בית חכם חלק שני – מודול העלה

בפוסט הזה אפרט את התכנון והבניה של אב טיפוס למודול עלה של רשת העלים שתהווה את הבית החכם כמימוש לרעיון האינטרנט של הדברים.

הבקר של המודול יהיה חיקוי של ארדואינו פרו והרכיב האלחוטי שבו יהיה nrf24l01 .

IMAG1866

את המעגל יצרתי באמצעות תוכנה מאוד שימושית ופופולרית בשם – fritzing שלא ארחיב עליה כאן רק אצרף את הקובץ לצורך הדפסת המעגל.

יש 2 ספריות נפוצות לארדואינו לצורך עבודה עם המודול הזה – rf24 ו mirf.

אני מצאתי את הספרייה rf24  מתאימה יותר לצורך של רשת מודולים אל אף שהיא יותר מורכבת  מאשר ספריית ה mirf כמו כן ישנה ספרייה מעולה (אם כי קצת מורכבת) לצורך רשת מודולים שמבוססת על ספריית ה rf24  בשם – rf24network .

אני אדלג על הסבר לספריית rf24 ואקפוץ ישר לעניינים – rf24network.

להלן סכימת החיבור בין הארדואינו לבין רכיב ה nrf24l01 :

24L01

סכמת חיבור ארדואינו ל NRF24L01

סיגנלארדואינוNRF24L01
GNDGND1
VCC3.3V2
CE93
CSN104
SCK135
MOSI116
MISO127
סכמת חיבור ארדואינו ל NRF24L01

כלומר אם יש בארדואינו פרו 13 יציאות דיגיטליות ו7 יציאות אנלוגיות אחרי חיבור למודול האלחוטי נשארנו עם 8 יציאות דיגיטליות ו7 אנלוגיות.(שזה דיי מספיק למודול אחד – יכולת שליטה על עד 8 אלמנטים וחיבור של עד 7 חיישנים ).

כלומר אני צריך לתכנן מעגל לחיבור מודול האלחוט לארדואינו וחשיפה של 8 פינים דיגיטליים ו 7 אנלוגיים כמו כן עלי להמיר את 5V שמגיע מהארדואינו למודול האלחוט (VCC) מ5V ל 3.3V.

כמו כן עלי לחשוף גם את הפין ה RST לצורך העברת הקוד לארדואינו ואת פין ה RAW לצורך חיבור למקור מתח חיצוני לדוגמה סוללה.

sketch-iotv1

 

את המעגל יצרתי באמצעות שיטת ה – tuner transfer שלא כאן המקום להרחיב.

השתמשתי בארדואינו פרו 5V ולא ב-3.3V בגלל שההבדל בעלות זה כמעט דולר אך הדבר הצריך ממני להוסיף למעגל ממיר מתח ל3.3 בגלל שזה מה שמקבל מודול ה- nrf24l01 (כמעט 10 ממירי מתח וקבלים עלו לי קצת מעל 2 דולר כך שעדיין יוצא יותר זול).

המעגלים (לוח הארדואינו המודפס שבתמונות לא קשור לפרויקט):

אפרט קצת על מבנה רשת העלים.

היישום הרשת היה קצת שונה מהיישום של מחבר הספרייה rf24network אך עדיין מבוסס על טופולוגית עץ.

ישנו בסיס ראשי בכתובת 00 (כתובות העלים הם בפורמט uint16_t unsigned 16-bit integer) והיות ויש אפשרות ל6 צינורות (PIPES) תקשורת לכל מודול nrf24l01 לפי ה – DATASHEET,  אז כל עלה בסיס יכול לתקשר עם 5 בנים (sibling)  ועם האבא שלו, הבסיס הראשי היות והוא אב לכולם ואין לו אב משלו יש לו אפשרות להתחבר ל 6 בנים אך כדי לשמור על הקוד פשוט ושכל עלה ראשי יהיה עם אותם המאפיינים אז גם העלה הראשי ביותר יכול לתקשר רק עם 5 בנים.

כל עלה יכול לתקשר עם בסיס האב שלו או עם אחד הבנים שלו אך לא עם אחד מהאחים שלו או עם הסבא או הנכד וכו'…

הקוד שלי הוא עד הרמה השלישית, כלומר 5 בחזקת 3  כלומר 1+25+125+5 עלים = עד 151 נקודות מודולים ברשת ! יכולתי להוסיף עוד 'דור' לרשת ואז היה אפשרות ליותר מפי חמש אך 151 מודולים זה דיי והותר לרשת ביתית.

