Krótkie wprowadzenie

Artykułem tym chciałbym się z Wami podzielić tym jak udało mi się odczytać przy pomocy Arduino UNO R3 wartości temperatury i wilgotności wysyłane przez bezprzewodową sondę. Od jakiegoś czasu zajmuję się monitorowaniem warunków (temperatura, wilgotność) w mieszkaniu i na zewnątrz. Celem moim jest zbudowanie jeszcze przed tą zimą inteligentnego systemu sterowania ogrzewaniem i wentylacją w mieszkaniu. Jestem w posiadaniu stacji pogodowej (mniej więcej takiej) z bezprzewodową sondą temperatury i wilgotności. Postanowiłem nauczyć się odczytywać jej wskazania i przesyłać je do komputera. [caption id="attachment_5611" align="aligncenter" width="396"]

Dokładnie taką stację posiadam[/caption]

Zapytanie do producenta

Pierwszą rzeczą jaką postanowiłem zrobić to zapytać producenta o protokół jakim przesyłane są te wartości. Początek był obiecujący. Miły pan wprawdzie nie wiedział nic więcej ponad to, że sonda nadaje na częstotliwości 433 MHz, ale obiecał się dowiedzieć. Skończyło się jednak na mailowej odpowiedzi o treści "Tak, pytałem u źródła, niestety, nie da się tak zrobić, aby czujka sczytywała do innego urządzenia niż nasza stacja bazowa." Oczywiście nie uwierzyłem :)

Pytanie na majsterkowo.pl

Postanowiłem poszukać pomocy gdzie indziej, a mianowicie na portalu http://majsterkowo.pl. Zadałem pytanie w wątku http://majsterkowo.pl/forum/arduino-i-bezprzewodowy-czujnik-temperatury-i-wilgotnosci-t816.html licząc na pomoc społeczności. Jednak jedyna odpowiedź jaką dostałem brzmiała "W opisie jest napisane z jaką stacją to współpracuje. Do pracy z Arduino tego raczej nie zmusisz, producent na pewno zadbał o odpowiednie kodowanie sygnału." Nie zabrzmiało to zbyt zachęcająco, ale oczywiście tym bardziej w to nie uwierzyłem ;)

Kupno odbiornika RF 433

W międzyczasie zakupiłem między innymi nadajnik i odbiornik RF 433 MHz. [caption id="attachment_5618" align="aligncenter" width="396"]

Odbiornik i nadajnik, wyświetlacz LCD oraz DHT22[/caption]

To te dwa najmniejsze zielone elementy.

Analiza sygnału

Kupno analizatora

Buszując gdzieś po sieci natrafiłem na pojęcie "analizatora stanów logicznych". Pomyślałem, że właśnie tego potrzebuję. W sieci znalazłem bardzo bogatą ofertę tego typu urządzeń od takich za wiele tysięcy złotych (np http://www.conrad.pl/websale7/?Ctx={ver%2f7%2fver}{st%2f3ec%2fst}{cmd%2f0%2fcmd}{m%2fwebsale%2fm}{s%2fconrad%2fs}{l%2f01-aa%2fl}{p1%2fd2f6e56f669660582c6750d86eaf57b8%2fp1}{md5%2f5ffac58ff15c6a24fcf953c797b8c9b3%2fmd5}&act=product&prod_index=123271&cat_index=SHOP_AREA_17630_1114018&otp1=tablink2) do bardzo prostych i tanich podłączanych bezpośrednio do portu LPT (drukarkowego) w komputerze. Ostatecznie zdecydowałem się na takie urządzenie: [caption id="attachment_5619" align="aligncenter" width="396"]

Analizator stanów logicznych[/caption] Analizator ten ma 8 kanałów, częstotliwość odczytu do 24 MHz i ... kosztuje tylko 57 PLN :) Znalazłem go na Allegro. Do tego analizatora należy pobrać oprogramowanie ze strony http://www.saleae.com/.

