jedním drátem určit jednu z osmi adres (=až osm těchto expandérů na jedné I2C sběrnici). Pro zjednodušení si s tím nebudeme hrát a připojíme ADDR na GND = základní adresa 0x20.
• GP0 až GP7 jsou jednotlivé GPIO vstupy/výstupy.
• Ostatní nožičky necháme volné.

Mezi +5 V a pin GP0 zapojíme odpor 330 ohm a LEDku. Tj. LED bude svítit, pokud na GP0 bude „0“ = připojeno na zem. Opačně by to nefungovalo – otevřený kolektor, viz výše.

Jako vedlejší efekt tohoto cvičení jsem si chtěl vyzkoušet nějaký nástroj na kreslení schémátek. Zde tedy je výstup z aplikace Fritzing. Vypadá jako vhodná na podobná malování – má hotové moduly i např. pro RPi, nepájivé kontaktní pole má logiku a automaticky propojuje součástky. Kreslí se v tom rychle a pohodlně.

 

Zapojeno máme, co teď s tím?

Po bootu se RPi zeptáme, zda je tam něco nového na I2C sběrnici.

pi@raspberrypi ~ $ i2cdetect -y 0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f
00: — — — — — — — — — — — — —
10: — — — — — — — — — — — — — — — —
20: 20 — — — — — — — — — — — — — — —
30: — — — — — — — — — — — — — — — —
40: — — — — — — — — 48 — — — — 4d — —
50: — — — — — — — — — — — — — — — —
60: — — — — — — — — — — — — — — — —
70: — — — — — — — —

Na adrese 0x20 vidíme nové zařízení. 0x48 a 0x4d jsou teplotní čidla z minulého dílu.

Nastavíme registr IODIRA (0), který určuje, zda jsou piny vstupní nebo výstupní. 1 = vstup, 0 = výstup. Pro komunikac použijeme i2cset, kterému předáme parametry:

• -y = neptej se na nic
• 0 = sběrnice 0
• 0x20 = adresa čipu na sběrnici
• 0 = adresa registru v čipu
• 0xfe = hodnota, co nastavujeme (1111 1110)
• b = zapisujeme 1 byte

pi@raspberrypi ~ $ i2cset -y 0 0x20 0 0xfe b

LED se rozvítila! Defaultní hodnota výstupního pinu je totiž „0“.

No a teď můžeme blikat LEDkou. Piny se ovládají v registru OLATA (0x0a).

pi@raspberrypi ~ $ i2cset -y 0 0x20 0x0a 0x01 b

(1 = zhasnuto)

pi@raspberrypi ~ $ i2cset -y 0 0x20 0x0a 0x00 b

(0 = svítí)

pi@raspberrypi ~ $ i2cset -y 0 0x20 0x0a 0x01 b

(1 = zhasnuto)

Kdybych chtěl číst stav vstupních pinů, je to k nalezení v registru GPIOA (0x09).

Takže děláme stejnou práci, jako na začátku. Blikáme LEDkou. Ale daleko sofistikovaněji než předtím.

Tipy a triky:

• Od stejného výrobce se dá pořídit MCP23017, což je 16-bitová verze téhož. Více nožiček a více pinů, stejná logika ovládání.
• Chci-li nastavit jen jeden bit nějakého I2C registru, příkaz i2cset na to má volbu „mask“ – maskou řeknete, které bity chcete nastavit; i2cset si hodnotu ostatních bitů načte z čipu a pak je doplní do zapisovaného bajtu.

1 = I2C čidla teploty z minulého článku
2 = MCP23009-E/P
3 = LEDka. Bliká na rozkaz.
4+5 = 1-wire bus adaptér a čidlo DS18B20 – bude v dalším článku, stay tuned

 

Použití I2C podruhé: měření teploty … a taky webkamera

Prvotně publikováno na raspi.cz 16.11.2012.

 

Léto skončilo a je načase si zase po večerech hrát.

