Super vienkārša Raspberry Pi 433MHz mājas automatizācija: 7 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:56

Šī apmācība ir viena no daudzajām, kad runa ir par Raspberry Pi izmantošanu bezvadu ierīču vadīšanai mājās. Tāpat kā daudzi citi, tas parādīs, kā izmantot lētu raidītāja/uztvērēja pāri, kas savienots ar jūsu Pi, lai mijiedarbotos ar ierīcēm, kas darbojas parasti izmantotajā 433 MHz radiofrekvenču joslā. Tas īpaši parādīs, kā ieslēgt vai izslēgt jebkuru elektrisko ierīci, izmantojot savu Pi, pārsūtot komandas uz 433MHz tālvadības kontaktligzdu komplektu.

Kāpēc es izveidoju šo apmācību, ja tik daudz jau pastāv? Galvenokārt tāpēc, ka gandrīz visas pārējās pamācības, ar kurām es saskāros, šķita pārāk sarežģītas, it īpaši programmatūras pusē. Es ievēroju, ka viņi lielā mērā paļaujas uz trešo pušu bibliotēkām, skriptiem vai koda fragmentiem, lai veiktu visu darbu. Daudzi pat nepaskaidroja, ko darīja pamatā esošais kods - viņi vienkārši lūgtu jums ievietot divus vai trīs programmatūras gabalus savā Pi un izpildīt virkni komandu, bez jautājumiem. Es patiešām gribēju izmēģināt un izmantot savu Pi, lai ieslēgtu un izslēgtu elektroierīces manās mājās, izmantojot 433MHz tālvadības kontaktligzdu komplektu, taču vēlējos izveidot savu sistēmas versiju, ko es varētu saprast, cerams, ka vairs nebūs nepieciešamības to darīt. izmantot kāda cita bibliotēkas vai skriptus.

Par to ir šī apmācība. Šīs sistēmas programmatūras puse sastāv no diviem ļoti vienkāršiem Python skriptiem - viena signālu saņemšanai un ierakstīšanai, otra - šo signālu pārsūtīšanai atpakaļ uz bezvadu strāvas kontaktligzdām. Faktiskā signāla uztveršana/pārraide balstās tikai uz viegli lietojamo RPi. GPIO bibliotēku, kas vismaz man bija iepriekš instalēta kopā ar Raspbian. Šo bibliotēku var importēt arī tieši Python.

Šim projektam jums būs nepieciešams:

Aveņu Pi. Jebkuram modelim vajadzētu darboties, es izmantoju visu vienā starta komplektu, bet varbūt jums ir nepieciešama tikai centrālā ierīce

433MHz raidītāja/uztvērēja pāris. Šāda veida projektos visbiežāk izmantotie, šķiet, ir šie. Pērkot piecu iepakojumu, piemēram, saistīto, tiek nodrošināts, ka jums ir dažas rezerves daļas

433MHz tālvadības kontaktligzdu komplekts. Es izmantoju šos, kurus es ļoti ieteiktu, taču ir pieejami neskaitāmi modeļi. Vienkārši pārliecinieties, ka tie darbojas šajā frekvencē

Daži ķēdes veidošanas piederumi. Es ieteiktu izmantot maizes dēli un dažus pārejas kabeļus, lai ķēdes veidošanas process būtu pēc iespējas vieglāks.

[Ja jūs nolemjat iegādāties kādu no šiem produktiem, es būtu ļoti pateicīgs, ja piekļūtu sarakstiem, izmantojot iepriekš minētās saites - tādā veidā es saņemšu nelielu peļņas daļu bez papildu maksas!]

1. darbība: uztvērēja bloka iestatīšana

Pirms varat izmantot savu Pi, lai nosūtītu komandas uz tālvadības ligzdām, jums jāzina, uz kādiem konkrētiem signāliem tie reaģē. Lielākā daļa tālvadības kontaktligzdu tiek piegādātas ar klausuli, ko var izmantot, lai ieslēgtu vai izslēgtu noteiktas ierīces. Attiecībā uz tiem, kurus es nopirku, klausulē ir četras pārī ieslēgtu/izslēgtu pogu pogas, no kurām katra nosūta ON vai OFF signālu uz konkrētu kontaktligzdu.

Tas rada jautājumu - kā mēs zinām, kuras pogas atbilst kādai kontaktligzdai? Tas faktiski ir atkarīgs no jūsu modeļa. Viens no galvenajiem iemesliem, kāpēc es izvēlējos savu konkrēto ligzdas stilu (saistīts ievadā), ir tas, ka iekārtas var konfigurēt ar fizisku slēdzi, lai konkrēta ligzda reaģētu uz noteiktu klausules ieslēgšanas/izslēgšanas pogu komplektu. Tas arī nozīmē, ka jūs varat atvienot un pārvietot kontaktligzdas pa māju, zinot, ka katra iekārta vienmēr reaģēs uz tiem pašiem ieslēgšanas/izslēgšanas signāliem.

