Telegram Bot

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Der letzte Blogeintrag ist bereits ein paar Wochen her. Warum? Zur Zeit arbeite ich an zwei sehr großen Projekten, die ich, sobald ich sie abgeschlossen habe, hier vorstellen werde. Das eine Projekt hat wieder mit einer Kamera zu tun (nein, diesmal keine Tropfenfotografie). Das andere, welches ich gemeinsam mit ralph mache, hat wieder mit dem ESP-Controller zu tun. Stay tuned.

So viel sei gesagt, hier folgt ein Lückenfüller. Es kommt nichts sonderlich neues, aber wem fad ist, der darf gerne bleiben. Der Titel verrät es schon, es geht um den Raspberry Pi und um Telegram. Das Vorhaben ist, dass man Statusnachrichten vom Pi direkt aufs Smartphone bekommt. Ich finde das immer recht praktisch, weil ich dann nicht erst meinen PC starten muss um dann via Terminal mit dem Pi kommunizieren zu können.

Get Telegram

Das Prozedere, um einen Bot aufzusetzen, habe ich hier schon gezeigt. Folgt einfach den Anweisungen des BotFathers, dann kann nichts mehr schief gehen.

Der Code

Diesmal nicht auf GitHub, sondern auf meiner Website. Es sind nicht einmal 100 Zeilen Code, das geht sich also dort gut aus.

Das Python-Script lege ich am Raspberry im Verzeichnis ~/Python/Telegram_Bot/Telegram_Bot.py ab. Wie ihr das macht bleibt euch überlassen, aber das Verzeichnis ist später noch wichtig.

Das Script sollte für all‘ jene, die Python verstehen nachvollziehbar sein, auch wenn ich mich nicht immer an die Community-Konventionen halte. Alle, die es (noch) nicht können: Ihr könnt mich gerne dazu fragen!

Was macht das Script? Sobald der Bot läuft bekommt ihr eine Nachricht von ihm. So wisst ihr, dass der Raspberry Pi online ist, sofern ihr das Script im Autostart ausführen lässt. Danach kann eine Konversation so aussehen:

conversation.jpg

Das tolle „neue“ Feature des BotFathers ist es, dass ihr jetzt eure Commands definieren könnt. So fällt das lästige Eintippen weg. Die Commands werden einfach per Klick gesetzt.

Autostart

Startet am Pi den nano-Editor im Verzeichnis

sudo nano /etc/rc.local

und ergänzt ihn um die Zeile

/home/pi/startup.sh

rc_local.jpg

Speichert und schließt die rc.local und erstellt oder öffnet die startup.sh mit

sudo nano /home/pi/startup.sh

und ergänzt sie mit dem Eintrag

/bin/sleep 15 && cd /home/pi/Python/Telegram_Bot/ && sudo python Telegram_Bot.py

startup_sh.jpg

Speichern. Schließen. Schon liegt das Script im Autostart. Die 15 Sekunden Wartezeit sind natürlich keine saubere Art das zu machen, aber ich habe auch nach (kurzer) Suche im Web keine andere, saubere Lösung gefunden.

Bei Fragen (oder der Lösung zum 15 sec Problem) schreibt mir einfach einen Kommentar!

ESP8266 & Telegram

English version.

Einen Mikrocontroller per Messenger Befehle senden oder Daten erhalten? Ja das geht, und es ist auch genau so cool wie es sich anhört!

An dieser Stelle sollte eigentlich ein kurzes Video folgen, da man dazu jedoch einen Premium-Tarif benötigt, und das neben meiner Website etwas unnötig wäre, gibt es stattdessen den Link zur genannten Website: 

http://deloarts.com/de/arduino/esp8266_telegram/

Dank der entsprechenden Lib (folgt später im Eintrag) erspart man sich viel Schreibarbeit und kann gleich loslegen. Wenn man sich die Bibliothek genauer anschaut merkt man die Ähnlichkeit zur Python API, es ist lediglich stark abgespeckt, was für die Nutzung auf dem ESP nur Hilfreich ist.

Telegram

Zuerst muss man Telegram als Messenger nutzen, entweder auf dem Smartphone, Tablet oder dem PC. Danach kann man schon damit beginnen, einen Bot zu erstellen. Der Übersicht zu Liebe folgt ein Copy/Paste-Inhalt aus dem Raspberry-Tutorial.

Startet damit in das Suchen-Feld den Namen BotFather einzugeben. Dies ist der Manager aller Bots auf Telegram. Bei ihm sucht man um einen neuen Bot an.