Takže v dnešním zápisku se koukneme, jak přes I2C odhadovat okolní teplotu a jak používat webkameru.

 

 

Intermezzo na začátek: upgrade OS a nastavení I2C

V mezičase od mých minulých zápisků se stala důležitá věc – jako hlavní platforma se objevil Raspbian Wheezy. Přináší hejno nových věcí, ale hlavně změnu architektury – využití hardwaru pro matematické výpočty. Vše je rychlejší. Pokud jste ještě neupgradovali, udělejte to. Vedlejším efektem je to, že podpora I2C je v systému od přírody a není potřeba jej patchovat.

Pro aktivaci I2C proveďte následující kroky:

1) v souboru /etc/modprobe.d/raspi-blacklist.conf zakomentujte (přidejte před ně znak #) řádky:

blacklist spi-bcm2708
blacklist i2c-bcm2708

2) do /etc/modules přidejte řádek

i2c-dev

3) rebootujte a koukněte, zda máte I2C:

pi@raspberrypi ~ $ ls -l /dev/i2c*
crw-rw—T 1 root i2c 89, 0 Nov 15 20:22 /dev/i2c-0
crw-rw—T 1 root i2c 89, 1 Nov 15 20:22 /dev/i2c-1

4) nainstalujte si podpůrné tooly pro I2C

sudo apt-get install i2c-tools

5) přidejte se (svého uživatele) do skupiny i2c – pak při dalších příkazech pracujících s i2c nebudete muset psát „sudo“

sudo usermod -aG i2c VašeUživatelskéJméno

6) po provedení bodu 5 je třeba se odhlásit a zase přihlásit, aby se změna projevila

Měření teploty

Jako ultimativní cestu pro měření teploty je samozřejmě možné použít nějaký opravdový modul pro meteostanice. Ale jednak se mi zrovna nechtělo čekat na dodávku z číny (teď před vánoci to bude trvat dlouho) a navíc jsem chtěl něco levného.

Lepší cesta by bylo použít Dallasovská čidla na 1-wire sběrnici (DS18B22). Jsou docela přesná a jsou levná. Jenže adaptér I2C/1-wire vhodný pro RPi se vyrábí jen v SO-8 pouzdru … a pokus o jeho ruční pájení nedopadl dobře. Další kolo bude následovat.

Tak jsem si na svém oblíbeném e-shopu našel základní čidlo teploty přímo pro I2C. Za 27 Kč se dá koupit TC74 v pohodlně pájitelném pouzdru. (Mimochodem: TME e-shop doporučuju. Nejkratší čas dodávky domů byl 1 den a 10 minut; nejdelší dva dny a dvě hodiny. Dokáže tohle váš dodavatel?).

TC74 (datasheet zde) měří teploty v rozsahu -65 až +130 stupňů, s udávanou přesností kolem +-2 stupně. Na meteostanici to není – ale já potřebuju měřit teplotu v boxu, ve kterém bude RPi, abych věděl, zda ho nepřehřívám, a na to to bohatě stačí. A navíc meteostanici už mám.

TC74 se vyrábí ve verzi pro 3.3V (v názvu je -3.3V) a pro 5V (-5.0V).   „Pětivoltovou“ verzi můžete také napájet 3.3V a připojit přímo k RPi – jen se sníží přesnost o cca 1-2 stupně.

Pokud chcete k jednomu RPi připojit snímačů více, musí mít různé I2C adresy, aby nekolidovaly. To zajistíte volbou jiného čísla za písmenem „A“.