Kad esat sapratuši, kā jūsu kontaktligzdas mijiedarbojas ar klausuli, jums būs jāizmanto 433 MHz uztvērējs (attēlā iepriekš), lai “šņaukātu” ar klausuli izsūtītos kodus. Kad esat ierakstījis šo kodu viļņu formas, varat tos atkārtot, izmantojot Python, un nosūtīt tos, izmantojot raidītāju.

Pirmā lieta, kas šeit jādara, ir savienot uztvērēja tapas ar pareizajām GPIO tapām uz Pi. Uztvērēja blokam ir četras tapas, taču vajadzīgas tikai trīs no tām. Es domāju, ka abas centrālās tapas nodrošina vienādu izeju, tāpēc jums ir nepieciešams izveidot savienojumu tikai ar vienu no tām (ja vien nevēlaties straumēt saņemtos signālus uz divām atsevišķām GPIO tapām).

Iepriekš redzamajā attēlā ir apkopoti vadi. Katru uztvērēja tapu var savienot tieši ar atbilstošo Pi tapu. Es izmantoju maizes dēli un džemperu kabeļus, lai padarītu procesu nedaudz elegantāku. Ņemiet vērā, ka varat izvēlēties jebkuru GPIO datu tapu, lai izveidotu savienojumu ar kādu no centrālajām uztvērēja tapām. Es savā Pi galvenē izmantoju tapu, kas atzīmēta kā “23”.

SVARĪGI: ja savienojat tapu, kas iepriekš attēlā atzīmēta ar “3v3”, pie augstāka sprieguma tapas uz Pi (piemēram, 5v), iespējams, jūs sabojāsit Pi, jo GPIO tapas nevar paciest spriegumu virs 3v3. Varat arī barot to ar 5 V spriegumu un iestatīt sprieguma dalītāju, lai nosūtītu drošu spriegumu uz DATA tapu.

Pie šī sprieguma uztvērēja diapazons nebūs ļoti liels, it īpaši, ja antena nav pievienota. Tomēr šeit nav vajadzīgs liels attālums - kamēr uztvērējs var uztvert signālus no klausules, kad tie tiek turēti blakus, tas ir viss, kas mums vajadzīgs.

2. solis: klausules kodu šņaukšana

Tagad, kad jūsu uztvērējs ir savienots ar Pi, jūs varat sākt šī projekta pirmo aizraujošo posmu - šņaukāties. Tas ietver pievienotā Python skripta izmantošanu, lai ierakstītu klausules pārraidīto signālu, nospiežot katru pogu. Skripts ir ļoti vienkāršs, un es ļoti iesaku jums to apskatīt pirms palaišanas - galu galā šī projekta būtība ir tāda, ka jūs ne tikai akli palaist kāda cita kodu!

Pirms sākat šo procesu, jums jāpārliecinās, vai jums ir Python bibliotēkas, kas nepieciešamas, lai palaistu sniffer skriptu. Tie ir norādīti skripta augšdaļā:

no datuma importēšanas datuma laika

importēt matplotlib.pyplot kā pyplot importēt RPi. GPIO kā GPIO

RPi. GPIO un datuma bibliotēkas tika iekļautas manā Raspbian izplatīšanā, bet man bija jāinstalē matplotlib bibliotēka šādi:

sudo apt-get install python-matplotlib

Šī bibliotēka ir plaši izmantota grafiku zīmēšanas bibliotēka, kas ir ļoti noderīga pat ārpus šī projekta, tāpēc tās instalēšana noteikti nevar kaitēt! Kad jūsu bibliotēkas ir atjauninātas, jūs esat gatavs sākt datu ierakstīšanu. Skripts darbojas šādi:

Kad tas tiek palaists (izmantojot komandu 'python ReceiveRF.py'), tas konfigurēs definēto GPIO tapu kā datu ievadi (pēc noklusējuma 23. tapa). Pēc tam tas nepārtraukti ņem paraugu un reģistrē, vai tas saņem ciparu 1 vai 0. Tas turpinās noteiktu laiku (pēc noklusējuma 5 sekundes). Kad šis termiņš ir sasniegts, skripts pārtrauks datu ierakstīšanu un aizvērs GPIO ievadi. Pēc tam tā veic nelielu pēcapstrādi un attēlo saņemto ievades vērtību laika gaitā. Atkal, ja jums ir jautājumi par to, ko skripts dara, jūs droši vien varat uz tiem atbildēt pēc tam, kad esat izpētījis, kā tas darbojas. Esmu mēģinājis padarīt kodu pēc iespējas salasāmāku un vienkāršāku.