Odczyt sygnałów

Aby odczytać nadawane przez sondę sygnały postanowiłem podłączyć analizator bezpośrednio do nadajnika RF wewnątrz sondy. Po otwarciu sondy wnętrze przedstawia się następująco [caption id="attachment_5620" align="aligncenter" width="396"]

Wnętrze sondy[/caption]

Żółtymi przewodami podpięty jest czujnik temperatury, dwoma czarnymi czujnik wilgotności, czerwonym i czarnym baterie, a trzema czerwonymi nadajnik RF. To właśnie tam podpiąłem się analizatorem stanów logicznych.

Do podpięcia się bardzo brakowało mi krokodylków lub specjalnych sond. W przyszłości na pewno sobie takie kupię.

Następnie rozpocząłem pomiar. Ustawiłem częstotliwość próbkowania na 1 MHz, wyłączyłem wszystkie kanały poza pierwszym. Włączyłem dla niego opcję "Require rising edge transition", która powoduje, że pomiar danych rozpocznie się dopiero kiedy sygnał na wejściu zmieni się z niskiego na wysoki i nacisnąłem "Start". Po jakimś czasie (sonda nadaje co ok 50-56 sekund - więcej o tym później) na ekranie ujrzałem taki obrazek: [caption id="attachment_5621" align="aligncenter" width="396"]

Widok na wszystkie dane[/caption] Widać na nim, że odczytane zostały dane, że nadawanie trwało trochę ponad 0,8s. Po powiększeniu początku danych zobaczyłem: [caption id="attachment_5622" align="aligncenter" width="396"]

Powiększony początek pomiaru[/caption] Widać, że sonda nadaje krótki "piki" (stan wysoki), a pomiędzy nimi przerwy. Stan wysoki zawsze trwa ok 560μs, a przerwy pomiędzy nimi 8640, 3800 i 1900μs. Przerwa 8640 μs występuje na samym początku transmisji, na samym końcu oraz tylko kilka razy w środku. Przerwy 3800 i 1900 o wiele częściej i są pomieszane. W tym momencie wydawało mi się, że 8640 to jakiś sygnał synchronizująco-rozdzielający, a te dwie pozostałe przerwy oznaczają bity o wartościach 0 i 1. Czas to sprawdzić.

Analiza w arkuszu kalkulacyjnym

Analizę danych postanowiłem przeprowadzić w LibreOffice Calc (dla niewtajemniczonych to taki darmowy odpowiednik Excela ;) ). Po wybraniu w oprogramowaniu analizatora opcji "Options/Export Data" (Ctrl+E) pojawia się okienko [caption id="attachment_5623" align="aligncenter" width="212"]

saleae - okienko eksportu[/caption] Po wybraniu opcji jak na obrazku na dysku utworzony został plik z następującymi danymi - poniżej początkowy fragment: [crayon-51aeaf64a2250/] W pierwszej kolumnie jest czas mierzony w sekundach, w drugiej kolumnie jest wartość sygnału jaka się pojawiła na wejściu w tym czasie. Zaimportowałem te dane do arkusza i dodałem dwie kolejne kolumny: czas i stan. W kolumnie czas wpisałem wszędzie formułę (dla komórki C3) =1000*(A4-A3). Dzięki temu otrzymałem czas w milisekundach trwania danego stanu. Widać ponownie, że stan wysoki zawsze trwa ok 560μs, a stan niski 8640, 3800 i 1900μs. W czwartej kolumnie wpisuję regułę, które dla przerwy równej 3800μs wylicza, że to 1, a dla 1900μs wylicza, że to 0. Dla 8640μs wypisuje wartość "dystans". Oto przykładowe dane:

Time[s]	SCIO	czas	analiza
0	0
11,35824	1	0,56
11,3588	0	8,64	dystans
11,36744	1	0,56
11,368	0	3,8	1
11,3718	1	0,56
11,37236	0	1,88	0
11,37424	1	0,56
11,3748	0	1,92	0
11,37672	1	0,56
11,37728	0	3,84	1

Na tym poziomie analizy zauważyłem, że podczas pojedynczej transmisji 6 razy przesyłanych jest 37 bitów. Za każdym razem takich samych. Serie 37 bitów rozdzielane są "dystansami". Aby przeanalizować wartości tych bitów wykonałem następujące czynności. Najpierw wykorzystując autofiltr przeniosłem do drugiego arkusza taką paczkę 37 bitów do pierwszej kolumny. W kolejnych kolumnach zapisałem następujące formuły, które miały następujące znaczenie.