Tak jsem si koupil:

• TC74A0-3.3VAT – tedy adresa 0x48 a verze pro 3.3V
• TC74A5-5.0VAT – adresa 0x4d a verze pro 5V, protože v TME neměli 3.3V-verzi s odlišnou adresou než A0

Zapojení je extra jednoduché – všechny snímače připojíte přímo na expanzní konektor (na 3.3V, GND, SDA a SCL). Toť vše. Nabootujeme RPi a můžeme zkoušet.

pi@raspberrypi ~ $ i2cdetect -y 0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f
00: — — — — — — — — — — — — —
10: — — — — — — — — — — — — — — — —
20: — — — — — — — — — — — — — — — —
30: — — — — — — — — — — — — — — — —
40: — — — — — — — — 48 — — — — 4d — —
50: — — — — — — — — — — — — — — — —
60: — — — — — — — — — — — — — — — —
70: — — — — — — — —

Obě čidla jsou tam vidět.

TC74 má kromě pohodlného zapojování též jednoduché použití. Není třeba nic nastavovat, nic složitě číst. Stačí se jen zeptat, jaká je teplota. V každém čipu je to v registru 0 a je to jeden bajt. A vrací přímo stupně celsia. Hurá do toho:

pi@raspberrypi ~ $ i2cget -y 0 0x48 0 b
0x14
pi@raspberrypi ~ $ i2cget -y 0 0x4d 0 b
0x18

Je vidět, že první čidlo (3.3V) vrátilo teplotu 14 (hexadecimálně) = 20 stupňů celsia. (Kdo neví, jak se převádí z šestnáctkové na desítkovou soustavu, použije kalkulačku ve Windows ve „vědeckém“ režimu.)

Druhé čidlo (pětivoltové) vrátilo 18 (hexadecimálně) = 24 stupňů celsia.

Ve skutečnosti je tu asi 21 C, takže je vidět, že pětivoltové čidlo je při napájení z 3.3V skutečně méně přesné. Ale pro mé potřeby to stačí.

No a to je k rámcovému měření teploty vše, ne?

Webkamera

Jen rychle pár slov k webkameře. V rámci mého „projektu“ chci fotit. Tedy mít připojenou webkameru. Tak jsem vybral Canyon CNR-WCAM820 – za cca 550 Kč dvoumegapixelová kamerka.

V Raspbianu aktuální verze (2012-10-28) je přímo podporovaná.

Jak kameru v Raspbianu používat?

Zapojíme kameru do USB a koukneme se, zda je vůbec vidět:

pi@raspberrypi ~ $ ls -l /dev/video*
crw-rw—T 1 root video 81, 0 Jan 1 1970 /dev/video0

OK, takže kamera tam je.

Jak dostat z kamery statický obrázek? Jak udělat videostreaming?

Spousta toolů, které jsem zkoušel, mi nefungovala tak, jak by se mi líbilo. Ukazuje se, že zejména pro vyšší rozlišení je výkon procesoru a USB hardware RPi nedostatečný, pokud se nezvolí správná komprese atd. Některé aplikace tak místo grabování obrázků vypisovaly spousty timeoutů a chyb…

Po delším testování jsem našel dva balíky, které mi vyhovují.

fswebcam

fswebcam je jednoduchý tool, který umí brát z webkamery statické obrázky a uložit je do souboru. Je přímo podporován v balíčcích pro Raspbian. Instalace je tedy jednoduchá:

sudo apt-get install fswebcam

Použití je triviální:

fswebcam -r 1280×1024 -S 1 –jpeg 95 –shadow –title „titulek“ –subtitle „podtitulek“ –info „dalsi text“ –save img.jpg 

(pozn: všechny uvozovky mají být nahoře!) Tento příkaz vynechá jeden snímek (-S 1), aby byla jistota, a pak z kamery vezme snímek 1280×1024. Dolepí do něj titulky do informačního proužku dole a uloží ho jako JPG do home.jpg.

Pokud na konec příkazu přidáte

-q -l 60

tak zůstane běžet a každou minutu soubor img.jpg přepíše novou verzí.