Jums jārūpējas, lai skripts norādītu, ka tas ir ** Sācis ierakstīšanu **. Kad tiek parādīts šis ziņojums, apmēram sekundi nospiediet un turiet vienu no klausules pogām. Noteikti turiet to tuvu uztvērējam. Kad skripts ir pabeidzis ierakstīšanu, tas izmantos matplotlib, lai attēlotu ierakstīšanas intervāla laikā saņemtā signāla grafisko viļņu formu. Lūdzu, ņemiet vērā: ja esat izveidojis savienojumu ar savu Pi, izmantojot SSH klientu, piemēram, PuTTY, jums būs jāatver arī X11 lietojumprogramma, lai ļautu parādīt viļņu formu. Es tam izmantoju xMing (un citām lietām, piemēram, attālai darbvirsmas darbībai savā Pi). Lai ļautu parādīt grafiku, pirms skripta palaišanas vienkārši palaidiet xMing un gaidiet rezultātu parādīšanos.

Kad parādās jūsu matplotlib logs, interešu apgabalam zemes gabalā jābūt diezgan acīmredzamam. Varat izmantot loga apakšā esošās vadīklas, lai tuvinātu, līdz varēsit noteikt klausules pārraidītā signāla maksimumu un kritumu, kamēr poga tiek turēta nospiesta. Pilna koda piemēru skatiet iepriekš redzamajā attēlā. Signāls, iespējams, sastāvēs no ļoti īsiem impulsiem, kurus atdala līdzīgi laika periodi, kad signāls netiek saņemts. Šim īsu impulsu blokam, iespējams, sekos ilgāks periods, kurā nekas netiks saņemts, un pēc tam modelis atkārtosies. Kad esat identificējis modeli, kas pieder vienam koda gadījumam, šīs lapas augšdaļā uzņemiet šādu ekrānuzņēmumu un turpiniet nākamo darbību, lai to interpretētu.

3. darbība. Rezultāta signāla pārrakstīšana

Tagad, kad esat identificējis periodisku maksimumu un kritumu bloku, kas atbilst konkrētas pogas signālam, jums būs nepieciešams veids, kā to saglabāt un interpretēt. Iepriekš minētajā signāla piemērā jūs pamanīsit, ka ir tikai divi unikāli modeļi, kas veido visu signāla bloku. Dažreiz jūs redzat īsu maksimumu, kam seko garš zems, un dažreiz tas ir pretējs - garš maksimums, kam seko īss zems līmenis. Pārrakstot savus signālus, es nolēmu izmantot šādu nosaukšanas konvenciju:

1 = īss_izdevums + garš_izdevums

Paskaties vēlreiz uz marķēto viļņu formu, un tu redzēsi, ko es domāju. Kad esat identificējis līdzvērtīgus modeļus savā signālā, viss, kas jums jādara, ir saskaitīt 1 un 0, lai izveidotu secību. Atšifrējot, iepriekš minēto signālu var uzrakstīt šādi:

1111111111111010101011101

Tagad jums vienkārši jāatkārto šis process, lai ierakstītu un pārrakstītu signālus, kas atbilst citām klausules pogām, un esat pabeidzis procesa pirmo daļu!

Pirms varat atkārtoti nosūtīt signālus, izmantojot raidītāju, ir nedaudz jāpaveic. Laiks starp maksimumiem un kritumiem, kas atbilst 1 vai 0, ir ļoti svarīgs, un jums ir jāpārliecinās, ka zināt, cik ilgi īss_atvaļinājums vai “ilgi_slēgums” faktiski ilgst. Maniem kodiem bija trīs laika informācija, kas man bija jāiegūst, lai atkārtotu signālus:

• “Īsa” intervāla ilgums, t.i., 1 sākums vai 0 beigas.
• “Gara” intervāla ilgums, t.i., 1 beigas vai 0 sākums.
• “Pagarināta” intervāla ilgums. Es pamanīju, ka, turot pogu uz klausules, starp katru atkārtotu signāla bloka gadījumu bija pagarināts izslēgšanas periods. Šī aizkave tiek izmantota sinhronizācijai, un tai ir noteikts ilgums.

