Zkuste to bez drátů, pane Marconi!

(Prvotně publikováno 7.3.2014 na raspi.cz.)

Kterak k Raspberry Pi připojit bezdrátový senzor něčeho, třeba teploty.

Pro plánované zařízení jsem potřeboval, aby dva mikrokontroléry byly schopny si mezi sebou na vzdálenost pár metrů vyměňovat data bezdrátově. Po chvíli hledání jsem našel zajímavý komunikační čip od Nordic Semiconductors – nFR24L01+.

nFR24L01+ není jen tak obyčejné ASK-OOK pípátko, přes které se dá prodloužit sériový port. Tenhle čip funguje až na vrstvě 4 modelu ISO/OSI, tedy udělá za vás spoustu práce.  Vysílá na frekvenci 2.4 GHz (volné pásmo ISM – industrial, science, magic). Umí zpracovávat pakety o délce až 32 byte, které chrání pomocí šestnáctibitového CRC. Každý čip má nastavenou svou adresu (pětibajtovou) a je schopen přijímat data až od dalších pěti čipů. A automaticky obsluhuje potvrzení příjmu od protistrany. Tedy funguje to tak, že dáte čipu data a řeknete „odešli na stanici s adresou 1-2-3-4-5“. Čip autonomně odešle data a počká na potvrzení od protistrany. Když potvrzení nedojde, opakuje vysílání ještě několikrát. A na závěr vám řekne, zda se podařilo či nepodařilo data dodat na druhou stranu. Komunikace je přes SPI. No a to nejlepší na závěr: [tady] ho mají zabalený v hezkém hotovém modulu za 1.72 USD včetně dopravy do ČR! Tedy za tuhle cenu je jeden, potřebujete dva. Ale necelé 4 USD = 80 Kč za bezdrátový spolehlivý link mi přijde jako dobrá cena.

Aby se mi neznámé zařízení lépe ladilo, rozhodl jsem se, že odesílat budu z mikrokontroléru, ale přijímat budu do Raspberry Pi, protože by se to mohlo časem taky hodit. Jako mikrokontrolér pro podobné hračky používám čipy Picaxe. Konkrétně v tomhle případě Picaxe 20M2. Stejně jako u populárních Atmelů (Arduino) je to kompletní mikrokontrolér, který má na čipu vše potřebné – analogové i digitální vstupy i výstupy, podporu I2C, sériového portu a spousty dalších věcí. Programuje se to v „basicu“ – syntaxí je to basic, ale sémantikou spíše assembler (pracujete přímo s registry/pamětí). Vývojové prostředí je zdarma. Největší rozdíly proti Atmelu/Arduinu jsou tyto:

1. Pro programování nepotřebujete programátor ani jiné specifické USB hračky. K obvodu stačí dát dva rezistory a je možné ho připojit k běžnému sériovému portu, přes který se programuje a přes který umí posílat debugovací hlášení. Podpora pro sériový port může být i v hotovém zařízení. Je možné ho tedy přeprogramovávat kdykoli.
2. Podporuje napájení 5 V i 3.3 V.
3. Přímo na úrovni jazyka obsahuje spoustu knihoven, které pokrývají většinu úkolů. Potřebujete změřit délku impulzu? Načíst teplotu z 1-wire teploměru? Poslat data přes I2C? Na všechno jsou tam jednořádkové příkazy, které to umí samy.

Zapojení – vysílač – Picaxe

Na straně vysílače je to jednoduché. Všechny datové nohy bezdrátového modulu připojíme napřímo na nohy mikrokontroléru.

• C.0  -> Nordic CE
• C.1  -> Nordic CSN
• C.2  -> Nordic SCK
• C.3  -> Nordic MOSI
• C.4  -> Nordic MISO
• C.5  -> Nordic IRQ

Na další piny připojíme 1-wire teploměr DS18B20 (do standardního zapojení popsaného na webu Picaxe) a dvě LED diody pro signalizaci (komunikace OK, chyba). Zbývá už jen napojit napájení bezdrátového modulu. A tady pozor! I když jsou datové nohy modulu tolerantní k 5 V, napájení musí být 3.3 V! A ještě jedno upozornění: k napájení modulu je nutné připojit kondenzátor 10 uF. Dokud tam nebyl, chovalo se to divně.

Schema zapojení:

Zapojení – přijímač – Raspberry Pi

Tady P.T. čtenáře přesměruji [na tento článek]. Tam je to všechno step-by-step popsáno, včetně zapnutí SPI na straně Raspberry Pi.

Zapojení je extrémně jednoduché – jen se propojí odpovídající piny RPi s odpovídajícími piny modulu.

RPi GPIO9 /MISO    (Pin 21)    – modul  pin 7 ( MISO )
RPi GPIO10/MOSI   (Pin 19)   – modul  pin 6 ( MOSI )
RPi GPIO11/CLK   (Pin 23)    – modul  pin 5 ( SCK )
RPi GPIO8/CE0     (Pin 24)    – modul pin 4 ( CSN )
RPi GPIO25  (Pin 22)    – modul pin 3  ( CE ) – tohle je jediná věc mimo standardní SPI zapojení, tímhle pinem se ovládá, kdy je modul rádiově aktivní
RPI 3.3V        (Pin 1)    – modul  pin 2 ( VCC/3.3V )
RPi Gnd         (Pin 6)    – modul  pin 1 (GND)

Software

Vhodný startovní kód pro Picaxe jsem [našel zde].

Kód pro Raspberry Pi je na již dříve [zmíněném odkazu].

Samozřejmě, že si spolu navzájem nerozuměly. Musel jsem postupně procházet datasheet obvodu a pochopit, co je potřeba změnit:

• Obě strany samozřejmě musí mít stejně nastavenu linkovou vrstvu – frekvenci, rychlost, režim potvrzování.
• Na straně přijímače musí být nastavená stejná délka paketu, jakou vysílač opravdu pošle.
• Vysílající strana si nastaví odesílací i přijímací adresu na stejnou adresu, jakou má přijímač (!!!).
• Odesilatel by si neměl vymaskovat stavové informace o odeslání paketu, přijímač by neměl nechat maskovat stavové informace o příjmu paketu.
• No a pak nastane magie a začne to fungovat.

Finální kód pro obě strany najdete [zde].

Raspberry Pi tedy dostává každou chvíli paket o délce 1 byte, který obsahuje teplotu naměřenou na straně vysílače, přímo ve stupních celsia.

Finální řešení bude mít i na straně přijímače také mikrokontrolér Picaxe. Ale až někdy budete potřebovat něco měřit bezdrátově, vzpomeňte si na moduly nFR24L01+, možná budou váš problém řešit.

Jo a ještě zbývá doplnit dosah: na volném prostranství jsem měl data cca 25 metrů od vysílače. Přes dvě tlusté zdi to funguje na cca 8 metrů bez problémů.