S mojí kamerou rozlišení 1600×1200 občas selže. 1280×1024 projde vždy.

v4l4j

Pod kryptickým názvem se skrývá „video4linux for Java„.  Jedná se tedy o knihovny, které aplikacím v Javě umožňují přístup k zařízením video4linux, tedy i k webkamerám. Kromě vlastních knihoven je zde i sada ukázkových aplikací, které běhají velmi dobře – vypisují konfigurace zařízení a třeba dělají streaming obrázků z kamery. A v4l4j má přímou podporu RPi.

Instalace je na rozdíl od fswebcam netriviální. Musíte si vše zkompilovat podle popisu. Jsou tam některé špeky, např. chybějící konce řádků v popisu. Ale nakonec se vám to jistě podaří.

No a pokud nechcete programovat, můžete využít hotových aplikací. Příkaz

java -cp /usr/share/java/v4l4j.jar -Djava.library.path=/usr/lib/jni au.edu.jcu.v4l4j.examples.DumpInfo

vypíše konfiguraci videozařízení. Výstupem je pěkný textový popis, co vaše kamera vlastně umí. Příkaz

java -cp /usr/share/java/v4l4j.jar -Dtest.width=640 -Dtest.height=480 -Djava.library.path=/usr/lib/jni au.edu.jcu.v4l4j.examples.server.CamServer

spustí webserver streamující obrázky z kamery. Z okolních počítačů se na něj dostanete z browseru zadáním http://192.168.33.105:8080/stream (kde 192.168.33.105 je IP adresa RPi). Když jsem si nastavil rozlišení 1600×1200, dostával jsem na druhý počítač data s pěknou frekvencí 0.6 fps (tj. zhruba 3 snímky za 2 sec).

---

Použití I2C sběrnice (detailní postup) + hodiny reálného času pro RPi

Prvotně publikováno na raspi.cz 7.7.2012. Článek již není zcela aktuální – dnešní distribuce Raspbian má již podporu I2C  zabudovanou, je to popsáno v dalším článku.

 

 

RPi nemá hodiny reálného času. Bez připojení na internet tedy neví, kolik je hodin. Pokud používáte Debian squeeze, po startu budete mít nastaveny hodiny na čas posledního shutdownu; ve Fedoře jsem viděl i 1.1.1970.

To je docela neštěstí, pokud chcete RPi použít jako datalogger, tj. zařízení, které někde bez připojení autonomně získává údaje a ty se pak dávkově předají například na výměnném médiu (nebo sice konektivitu má, ale jen občas).

Co s tím můžeme udělat? Připojit RTC – hodiny reálného času.

Hardware

Na svém oblíbeném e-shopu jsem našel tento levný modul RTC. Za méně než 6 USD, s dopravou zdarma, obsahuje standardní čip PCF8563, potřebnou bižuterii (krystal atd), držák na baterii a zálohovací baterku. A je kompatibilní s 3.3V rozhraním RPi.

Jeho připojení je jednoduché – má rozhraní I2C. Takže připojit na I2C data a hodiny (SDA, SCL), GND na zem a VCC na napájení 3.3V.

SPI, I2C – co to je?

Aha, teď jsem použil nějaká sprostá slova. Na expanzní konektor RPi jsou vyvedeny dvě sériové sběrnice – SPI a I2C.

SPI je relativně hloupá sběrnice. Má hodiny (RPi udává takt), data směrem ven, data směrem dovnitř. A pak pro každé připojené zařízení musíte mít jeden volný GPIO pin, kterým mu řeknete „teď si povídám s tebou“. Není stanoven přesný protokol, co po sběrnici běhá – je to vždy specifické podle zařízení. Více info: wiki, root.

I2C je výrazně chytřejší. Používá jen dva dráty: hodiny SCL (RPi udává takt) a obousměrná data SDA, na kterých se všechny připojené zařízení střídají. Ke sběrnici může být připojeno až 127 zařízení. Je přesně definovaný protokol, kterým RPi řekne např. „teď chci zapsat hodnotu 27 do registru 66 na zařízení 34“ nebo „zařízení 52, řekni mi stav svého registru 22“. Více info: wiki, root.

