Arduino Ethernet Transceiver

Bastel #1

Warum brauche ich das?

Sobald sich solche Szenen auf dem Schreibtisch abspielen und der Wunsch entsteht die angeschlossenen Gerätschaften auch noch irgendwie automatisiert an und aus zu schalten ist die Zeit reif für die nachfolgende Bastelei.

433 Senderensemble

Vorüberlegungen

Um die Aktoren zu schalten wäre nur der Transmitter (Sender) notwendig.

Warum also der Receiver (Empfänger)?

• Die Module sind beim Chinamann so billig, dass man als geübter Bastler nicht anders kann.
• Man kann weiterhin die Handsender (auf einem anderen Code) benutzen und so den Arduino als Proxy benutzen.
• Man kann den gesamten Datenverkehr des ISM-Bandes mitlauschen und somit ggf. digitale Störquellen ausfindig machen.

Der Arduino muss in ein Netz einbindbar sein. Ich habe mich in der ersten Variante für eine Kabelverbindung entschieden. Es gilt trotz oder gerade wegen allem WLAN immer noch Tibb's-Law: "Wo ein Kabel möglich, da benutze auch ein Kabel!"

Für die Smarthome-Integration steht dann auch noch eine Anbindung in FHEM in Aussicht.

Bedingungen

Egal ob Bastelarbeit oder komplexeres Projekt grundsätzlich sollte man sowohl hardwareseitig, als auch softwareseitig unbedingt wo immer möglich modular arbeiten. Wie oft habe ich PCBs nur einmal nutzen können oder eine Software neu geschrieben, weil das Umschreiben einfach zu aufwendig erschien. Wie oft habe ich schon gute Ideen im Internet gefunden, die mit viel Aufwand realisiert wurden, aber nur in Teilen zu meinen Anforderungen gepasst haben.

Dieses Problem könnte diese Bastelei bzgl. der Frequenzwahl (433 MHz anstatt 866 MHz) oder der Netzwerkanbindung (RJ45 anstatt WLAN, Bluetooth, ZigBee) auch ereilen. Ich beginne jetzt mal in dieser Konfiguration und werde die anderen Kombinationen nach und nach ergänzen.

Bestandteile

• Arduino Nano
• Netzwerkmodul ENC28J60
• Sendemodul 433 MHz
• Empfangsmodul 433 MHz
• Shield für Nano
• Stepup-Wandler 5 V -> 12 V für das Sendmodul

Vorbereitungen

TODO: Wikiseite für jede Komponente für diejeniegen, die sich für das 'Dahinter' interessieren.

Arduino Nano

Gelegentlich liest man von Problemen mit dem Bootloader von Nano-China-Clonen. Da wir an dieser Stelle einen großen Schritt zurück müssten habe ich das AVR Bootloader-Problem in eine eigene Wiki-Seite ausgelagert.

Schield

Genauer gesagt ein I/O Sensor Shield Expansion Breakout bekommt an z. B. hier. Wer warten kann, kann es auch beim Ali (ca. 50 Cent) bestellen. Das Breakout-Board liefert durch seinen Spannungsregler für 3,3 V auch Spannung für das ENC28J60-Modul.

Funkmodule

Die Funkmodule sind unspektakulär. Sobald sie mit der richtigen Spannung (Receiver 5V, Transmitter 12 V) versorgt sind bekommt man einen Bitstream oder man stellt einen zur Verfügung. Das Protokoll des Bitstreams ist für die Module belanglos. Der unten beschriebene Aufbau ist auch 'problemlos' mit 868 MHz Modulen möglich.

Netzwerkmodul

Zum Einsatz kommt ein Modul mit dem ENC28J60 Chip. Bei Ebay oder beim Ali auch schon für kleines Geld zu haben. Einzig die Entscheidungsfrage ENC28J60 oder WZ5100 ist hier vielleicht von Bedeutung. Da der ENC28J60 im Gegensatz zu den Funkmodulen nicht einfach nur einen Bitstream 'umsetzt', sondern eine Controllerlogik mit einer Vielzahl von Konfigurationsregistern besitzt ist die Anpassungsarbeit bei Library-Problemen oder eigenen Anpassungen nicht trivial.

Stepup-Wandler

Das Modul erhöht die Versorgungsspannung von 5 V des Arduino auf 12 V des Funksendemoduls. Dies erhöht die Funkreichweite. Die Module gibt es im Netz auch wie Sand am Meer. Einfach bei der Suchmaschine deines Vertrauens 'XL6009' eingeben.