Kol.	formuła	znaczenie
B	=1-A2	odwrotny bit (nie wiem czy długa przerwa to bit czy krótka)
C	=A2+2(A3+2(A4+2(A5+2(A6+2(A7+2(A8+2*A9))))))	wartość bajtu zaczynającego się od tego bitu przy założeniu, że: długa przerwa to 1, a krótka to 0, najpierw jest najmłodszy bit a potem coraz starsze.
D	=B2+2(B3+2(B4+2(B5+2(B6+2(B7+2(B8+2*B9))))))	wartość bajtu zaczynającego się od tego bitu przy założeniu, że: długa przerwa to 0, a krótka to 1, najpierw jest najmłodszy bit a potem coraz starsze.
E	=A9+2(A8+2(A7+2(A6+2(A5+2(A4+2(A3+2*A2))))))	wartość bajtu zaczynającego się od tego bitu przy założeniu, że: długa przerwa to 1, a krótka to 0, najpierw jest najstarszy bit a potem coraz młodsze.
F	=B9+2(B8+2(B7+2(B6+2(B5+2(B4+2(B3+2*B2))))))	wartość bajtu zaczynającego się od tego bitu przy założeniu, że: długa przerwa to 0, a krótka to 1, najpierw jest najstarszy bit a potem coraz młodsze.

Dla następujących danych:

kanału nr 3
temperatury 24,1 stopnia Celsjusza
wilgotności 43%

tabela przedstawiała się następująco:

A	B	C	D	E	F
1	0	137	118	145	110
0	1	68	187	34	221
0	1	162	93	69	186
1	0	209	46	139	116
0	1	104	151	22	233
0	1	52	203	44	211
0	1	26	229	88	167
1	0	141	114	177	78
0	1	70	185	98	157
1	0	35	220	196	59
1	0	17	238	136	119
0	1	8	247	16	239
0	1	4	251	32	223
0	1	130	125	65	190
1	0	193	62	131	124
0	1	224	31	7	248
0	1	240	15	15	240
0	1	120	135	30	225
0	1	60	195	60	195
0	1	30	225	120	135
1	0	143	112	241	14
1	0	71	184	226	29
1	0	35	220	196	59
1	0	145	110	137	118
0	1	72	183	18	237
0	1	164	91	37	218
0	1	82	173	74	181
1	0	169	86	149	106
0	1	212	43	43	212
0	1	106	149	86	169
1	0
0	1
1	0
0	1
1	0
1	0
0	1

Na żółto zaznaczyłem te bajty gdzie widać pewne interesujące dane. W ostatniej żółtej komórce widać wilgotność, a w przedostatniej temperaturę pomnożoną przez 10. Pierwsze dwie zaznaczyłem na żółto bo to po prostu wcześniejsze dwa bajty. Że to ta kolumna to utwierdziłem się po kilku kolejnych pomiarach dla różnych wartości temperatury i wilgotności. Powstały oczywiście pytania:

czy na wilgotność potrzeba aż 8 bitów? skoro jej wartości są od 0-99 to wystarczy 7.
na ilu bitach i w jaki sposób kodowana jest temperatura, ten jeden bajt wystarczy na temperatury od 0.0 do 25.5 stopni Celsjusza, a ma wystarczyć na jakieś -50.0 do 70.0 czyli 1200 wartości więc co najmniej 11 (w praktycznie 12) bitów

Po kolejnych pomiarach i próbach, których nie będę tu szczegółowo opisywał (było ich ok 10) doszedłem do następujących wniosków:

licznik	bity	wartości	komentarz
1	1	9	jakieś 4 bity
2	0
3	0
4	1
5	1	219	losowe id
6	1
7	0
8	1
9	1
10	0
11	1
12	1
13	0	0	jakieś 2 bity
14	0
15	0	1	kanał (od 0)
16	1
17	0	332	temperatura
18	0
19	0
20	1
21	0
22	1
23	0
24	0
25	1
26	1
27	0
28	0
29	0	25	wilgotność
30	0
31	0
32	1
33	1
34	0
35	0
36	1
37	0	0	jakiś bit