להלן סכמה של המודולים והכתובות שלהם – נשים לב שהספרות הכי ימניות במספר uint16_t הם בעצם כתובת האב:

topologu

בסיס האב הראשי – 00 יהיה בעל קישוריות לאינטרנט (wired / wifi) והוא יהיה אחראי על חשיפת כל רשת החיישנים ומודולי השליטה לרשת האינטרנט.

לבסיס האב הראשי 5 ילדים – 01,02,03,04,05 הוא יכול לתקשר רק איתם והם איתו. האחים לא מדברים בינהם – 01 לא יכול לתקשר עם 02, אלא רק עם האב שלו (00) ועם חמשת ילדיו – 011,021,031,041,051 ,כלומר אם בסיס 00 מעוניין להעביר פקודה לעלה 011 או לקרוא מידע מעלה 011 התעבורה צריכה להיות דרך עלה 01 שהוא האב של 011 והבן של 00 וכן על זה הדרך…

ואם נתרגם למספרים רגילים אז מודול 0 מדבר עם מודולים 1-5 ומודול 1 מדבר עם אביו(0) ועם מודולים 9,17,25,33,41(כפולות של 8).

מודול 2 מדבר עם אביו(0) ועם ילדיו שהם 10,18,26,34,42 (גם כן כפולות של 8) וכן הלאה.

חשבתי בהתחלה לשמור את כתובת העלים ב EEPROM אך לשם הפשטות הכנסתי לכל עלה את הכתובת שלו בתוך קוד המקור (hard coded).

אני מצרף כאן קוד מקור למודול הבסיס וקוד מקור לכל מודולי העלים כרגע הכל זה רישומים ל serial consule אין עדיין חיישנים או relays:

קוד הבסיס:

להלן קוד המקור של העלים(כאן זה דוגמה לעלה מספר 01 כלומר 1):

לצורך ניסוי ניקח 3 מודולים.

מודול ראשון יהיה מודול הבסיס ונעביר אליו את הסקיצה של קוד הבסיס.

מודול שני יהיה עלה שהוא בן ל 00 עם הכתובת 01.(יש לשנות את הכתובת של המודול בקוד מקור המצורף ל 01 במקום 021).

מודול שלישי הוא בן ל מודול שני 01 הוא יהיה 021 שזה המספר 17.

נפתח 3 מופעים של ה ARDUINO IDE לכל מודול נזהה באיזה פורט הוא מאזין (כמובן שיש לחבר לPRO MINI כבל תקשורת ע"מ שיוכל לתקשר טורית דרך ה USB עם המחשב וזה לא יכוסה פה) ונפתח בכל מופע את הSERIAL MONITOR ונאזין על הפורט הרלוונטי.

נקבל במודול הבסיס את ההודעה הבאה:

Base Node Started

ובמודולי העלה נקבל :

17 Node Started

או

1 Node Started

בהתאמה.

במוניטור הסיריאלי של נקודת הבסיס נזין את השדר הבא:

17;a;2;2;2;2;2;s;00

השדר:

17 – כתובת היעד

a – תו שמורכב משני בייטים כלומר 8 סיביות שיכולות לייצג מצב של 8 יציאות דיגיטליות וכך לבזבז פחות מקום בשדר.

2 – איזשהו קריאה של חיישן לדגמה

s – הודעה שהשדר הוא מסוג קריאת חיישן ולא פקודה כשלהיא ליציאה דיגיטלית

00 – כתובת מקור השדר.

ונראה שבעלה 01 התקבל השדר אך היות וזה לא מיועד אליו אלא הוא משמש כאן רק כ"תיבת ממסר" הוא מעביר את המסר לעלה המתאים שזה 021(17).

היות וטווח השידור והקליטה של  nrf24l01  מוגבלים היכולת לשרשר מודולים מאפשרת להרחיב את טווח השידור והקליטה של הרשת ולהתגבר על המגבלה הזאת.

קובץ פריטזינג וPDF מצורפים:

node

נשלח ב בית חכם, האינטרנט של הדברים עם התגית: , , , , , , , , , ,

בית חכם – מבוא

רעיון "האינטרנט של דברים" מאוד מרתק – להפוך את הכל (!) לזמין ברשת .