Lai noteiktu šīs laika vērtības, varat izmantot tālummaiņas funkciju matplotlib logā, lai tuvinātu līdz galam un novietotu kursoru virs attiecīgajām signāla daļām. Kursora atrašanās vietas nolasīšanai loga apakšā vajadzētu ļaut noteikt, cik plata ir katra signāla daļa, kas atbilst garam, īsam vai pagarinātam intervālam. Ņemiet vērā, ka diagrammas x ass apzīmē laiku, un kursora nolasījuma x komponents ir sekundes vienībās. Man platumi bija šādi (sekundēs):

• īss kavējums = 0,00045
• long_delay = 0,00090 (divreiz garāks par īsu)
• pagarināts kavējums = 0,0096

4. darbība: raidītāja bloka uzstādīšana

Kad esat savācis savus kodus un laika datus, varat atvienot uztvērēja bloku, jo tas jums vairs nebūs vajadzīgs. Pēc tam jūs varat pieslēgt raidītāju tieši attiecīgajām Pi GPIO tapām, kā parādīts iepriekš redzamajā attēlā. Es atklāju, ka raidītāju bloku tapas ir marķētas, kas atvieglo procesu.

Šajā gadījumā ir pareizi barot ierīci, izmantojot 5 V barošanas avotu no Pi, jo DATA tapa nesūtīs signālus uz Pi, tikai saņems tos. Turklāt 5 V barošanas avots nodrošinās lielāku pārraides diapazonu nekā izmantojot 3 V3 barošanas avotu. Atkal jūs varat savienot DATA tapu ar jebkuru atbilstošu Pi tapu. Es izmantoju tapu 23 (tādu pašu kā uztvērējam).

Vēl viena lieta, ko es ieteiktu darīt, ir pievienot antenu mazajam caurumam raidītāja augšējā labajā stūrī. Es izmantoju 17 cm garu taisnas stieples gabalu. Daži avoti iesaka līdzīga garuma satītu stiepli. Es neesmu pārliecināts, kurš ir labāks, bet taisnais vads nodrošina pietiekamu diapazonu, lai es varētu ieslēgt/izslēgt kontaktligzdas no jebkuras vietas manā mazajā dzīvoklī. Vislabāk ir lodēt antenu, bet es tikko no stieples noņēmu daļu plastmasas un ietinu varu caur caurumu.

Kad raidītājs ir pievienots vadam, viss aparatūras iestatījums ir paveikts! Vienīgais, kas tagad jādara, ir uzstādīt kontaktligzdas pa māju un apskatīt raidītāja programmu.

5. solis: signālu pārraide, izmantojot Pi

Šeit nāk otrais Python skripts. Tas ir veidots tā, lai būtu tikpat vienkāršs kā pirmais, ja ne vēl vairāk. Vēlreiz, lūdzu, lejupielādējiet to un apskatiet kodu. Lai pārraidītu pareizos signālus atbilstoši 3. darbībā ierakstītajiem datiem, jums būs jārediģē skripts, tāpēc tagad ir īstais laiks to ātri apskatīt.

Visas bibliotēkas, kas vajadzīgas, lai palaistu šo skriptu, bija iepriekš instalētas manā Pi, tāpēc turpmāka instalēšana nebija nepieciešama. Tie ir norādīti skripta augšdaļā:

importa laiks

importēt sys importēt RPi. GPIO kā GPIO

Zem bibliotēkas importēšanas ir informācija, kas jums būs jārediģē. Lūk, kā tas izskatās pēc noklusējuma (šī ir informācija, kas atbilst manām ligzdām, kā noteikts, izmantojot 3. darbību):

a_on = '1111111111111010101011101'

a_off = '1111111111111010101010111' b_on = '1111111111101110101011101' b_off = '1111111111101110101010111' c_on = '1111111111101011101011101' c_off = '1111111111101011101010111' d_on = '1111111111101010111011101' d_off = '1111111111101010111010111' short_delay = 0,00045 long_delay = 0,00090 extended_delay = 0,0096

Šeit mums ir astoņas koda virknes (divas katram ieslēgšanas/izslēgšanas pogu pārim manā klausulē - jums var būt vairāk vai mazāk kodu), kam seko trīs laika informācijas daļas, kas arī noteiktas 3. solī. Veltiet laiku, lai pārliecinātos, ka jums ir pareizi ievadīja šo informāciju.