Oto znaczenie kolejnych sekcji:

jakieś 4 bity - te bity ani razu nie zmieniły swojej wartości
losowe id - wg dokumentacji po każdej zmianie baterii konieczne jest ponowne synchronizacja stacji bazowej z sondą ponieważ sonda zaczyna wysyłać nowe, losowe id - to prawdopodobnie te bity
jakieś 2 bity - nigdy się nie zmieniły
kanał (od 0) - w sondzie można wybrać kanał, jego wartość wysyłana jest właśnie na tych dwóch bitach
temperatura - zakładam, że wysyłana jest na tych 12 bitach jako liczba całkowita będąca wartością temperatury pomnożoną przez 10. Podejrzewam, że najstarszy bit to bit znaku, ale nie robiłem jeszcze testów dla temperatur ujemnych
wilgotność - jest przechowywana jako liczba całkowita na tych bitach. Możliwe, że nie na 8 od 29 bitu, a tylko na 7 od 30 bitu, a bit 29 jest do czegoś innego.
jakiś bit - jego wartość nigdy się nie zmieniła.

Na tym etapie postanowiłem przerwać analizę danych i zająć się budową odbiornika, który będzie bezprzewodowo je odczytywał. W przyszłości podłączę go mojego systemu monitoringu temperatury zacznę prowadzić dalsze badania.

Wysłanie samemu danych do odbiornika

Aby przetestować poprawność rozpracowanych danych postanowiłem zmontować układ do nadawania i przeprowadzić próbę nadania temperatury i wilgotności do stacji bazowej czyli udawanie sondy. Napisałem następujący programik:

[crayon-51aeaf64a22b4/]

Wszystko zadziałało właściwie od razu. Jedyny problem jaki napotkałem to odstępy pomiędzy nadawaniem kolejnych pomiarów. Okazało się, że odstęp ten jest różny na różnych kanałach i tak:

na kanale 1 wynosi on 50s
na kanale 2 wynosi on 53s
na kanale 3 wynosi on 56s

Dokładnie co taki okres czasu stacja bazowa spodziewa się kolejnego nadawania i oczekuje na niego przez krótki okres czasu. Prawdopodobnie aby oszczędzać baterię.

Odczyt danych

Odczyt danych okazał się najtrudniejszą częścią, a to za sprawą dużej ilości błędów. Po pierwsze kiedy sonda nie nadaje to odbiornik i tak wychwytuje "coś" z powietrza i ciągle na jego wyjściu stan się zmienia. Kiedy sonda zaczyna nadawać to odbiornik chwilę potrzebuje żeby się "dostroić" do mocy sygnału i pierwsze bity są uszkodzone często. Poza tym okazało się, że czułość odbiornika jest niewielka i już przy odległości rzędu metra liczba niedokładnych odczytów mocno rośnie.

Pierwsze podejście

Pierwsza wersja programu do odczytu wyglądała następująco:

[crayon-51aeaf64a2307/]

Nie działała ona najlepiej, o tym co poprawiłem w dalszej części artykułu.