1. Version mit Sende- und Empfangsmodulen für 433 MHZ

Testprogramm Empfänger

Bei dem nachfolgenden Sample benötigt man keine zusätzliche Library. Es dient ausschließlich dazu den Empfänger auf Funktion zu testen. Als Sketch in der Arduino IDE oder besser mit der PlatformIO-Installation in den Nano laden und auf einer der 433 MHz Fernbedienungen ein paar Tasten drücken. Dann sollte man auf der seriellen Konsole den Empfang erkennen können.

Receiver Sketch

 1 #include "Arduino.h"
 2 
 3 #define SAMPLESIZE 500
 4 
 5 static unsigned int timings[SAMPLESIZE];
 6 static unsigned int pos = 0; 
 7 static unsigned long lastTime = 0;
 8 
 9 static int receiverPin = 2;
10 
11 void handleInterrupt() {
12   const long time = micros();
13   timings[pos] = time - lastTime;
14   lastTime = time;
15   if (++pos > SAMPLESIZE-1) {
16     pos = 0;
17   }
18 }
19 
20 void setup() {
21   Serial.begin(9600);
22   attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(receiverPin), handleInterrupt, CHANGE); 
23   pinMode(13, OUTPUT);
24   digitalWrite(13, LOW);
25 }
26 
27 void loop() {
28     for (int i = 5; i>0; i--) { //countdown
29       Serial.print(i);
30       Serial.print("... ");
31       delay(900);
32       digitalWrite(13, HIGH);
33       delay(100);
34       digitalWrite(13, LOW);
35     }
36     Serial.println();
37 
38     detachInterrupt(digitalPinToInterrupt(receiverPin));
39 
40     int finalstate = digitalRead(receiverPin);
41   
42     for (unsigned int i = pos + finalstate; i< SAMPLESIZE; i++) {
43       Serial.print( timings[i] );
44       Serial.print(",");
45     }
46 
47     for (unsigned int i = 0; i < pos; i++) {
48       Serial.print( timings[i] );
49       Serial.print(",");
50     }
51 
52     Serial.println("");
53     Serial.println("Reset your Arduino to scan again...");
54 
55     while(true) {}
56 
57 }

Kurzkommentierung: Neben den beiden bekannten Funktionen bei Arduino-Sketches (setup und loop) findet man in diesem Sketch nur eine weitere Funktion:

1 void handleInterrupt() {
2   const long time = micros();
3   timings[pos] = time - lastTime;
4   lastTime = time;
5   if (++pos > SAMPLESIZE-1) {
6     pos = 0;
7   }
8 }

Diese Funktion ist die Interrupt Service Routine (ISR), die immer dann ausgeführt wird, wenn der verknüpfte Interrupt auslöst. In diesem Fall ist es ein Hardwareinterrupt an PIN 2 an dem der Receiver angeschlossen ist. Der ATmega328 des Nano hat auch nur 2 'voll' interruptfähige PINS, nämlich 2 (PD2/INT0) und 3 (PD3/INT1). Die allgemeinen Dinge will ich hier nicht wiederkäuen. Weitere Informationen findet man z. B. hier. Ein Verwirrung, die vielleicht der Auflösung bedarf, ist der erste Parameter der attachInterrupt 'pin'. Bei einigen Sketches findet man einfach nur den Interrupt pin eingetragen bei anderen irgenwie die Interrupt-Nummer und bei wieder anderen eine zusätzliche Funktion digitalPinToInterrupt(receiverPin). Dazu eine kleine Erläuterung: In einem Mikrocontroller befindet sich ein Tabelle, in diesem Fall des ATmega328 am Anfang des Flashspeichers (32768 Bytes) ganz am Anfang, also ab Adresse 0x0000. Um dies nachzuschauen reicht ein Blick in Daten die im Flashspeicher des AVR landen (i.d.R. durch avrdude) zu werfen. Avrdude erhält normalerweise ein hex-File, welches vom Compiler erstellt wurde zum Übrtragen in den AVR. Das (Intel-)hex-File ist zwar lesbar aber ohne Kenntnis des Aufbaus nicht ohne weiteres interpretierbar. Ich arbeite deshalb lieber mit einem bin-File, welches nebenbei bemerkt auch von avrdude übertragen werden kann. Um ein (Intel-)hex-File in eine bin-File zu wandeln genügt folgender Befehl im 'richtigen' Verzeichnis, oder mit vollständigen Pfadangaben.

/PlatformIO/Projects/Receiver_433/.pio/build/nanoatmega328new # objcopy -I ihex firmware.hex -O binary firmware.bin

Im erzeugten Bin-File kann man jetzt recht einfach sehen, welches Byte an welche Stelle im Flashspeicher geschrieben wird. Der Vollständigkeit halber habe ich hier mal das gesamte Bin-File des Receiver-Sketches aufgelistet.