Kouzlo I2C je v tom, že jí linux zná. Tedy můžeme ušetřit spoustu času a nemusíme programovat posílání jedniček a nul přes jednotlivé dráty.

Software

Debian squeeze ve verzi 2012-04-19 nemá (ani po posledních updatech v červnu 2012) podporu pro I2C. Ale tenhle borec jí tam dodělal.

Postup pro rozchození I2C:

1) Nainstalujte si a spusťte rpi-update, abyste měli nejnovější firmware a kernel (u mne 3.2.18). Nastavte memory split na 192 MB.

2) Stáhněte si opatchované jádro (linux-image-3.2.18-rpi1+_5_armel.deb) z odkazu.

POZOR! Vždy kontrolujte verzi svého kernelu a na home stránce si najděte odpovídající patchovaný kernel! Pokud pomícháte kernel s nevhodnou verzí firmware, nebude to fungovat.

3) Stažený soubor rozbalte:

dpkg -i linux-image-3.2.18-rpi1+_5_armel.deb

což vytvoří /boot/vmlinuz-3.2.18-rpi1+

4) Překopírujte /boot/vmlinuz-3.2.18-rpi1+ do /boot/kernel.img a restartujte systém.

Po nabootování se nic špatného nestalo, je tedy načase začít zkoušet I2C:

5) Otevřeme si terminál a přepneme se pod roota, protože většina dalších akcí chce root privilegia:

sudo bash

6) Vyzkoušíme načíst ovladač pro I2C:

modprobe i2c-dev

Pokud je vše v pořádku, vzniknou dvě nová zařízení:   /dev/i2c-0  a /dev/i2c-1 . Bus 0 je vyveden na expanzní konektor, bus 1 končí na konektoru pro kamery, tedy je pro nás zatím nedostupný.

7) Pro práci s I2C si nainstalujeme patřičné nástroje:

apt-get install i2c-tools

8) A vyzkoušíme, jestli se něco děje:

i2cdetect 0

WARNING! This program can confuse your I2C bus, cause data loss and worse!

I will probe file /dev/i2c-0.

I will probe address range 0x03-0x77.

Continue? [Y/n] 

     0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f

00:          — — — — — — — — — — — — —

10: — — — — — — — — — — — — — — — —

20: — — — — — — — — — — — — — — — —

30: — — — — — — — — — — — — — — — —

40: — — — — — — — — — — — — — — — —

50: — 51 — — — — — — — — — — — — — —

60: — — — — — — — — — — — — — — — —

70: — — — — — — — —

pi@raspberrypi:~$

Hele, je tam! Na adrese 51 si s námi něco povídá! Takže I2C sběrnice funguje.

Takže teď stačí vzít datasheet k PCF8563, naprogramovat komunikaci a nastavit podle něj hodiny, ne? Ehm … neudělal to už někdo? Kouknu do Googlu … a zjistím, že hotovo je dokonce víc, než jsem si myslel – linux má přímou podporu pro tento RTC čip na I2C busu.

9) Vysvětlíme kernelu, že máme na I2C busu 0 zařízení 51 a to zařízení je PCF8563:

echo pcf8563 0x51 > /sys/class/i2c-adapter/i2c-0/new_device

a to je všechno. Odteď je to standardní RTC zdroj, který linux umí!

10) Zkusíme z něj načíst uložený čas:

hwclock -r

Wed 06 Jun 2012 18:08:46 BST  -0.057931 seconds

Hotovo.