Problemy z zasięgiem

Jak już pisałem kiedy żaden nadajnik nie nadawał odbiornik "łapał coś" i stan na wyjściu co chwila się zmieniał. Założyłem jednak, że kiedy nadajnik zacznie nadawać to odbiornik zacznie reagować prawidłowo. Pierwsza wersja programu została napisana tak, że program czeka na stan wysoki o odpowiedniej długości, a następnie odczytuje dane spodziewając się prawidłowych czasów zarówno stanów wysokich jak i niskich. Po pierwszym błędzie program przerywał odczyt i próbował zanalizować odczytane dane, a mianowicie jeżeli udało się odczytać choć jedną serię danych to następowało porównywanie odczytanych serii. Pierwsze próby robiłem nadając mój testowy sygnał z nadajnika, który zakupiłem razem z odbiornikiem. Sygnał nadawany był z niewielkiej odległości. Zauważyłem, że dane nie odczytują się do końca poprawnie. Często zamiast sześciu serii danych odczytywane było pięć serii. Przyczyną okazało się to, że kiedy nadajnik zaczynał nadawać to odbiornik tak jakby potrzebował chwili aby się do niego dostroić. Dużo gorzej było kiedy próbowałem odczytać sygnał z oryginalnej sondy, tu już przy około metrowej odległości zaczynały się spore problemy. Często nie udawało się odczytać w ogóle danych lub najwyżej jedną, dwie serie. Przyczyną jak się okazało było pojawianie się na wyjściu stanów wysokich mimo tego, że sonda nadawała stan niski. Próbowałem poprawić czułość sondy przylutowując antenkę w postaci kawałka drutu o długości około 15 cm, ale niewiele to pomogło. Wywiązała się nawet dyskusja na forum majsterkowo.pl. Jak tylko znajdę moment to popracuję nad tą antenką. Kolejnym sposobem było ignorowanie krótkich stanów wysokich, to poprawiło nieco jakość odbioru. Oto przykład wadliwie odczytanych danych: [caption id="attachment_5624" align="aligncenter" width="396"]

saleae - zakłócenia w trakcie transmisji[/caption] W tym momencie postanowiłem zrobić co następuje:

jeszcze bardziej uniewrażliwić oprogramowanie na sporadyczne błędy
nie przerywać pomiaru po pierwszym poważnym błędzie tylko czekać na kolejną serię danych
być może pewną inteligencję wprowadzić

Poprawianie jakości odczytu

Omówienie sytuacji aktualnej

Tak wygląda log z pierwszej wersji programu, który za chwilę omówię [crayon-51aeaf64a2361/] W pierwszej linii znajdują się informacje o odczycie, czyli:

kanał na którym nastąpił odczyt
odczytana temperatura
odczytana wilgotność
liczba pełnych udanych odczytów wszystkich bitów - jak pisałem wcześniej sonda nadaje 6 razy ten sam zestaw bitów w trakcie pojedynczej transmisji

Kolejne trzy wiersze zawierają informację o odczytach kolejnych bitów i tak:

pierwszy wiersz (lb:) zawiera informację o tym ile razy bit został prawidłowo odczytany
kolejny wiersz (sb:) zawiera informację o tym jakie informacje zostały odczytane - kiedy program odczytuje zero to zmniejsza tę wartość o 1, a kiedy odczytuje 1 zwiększa ją - w idealnym przypadku ta wartość jest równa tej z pierwszego wiersza lub ujemnej wartości z pierwszego wiersza
ostatni wiersz (b:) zawiera interpretację odczytu czyli 0, 1 lub ? jeśli interpretacja jest niejednoznaczna

W tym przypadku widać, że bity od 0 do 24 zostały odczytane 4 razy, a pozostałe bity 3 razy. Każdy bit za każdym razem został odczytany tak samo. Gdyby tak nie było i np bit 0 nie został 4 razy odczytany jako 1 tylko np raz jako 0 to wartość (sb:) nie wynosiłaby 4 tylko 2, a gdyby dwa razy jak 0 a dwa razy jako 1 to ta wartość wynosiłaby 0 i nie dałoby się powiedzieć jaką właściwie ten bit ma wartość. Kolejnych 10 wierszy, tych zaczynających się od "pre", zawiera informacje o czasach 10 pomiarów niskich i wysokich stanów zanim rozpoczął się właściwy pomiar. Liczby w nawiasach oznaczają:

moment w którym zmiana została zmierzona, jest to technicznie millis() % 65536 - obcinam wartość millis() tylko do 16 bitów bo ze względu na małą pamięć nie mam gdzie przechowywać danych, ledwo się mieszczą
czas w jakim stan był niski
czas w jakim stan był wysoki