Kad esat apmierināts ar kodiem/kavējumiem, kurus esat ievadījis skriptā (ja vēlaties, varat pārdēvēt koda virkņu mainīgos), jūs esat gandrīz gatavs izmēģināt sistēmu! Pirms to darīt, apskatiet skripta funkciju send_code (). Šeit notiek faktiskā mijiedarbība ar raidītāju. Šī funkcija paredz, ka viena no koda virknēm tiks nosūtīta kā arguments. Pēc tam tas atver definēto tapu kā GPIO izvadi un iziet cauri katrai koda virknes rakstzīmei. Pēc tam tas ieslēdz vai izslēdz raidītāju atbilstoši ievadītajai laika informācijai, lai izveidotu viļņu formu, kas atbilst koda virknei. Katru kodu tas nosūta vairākas reizes (10 pēc noklusējuma), lai samazinātu tā nokavēšanas iespēju, un atstāj pagarinātu aizkavi starp katru koda bloku, tāpat kā klausuli.

Lai palaistu skriptu, varat izmantot šādu komandu sintaksi:

python TransmitRF.py code_1 code_2…

Ar vienu skripta izpildi varat pārsūtīt vairākas koda virknes. Piemēram, lai ieslēgtu ligzdas (a) un (b) un izslēgtu ligzdu (c), palaidiet skriptu ar šādu komandu:

python TransmitRF.py a_on b_on c_off

6. darbība. Piezīme par laika precizitāti

Kā jau minēts, laiks starp pārraidītajiem ieslēgšanas/izslēgšanas impulsiem ir diezgan svarīgs. TransmitRF.py skripts izmanto python time.sleep () funkciju, lai izveidotu viļņu formas ar pareiziem impulsu intervāliem, taču jāatzīmē, ka šī funkcija nav pilnīgi precīza. Ilgums, kādu tas liek skriptam gaidīt pirms nākamās darbības izpildes, var būt atkarīgs no procesora noslodzes konkrētajā brīdī. Tas ir vēl viens iemesls, kāpēc TransmitRF.py katru kodu nosūta vairākas reizes - tikai gadījumā, ja funkcija time.sleep () nespēj pareizi izveidot konkrētu koda gadījumu.

Man personīgi nekad nav bijušas problēmas ar time.sleep (), kad runa ir par kodu nosūtīšanu. Tomēr es zinu, ka manā time.sleep () kļūda parasti ir aptuveni 0,1 ms. Es to noteicu, izmantojot pievienoto SleepTest.py skriptu, ko var izmantot, lai novērtētu, cik precīza ir jūsu Pi's time.sleep () funkcija. Manām konkrētajām tālvadības ligzdām īsākā kavēšanās, kas man bija jāievieš, bija 0,45 ms. Kā jau teicu, man nav bijušas problēmas ar nereaģējošām kontaktligzdām, tāpēc šķiet, ka 0,45 ± 0,1 ms ir pietiekami labs.

Ir arī citas metodes, lai nodrošinātu, ka kavēšanās ir precīzāka; piemēram, kodu ģenerēšanai varat izmantot speciālu PIC mikroshēmu, taču šādi materiāli nav ietverti šajā apmācībā.

7. solis. Secinājums

Šajā projektā ir prezentēta metode jebkuras elektroierīces vadīšanai, izmantojot Raspberry Pi un 433MHz tālvadības kontaktligzdu komplektu, koncentrējoties uz vienkāršību un pārredzamību. Šis ir aizraujošākais un elastīgākais projekts, kuram esmu izmantojis savu Pi, un tam ir neierobežotas lietojumprogrammas. Šeit ir dažas lietas, ko es tagad varu darīt, pateicoties savam Pi:

• Ieslēdziet elektrisko sildītāju blakus manai gultai pusstundu pirms signāla atskanēšanas.
• Izslēdziet sildītāju stundu pēc gulētiešanas.
• Kad ieslēdzas modinātājs, ieslēdziet gaismu pie gultas, lai neiemigtu.
• un vēl daudz vairāk…

Lielākajai daļai šo uzdevumu es izmantoju crontab funkciju Linux. Tas ļauj iestatīt automātiskus plānotos uzdevumus, lai noteiktu laiku palaistu TransmitRF.py skriptu. Varat arī izmantot komandu Linux komandā, lai izpildītu vienreizējus uzdevumus (kas man bija jāinstalē atsevišķi, izmantojot “sudo apt-get install at”). Piemēram, lai ieslēgtu sildītāju pusstundu pirms modinātāja atskanēšanas nākamajā rītā, man atliek tikai ierakstīt:

pulksten 05:30

python TransmitRF.py c_on

Jūs varētu arī izmantot šo projektu kopā ar manu Dropbox mājas uzraudzības sistēmu, lai kontrolētu ierīces internetā! Paldies, ka izlasījāt, un, ja vēlaties kaut ko precizēt vai dalīties savā viedoklī, lūdzu, ievietojiet komentāru!