 

Test řešení

Někdy kolem 18:07 reálného času jsem zařízení zapnul.

pi@raspberrypi:~$ sudo bash

root@raspberrypi:/home/pi# date

Wed Jun  6 17:52:28 BST 2012

Čas není dobře – je to čas posledního shutdownu, předpokládám.

root@raspberrypi:/home/pi# modprobe i2c-dev

root@raspberrypi:/home/pi# echo pcf8563 0x51 > /sys/class/i2c-adapter/i2c-0/new_device

root@raspberrypi:/home/pi# hwclock -r

Wed 06 Jun 2012 18:08:46 BST  -0.057931 seconds

Čas v RTC je správně.

root@raspberrypi:/home/pi# date

Wed Jun  6 17:53:33 BST 2012

Ale čas systému je stále špatně. Tak mu řekneme, ať se nastaví podle RTC:

root@raspberrypi:/home/pi# hwclock -s

root@raspberrypi:/home/pi# date

Wed Jun  6 18:09:24 BST 2012

A vše je OK.

 

První experimenty s GPIO – svítíme LED diodou a detekujeme pohyb

Prvotně publikováno na raspi.cz 29.6.2012.

Takže máme Raspberry Pi… co s ním? Přece ho nebudeme používat jako běžný počítač. Je to hračka pro bastlíře, pojďme k němu něco připojit.

Trocha teorie na úvod

Vedle držáku pro SD kartu je vyveden „expanzní konektor“ – 2x 13 pinů ve standardní rozteči desetiny palce. Konektor je dobře popsán na wiki projektu.

Na konektoru jsou vyvedeny sériové sběrnice SPI a I2C, těm se budeme věnovat příště. Dále je zde vyvedeno napájení 5V a 3.3V (obojí ovšem s poměrně malým povoleným odběrem) a pak je tu to nejdůležitější: 8 „general purpose“ portů, které mohou sloužit jako vstupní nebo výstupní.

POZOR! Všechny porty na expanzním konektoru (tj. nejen GPIO, ale i I2C a SPI sběrnice) jsou provozovány na napětí 3.3 V a nejsou tolerantní ke „standardním“ 5 V, které se vyskytují v bastlířské elektronice nejčastěji. Pokud na některý pin přivedete více než 3.3 V, můžete svému RPi udělat bebí, které se mu nezahojí.

Stejné varování se týká i povoleného maximálního odběru z jednotlivých pinů. Taháte přímo za nožičky procesoru – nečekejte, že tím budete přímo řídit velkou LED diodu či relátko. Určitě to krátkodobě něco vydrží, ale více než 1 mA z každého pinu  bych raději dlouhodobě neodebíral.

Všechny GPIO piny jsou dostupné jako speciální soubory v /sys filesystému. Ale pro používání těchto souborů musíte mít superuživatelská (root) práva, a to je špatně. Kdo s linuxem již někdy dělal, ví proč; kdo přichází ze světa Windows – prosím, berte to jako axiom. Lépe je psát aplikace, které nemusí běžet jako root.

Tady je řešení problému – aplikace, která GPIO zpřístupňuje normálním uživatelům. Nainstalujte podle návodu. Pak už je to snadné. Na začátku je potřeba GPIO port otevřít – říct, že ho budeme používat:

gpio-admin export 22

Port je následně dostupný jako soubor – třeba /sys/devices/virtual/gpio/gpio22/value . Tedy zobrazit jeho stav můžeme přímo v shellu:

cat /sys/devices/virtual/gpio/gpio22/value

(vypíše nulu nebo jedničku). Stejně tak do něj můžeme zapisovat. Nejprve mu otočíme směr na výstupní a pak můžeme začít řídit, zda z portu teče logická jednička (3.3 V) nebo nula:

echo out > /sys/devices/virtual/gpio/gpio22/direction
echo 1 > /sys/devices/virtual/gpio/gpio22/value

Jak se k portu fyzicky připojit?

Nejjednodušší mi přijde varianta koupit si kousek plochého kabelu (FBK26H v GM Electronics) a nacvakávací konektor (PFL26 v GM Electronics). Kabel (bez odizolovávání!) vložíme do konektoru na zoubky, které tam na něj čekají, a kleštěmi nebo svěrákem přimáčkneme horní část, dokud nezacvaknou zámky. Tím získáme kabel, který bezpečně (bez možnosti omylu, přepojení na špatné piny atd) nasadíme na Raspberry Pi a na druhém konci máme naše zařízení.