W tym przypadku wyraźnie widać, że te odczyty nie są szumem, a stanowią poprawne wartości odczytywanych bitów. Nie zostały jednak zaliczone do pomiaru. Stało się tak prawdopodobnie dlatego, że w momencie jak sonda zaczęła nadawać to odbiornik potrzebował chwili aby się dostosować do nadawanego sygnału. Na obrazie poniżej widać jak wygląda odczyt początku transmisji. Stan wysoki na lewo od zielonego znacznika "1" to pierwszy stan wysoki nadany przez sondę. Między znacznikami "1" a "2" sonda nadawała stan niski, jednak odbiornik wychwycił kilka stanów wysokich. Są to zakłócenia z którymi mój algorytm sobie nie poradził i uznał całość za szumy. [caption id="attachment_5625" align="aligncenter" width="396"]

saleae - widok na początek transmisji[/caption] Widać też zakłócenia w dalszej części i dopiero potem (od mniej więcej 87ms) czyste dane. Kolejnych 37 wierszy zawiera informacje o odczytach kolejnych bitów w kolejnych 6 transmisjach. Liczby w nawiasach mają takie samo znaczenie jak w wierszach "pre". Tu widać, że podczas odczytu 4 serii bitów nagle nastąpiła przerwa podczas odczytu bitu nr 25. Czas stanu wysokiego jest ok, jednak czas stanu niskiego jest zbyt krótki, wynosi tylko 1292μs. Oto co się stało: [caption id="attachment_5626" align="aligncenter" width="396"]

saleae - zakłócenia w trakcie transmisji[/caption] Pomiędzy znacznikami "1" i "2" powinien być stan niski, jednak widać, że odbiornik wychwycił jakieś zakłócenia jedno o długości 103μs, a drugie o długości 1028μs. Aktualny algorytm zignorował to pierwsze, jednak tego drugiego już nie i uznał odczyt za błędny i przerwał działanie. Oto co postanowiłem zrobić aby algorytm lepiej działał:

nie przerywać całkowicie działania po pierwszym błędnym odczycie, ale czekać na kolejną transmisję (czyli przerwę o czasie 8640μs) i zaprzestać czekania dopiero kiedy zbyt długo ona nie nastąpiła.
jeszcze bardziej uniewrażliwić algorytm na takie pojedyncze zakłócenia.

Nie przerywanie działania

Pisząc program, który po pierwszym błędzie nie przerywa działania tylko czeka na kolejną porcję danych praktycznie główną pętlę napisałem od nowa. Oto ten program. [crayon-51aeaf64a23b8/]

Uniewrażliwienie na zakłócenia

Za to jeszcze się nie zabrałem, na poważnie, ale już całkiem nieźle to działa. Analizując program widać co już zrobiłem

Zestaw użytych elementów

Do przeprowadzenia tej pracu użyłem:

Arduino UNO R3 - zakupione na w sklepie internetowym nettigo.pl w zestawie startowym - oprócz samego arduino z zestawu użyłem
- kabelki
- płytkę stykową
analizator stanów logicznych saleae - jest to podróbka, ale działa

Co dalej

Następne kroki jakie zamierzam zrobić w tym temacie:

podpięcie układu do moje stacji monitorowania warunków w mieszkaniu i na zewnątrz. Stacja już całkiem nieźle działa, ale nie jest jeszcze gotowa na artykuł. Jeżeli interesuje Was ten temat już teraz to zapraszam na mój blog
Poprawienie jakości filtrowania zakłóceń
Zakup na nettigo innego odbiornika - może będzie bardziej czuły
Przerobienie programu aby na przerwaniach chodził i oszczędzał energię

Podsumowanie

Mam nadzieję, że temat Wam się spodobał i nie był zbyt długi i nużący. Jest to mój pierwszy artykuł więc będę wdzięczny za wszelkie konstruktywne uwagi na jego temat. Jeżeli ktoś miałby ochotę wspólnie ze mną rozwijać ten temat to zapraszam do współpracy. Cel na jesień/zimę to automatyka do sterowania ogrzewaniem w domu oparta między innymi o technologię z-wave. Czytaj dalej...