Receiver Sketch

/PlatformIO/Projects/Receiver_433/.pio/build/nanoatmega328new # hexdump -C firmware.bin 00000000 0c 94 62 00 0c 94 43 03 0c 94 1c 03 0c 94 8a 00 |..b...C.........| 00000010 0c 94 8a 00 0c 94 8a 00 0c 94 8a 00 0c 94 8a 00 |................|

00000040 0c 94 d2 02 0c 94 8a 00 0c 94 90 03 0c 94 6a 03 |..............j.| 00000050 0c 94 8a 00 0c 94 8a 00 0c 94 8a 00 0c 94 8a 00 |................| 00000060 0c 94 8a 00 0c 94 8a 00 00 00 00 00 24 00 27 00 |............$.'.| 00000070 2a 00 00 00 00 00 23 00 26 00 29 00 00 00 00 00 |*.....#.&.).....| 00000080 25 00 28 00 2b 00 04 04 04 04 04 04 04 04 02 02 |%.(.+...........| 00000090 02 02 02 02 03 03 03 03 03 03 01 02 04 08 10 20 |............... | 000000a0 40 80 01 02 04 08 10 20 01 02 04 08 10 20 00 00 |@...... ..... ..| 000000b0 00 08 00 02 01 00 00 03 04 07 00 00 00 00 00 00 |................| 000000c0 00 00 04 05 11 24 1f be cf ef d8 e0 de bf cd bf |.....$..........| 000000d0 11 e0 a0 e0 b1 e0 e0 ec fa e0 02 c0 05 90 0d 92 |................| 000000e0 a4 34 b1 07 d9 f7 25 e0 a4 e4 b1 e0 01 c0 1d 92 |.4....%.........| 000000f0 a8 3d b2 07 e1 f7 10 e0 c2 e6 d0 e0 04 c0 21 97 |.=............!.| 00000100 fe 01 0e 94 53 05 c1 36 d1 07 c9 f7 0e 94 c2 03 |....S..6........| 00000110 0c 94 5e 05 0c 94 00 00 83 30 81 f0 28 f4 81 30 |..^......0..(..0| 00000120 99 f0 82 30 a1 f0 08 95 87 30 a9 f0 88 30 b9 f0 |...0.....0...0..| 00000130 84 30 d1 f4 80 91 80 00 8f 7d 03 c0 80 91 80 00 |.0.......}......| 00000140 8f 77 80 93 80 00 08 95 84 b5 8f 77 02 c0 84 b5 |.w.........w....| 00000150 8f 7d 84 bd 08 95 80 91 b0 00 8f 77 03 c0 80 91 |.}.........w....| 00000160 b0 00 8f 7d 80 93 b0 00 08 95 1f 93 cf 93 df 93 |...}............| 00000170 eb eb f0 e0 94 91 e7 ea f0 e0 d4 91 e3 e9 f0 e0 |................| 00000180 c4 91 cc 23 d1 f0 18 2f 99 23 19 f0 89 2f 0e 94 |...#.../.#.../..| 00000190 8c 00 ec 2f f0 e0 ee 0f ff 1f e4 58 ff 4f a5 91 |.../.......X.O..| 000001a0 b4 91 9f b7 f8 94 11 11 04 c0 8c 91 d0 95 d8 23 |...............#| 000001b0 02 c0 ec 91 de 2b dc 93 9f bf df 91 cf 91 1f 91 |.....+..........| 000001c0 08 95 3f b7 f8 94 80 91 37 05 90 91 38 05 a0 91 |..?.....7...8...| 000001d0 39 05 b0 91 3a 05 26 b5 a8 9b 05 c0 2f 3f 19 f0 |9...:.&...../?..| 000001e0 01 96 a1 1d b1 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....,.| 00000ae0 52 65 73 65 74 20 79 6f 75 72 20 41 72 64 75 69 |Reset your Ardui| 00000af0 6e 6f 20 74 6f 20 73 63 61 6e 20 61 67 61 69 6e |no to scan again| 00000b00 2e 2e 2e 00 |....|

Im Handbuch des ATmega kann man nachlesen, an welcher Stelle der Controller (Programmtzähler) springt sobald ein Interrupt ausgelöst wird. In meinem Besipiel an die Adresse 0x0002 sofern die Fusebits, BOOTRST und IVSEL) auf default stehen.

Aus dem Handbuch erfährt man weiterhin, dass an der entsprechenden Stellen der Reset und Vectors Interrupts Table wiederum ein Sprungbefehl (jmp) steht und dahinter eine Adresse der jeweiligen ISR.

Wenn man die (default-)Einträge aus dem Handbuch mit dem o.g. Beispiel vergleicht.