Svítíme si LED diodou

Abych RPi zbytečně nezatěžoval, koupil jsem LED diodu, které stačí proud 2 mA. Přes odpor 680 ohm jsem jí připojil mezi GPIO port 24 a zem. A pak stačilo:

gpio-admin export 24
echo out > /sys/devices/virtual/gpio/gpio24/direction
echo 1 > /sys/devices/virtual/gpio/gpio24/value

a LED se rozsvítila.

Detekce pohybu pomocí PIR čidla

Pro některé své projekty (např. krmítko pro ptáky s fotopastí) potřebuji detekovat, zda se v cílovém prostoru někdo pohybuje. To jde samozřejmě dělat přes webkameru a detekci změn v obraze, ale to je jednak náročné na výkon, a druhak to vůbec není elegantní. Navíc to nefunguje v noci.

Ale tenhle problém vyřešili výrobci zabezpečovací techniky už před lety. Řešení se jmenuje pohybové pasivní infračervené (PIR) čidlo. Takže jsem ze svého oblíbeného čínského e-shopu koupil hotový modul PIR čidla, akceptující 5V napájení a kompatibilní s 3.3V signalizací. Za méně než 6 dolarů, dodávka do evropy je zdarma. Cesta z číny mu trvala necelých deset dní – spousta českých e-shopů této rychlosti nedosahuje.

Zapojení je triviální – napájení na 5V port konektoru, zem na zem, a výstup na GPIO 21.

Pak jsem si sednul a napsal krátký program v shellu (jo, to se mi na linuxu líbí):

– otevři port 21 pro vstup a 24 pro výstup

– čekej na 0 na portu 21 (na začátku počkáme na stav „klid“)

– donekonečna opakuj:

• • čekej na 1 na portu 21 (PIR čidlo někoho vidí)
  • vypiš informaci na terminál
  • rozsviť LED diodu (1 na port 24)
  • čekej na 0 na portu 21 (už je zase klid)
  • vypiš informaci na terminál
  • zhasni LED diodu (0 na port 24)

Spustil jsem to … a fungovalo to.

Příště: kterak zařídit, aby RPi vědělo i bez internetu, kolik je hodin

Začínáme s RPi – pár poznámek pro začátečníky

Prvotně publikováno na raspi.cz 23.6.2012.

Článek je dnes již mírně zastaralý – aktuální distribuce Raspbian např. automaticky zvětšuje partition na celé volné místo na SD kartě.

 

 

Hurá, domů dorazila krabička s Raspberry Pi. Co s ní a jak začít? Zde je hromádka námětů pro rychlejší start.

SD karta

Kupte si SD kartu, která je podporovaná – seznam je na wiki. Paradoxně podporované jsou povětšinou ty pomalejší karty, class 4 a class 6. Nepodporované karty se chovají různě – např. z foťáku jsem vyndal Apacer „150x“ 4GB  kartu a ta sice většinou funguje, ale při bootu se zasekne a začne chrlit spoustu chybových hlášení typu „nemohu načíst SD status register“ atd. Po cca půlminutě až minutě (výjimečně až tři minuty) se to najednou rozjede a vše funguje správně.  Lexar 4G class 6 funguje lépe.

V revizi firmware a kernelu z 31.5. je už tohle vylepšené, ale první boot pojedete se starým firmwarem…

Kartu kupte minimálně 4 GB. Image vyžaduje 2 GB – a ukázalo se, že ne všechny karty mají stejně velké 2 GB, na některé se nevejde.

USB hub

RPi má jen dva porty. Klávesnice, myš … a už se nic dalšího nevejde, chtělo by to víc portů. RPi musíte nějak napájet přes microUSB. Nejjednodušší řešení obou těchto požadavků je napájený USB hub. RPi se k němu připojí dvěma kabely – jedním do USB portu (vůči USB hubu jako „nadřazený počítač“) a jedním do microUSB napájení  (vůči USB hubu jako jedno ze zařízení). A nemusíte řešit samostatné napájení RPi, hub ho zvládne nakrmit.