האפשרות שכל הדברים הסובבים אותנו יהיו זמינים ברשת ופריסת חיישנים שונים סביבנו שגם הם זמינים לרשת זה בעצם רוב הדרך לכוון של "בית חכם".

מה צריך כדי ליצור את "האינטרנט של הדברים" הפרטי  שלי ובנוסף "להחכים" את הבית שלי ? מה העלות והמורכבות של הדברים?

הייתי רוצה פתרון קטן , זול וקל ליישום.

אני חקרתי במשך הזמן על האופציות הזמינות לפתרון שכולל את כל הפרמטרים שמניתי. בפוסט הזה ובסדרת הפוסטים שיבואו אכתוב על הנושא מתוך ניסיון שלי.

יש לי ניסיון בפיתוח לארדואינו שזה בעצם מיקרו בקר מאוד פופולרי שניתן לתכנות בצורה יחסית פשוטה בסביבת פיתוח זמינה להורדה ובקוד פתוח.

כלומר באמצעות הארדואינו ניתן לשלוט בכל דבר ואם נחבר אליו חיישנים מסוגים שונים נוכל גם "לחוש את הסביבה". דיי מוקדם התברר שזאת תהיה הפלטפורמה עליה אתבסס כפתרון למודול שיתחבר לכל דבר אותו נרצה ברשת או כמודול שיקשר בין הרשת לסוגים שונים של חיישנים.

אך כמיקרו בקר בלבד חסרה החוליה שתקשר בינו לבין מודולים אחרים ובניהם לרשת האינטרנט לכן חיפשתי פתרון פשוט ליישום והכי חשוב כמה שיותר זול בהנחה שככל שמודול כזה(אקרא לו מעכשיו NODE או עלה) יהיה זול יותר אחבר אותו ליותר דברים וכך להפוך כמה שיותר דברים לחכמים וזמינים ברשת.

התצורות היותר פופולריות היום של ארדואינו:

ard2

ישנם הרבה מודולים עם אפשרויות תקשורת בהם שקלתי להשתמש :

IMAG1736

  • מיני מחשב X86 עם מערכת הפעלה XP/linux .
  • Raspberry PI.
  • ראוטר נייד או כל ראוטר שאפשר להתקין עליו קושחה כמו OPENWRT.
  • כרטיסי הרחבה של ארדואינו לרשת .
  • Bluetooth.

לא ארחיב כאן על ההתנסות שלי עם כל פתרון אפשרי אלא רק אקצר ואומר שהדרך הכי זולה ויחסית פשוטה עם דגש על צריכת חשמל נמוכה וגודל של מודול היא לחבר ארדואינו פרו מיני עם מודול תקשורת נפוץ וזול – nrf24l01.

+nRF24L01 הוא  שבב  בעל צריכת חשמל נמוכה שמשדר בצורה אלחוטית בתדר 2.4GHz מחברת Nordic Semiconductor הוא משתמש בפרוטוקול SPI, ויש לו טווח תיאורי של כ -50 מטר פחות או יותר, תלוי אם הסביבה בין המשדרים נקייה ממכשולים/קירות ורוחב הפס הוא מספיק לצורך שידור נתוני חיישן וכו'.

כמובן שהעלה הראשי במערכת (base node) יכלול גם רכיב שיאפשר קישוריות לרשת כמו WIFI.

היום חיקוי של ארדואינו מיני פרו 5V ניתן לרכישה בEBAY בפחות מ-3$ והרכיב תקשורת כ- 1.2$ – בעצם מודול שישמש כבסיס ל- NODE ב 4$ כולל משלוח(!) אני לא חושב שכרגע ניתן לנצח את המחיר הזה(אפילו קניה רק של הצ'יפ עצמו – ATMEGA328P-PU בלבד יותר יקרה מהחיקוי לפרו) .

לצורך פיתוח השתמשתי בלוחות הארדואינו היותר נפוצים שיש להם גם יכולת התחברות בUSB למחשב.

IMAG1744 IMAG1742 IMAG1738

המודול הסופי יהיה כמובן מבוסס על ארדואינו ערום יותר כמו הפרו.

ההמשך בפוסט הבא…

 

נשלח ב בית חכם, האינטרנט של הדברים עם התגית: , , , , , , , , ,