Použil jsem sedmiportový hub od czc.cz a jsem zcela spokojen. Mimo jiné bonusy umožňuje jednotlivé USB porty samostatně vypínat a zapínat, takže nemusíte pro vypnutí RPi vytahovat napájecí zdroj ze zásuvky.

Připojení k televizi/monitoru

Pro připojení k televizi s HDMI vstupem použijte běžný HDMI kabel. Není na tom nic k vymýšlení.

Ale co když máte monitor jen s DVI vstupem? Není problém – HDMI obsahuje mimo jiné i stejné signály jako DVI. Takže stačí levný kabel, který z HDMI vyvede správné dráty na správný konektor – např. tento.

Operační systém

Použijte Debian „squeeze“. Aktuální verze 19-04-2012 je poměrně slušně funkční, obsahuje vše co potřebujete a hlavně má standardní balíčkovací systém debianu – apt-get. Pomocí něj snadno nainstalujete vše, co potřebujete. Fedora je z více důvodů špatná.

Jak dostat image na kartu? Pokud používáte na svém hlavním počítači linux, je to jednoduché a určitě to znáte:

dd if=/cesta/k/image.img of=/cesta/ke/karte bs=4K

kde cesta ke kartě bývá (pokud je v systému jen jeden harddisk) /dev/sdb .

Co ale dělat, pokud používáte Windows? Osobně mám s tooly pro nahrávání image na SD kartu ve Windows nedobré zkušenosti, moc mi to nefungovalo. A četl jsem i hororové příběhy o smazaných discích. Jako lepší variantu vidím

• stáhnout VmWare Player (zdarma)
• buď si stáhnout některý hotový virtuální stroj s Ubuntu pro VmWare (třeba tady), nebo si stáhnout instalační image aktuálního Ubuntu desktop a VmWaru říct „vytvoř nový stroj, a jako bootovací CD použij tento soubor s ISO image“

a další akce dělat v Ubuntu. K počítači připojíte čtečku karet (zrovna jsem žádnou neměl, tak jsem použil foťák Nikon D80 přepnutý do USB režimu „mass storage“) a řeknete VmWare playeru, ať jí připojí do virtuálního počítače. Pak můžete ve virtuálním linuxu kopírovat na kartu pomocí „dd“ dle popisu výše a není žádná cesta, jak byste mohli něco zničit – maximálně rozbijete ten virtuální počítač, tak si uděláte nový. K fyzickému disku se virtuální stroj nedostane.

Po prvním bootu

Začněte tím, že si přepnete klávesnici na anglickou podle návodu zde. Bez toho to fakt nejde, na defaultní britské nenajdete spoustu důležitých znaků.

A pak hned nainstalujte tool pro update kernelu a firmware rpi-update a obratem ho spusťte. Doporučený split paměti je 192 MB – tj.

sudo rpi-update 192

Novější verze firmware a kernelu řeší problémy s SD kartami a například přidává podporu webkamer – ty v původní verzi nejsou. No a pak si můžete hrát. Grafické prostředí se (pokud jste si zvolili boot do konzole) spouští standardním příkazem startx .

Image systému obsadila na SD kartě jen 2 GB, zbytek je prázdný

To je škoda, ne? Nejjednodušší způsob, jak změnit velikosti a rozložení jednotlivých partitions na SD kartě je vyndat kartu z RPi a zase jí dát do čtečky připojené k linuxovému počítači. Na něm si nainstalujte Gparted (sudo apt-get install gparted) a v něm můžete partitions snadno přetáhnout myší podle potřeby.

---

Příště: ovládání GPIO portů; připojení PIR čidla pro detekci pohybu; modul hodin reálného času; webkamera