Search_Botfather

Sendet ihm den Befehl /newbot, wählt einen Namen und einen Benutzernamen. Der Benutzername ist öffentlich sichtbar und auffindbar, durch geschickte Programmierung redet der Bot aber nur mit ausgewählten Nutzern. Als Namen vergebe ich gerne einen projektbezogenen, in diesem Fall wäre ‚Doorbell‘ recht passend.

Talk_To_BotFather

Ist der Vorgang abgeschlossen, so erhält man einen eindeutigen Token. Dieser ist später im Programm wichtig!

Das Programm

Zu finden wie immer auf GitHub. Wer neu ist, und das ESP noch nicht so gut kennt, dem empfehle ich das Setup-Tutorial zum Board.

Oben im Beitrag habe ich die Lib erwähnt, welche für die Nutzung der Telegram API benötigt wird. Die habe ich sie in das GitHub-Verzeichnis von mir kopiert, um immer die passende Version zu haben.

Bevor ihr beginnen könnt, gebt die WLAN-Daten eures Netzwerks ein.

static char SSID[] = "your network name";
static char password[] = "your password";
static char hostname[] = "Doorbell";

Weiter geht’s mit den Definitionen des Programms, dazu muss man den Botnamen, seinen Usernamen, den Token und die ID angeben, an welche die Nachrichten geschickt werden sollen.

#define botName "Doorbell"
#define botUserName "something that ends with bot"
#define botToken "your:token"
#define adminID "yourID"

Die adminID ist demzufolge die ID eures persönlichen Telegram-Accounts. Um diese herauszufinden, ladet das Script auf den ESP, gebt aber zuvor in den Programmdefinitionen eure Daten ein (Username & Token). Über das Suchen-Feld in Telegram könnt ihr über den Usernamen euren Bot finden. Sendet danach dem Bot über Telegram eine Nachricht, dieser wird euch sodann eure ID zurücksenden.

String senderID = bot.message[i][4];
bot.sendMessage(bot.message[i][4], "Access denied. Your ID: " + senderID, "");

Ein anderer Weg ist der serielle Monitor. Die Chat ID wird bei jedem Zugriff angezeigt.

Tragt danach die ID einfach an der entsprechenden Stelle im Programm ein, und voilà, der Bot hört auf euch.

Am Beginn sollte man den ESP via USB mit dem PC verbinden (auf die Baudrate achten), um die Debuginformation zu erhalten. So lässt sich leicht ein möglicher Fehler entdecken, etwa falsche WLAN-Zugangsdaten oder ein falscher Token.

Zurück zum eigentlichen Programm.

Im setup() werden alle Routinen gestartet, das Programm ist (hoffentlich) gut auskommentiert.

In der loop() ist es schon etwas interessanter. Grundsätzlich wäre dem Zweck Genüge getan, wenn der Controller auf das Betätigen des Tasters wartet, und dann eine Nachricht an die AdminID sendet.

if (!digitalRead(inputPin))
{
    bot.sendMessage(adminID, "Ding Dong", "");
}

Ich möchte aber auch zeigen, wie man dem ESP über Telegram Befehle senden kann, weshalb das Programm noch etwas weiter geht. So könnte man etwa ein Relais ansteuern, oder Daten eines Sensors abgreifen. Um das tun zu können, muss man wissen, wo die Daten gespeichert werden.

Grundsätzlich werden die Telegram-Daten beim Empfangen in einem zweidimensionalen Array gespeichert: bot.message[i][j]. Ist i gleich 0, so werden Sonderfälle behandelt:

  • bot.message[0][0]: Anzahl der anstehenden Nachrichten.
  • bot.message[0][1]: ID der letzten Nachricht.

Ansonsten ist i der Index der eingegangenen Nachrichten. j beinhaltet die Daten, welche zu i gehören.

  • bot.message[i][0]: Update ID
  • bot.message[i][1]: User ID
  • bot.message[i][2]: Vorname
  • bot.message[i][3]: Nachname
  • bot.message[i][4]: User ID
  • bot.message[i][5]: Nachricht

Zuerst prüfen wir, ob Updates, also neue Nachrichten zur Verfügung stehen. Diese werfen wir dazu in das Array um sie später zur Verfügung zu haben.

bot.getUpdates(bot.message[0][1]);

Danach arbeiten wir uns Schritt für Schritt durch die Daten durch, und prüfen zugleich, ob die empfangene Nachricht einem Befehl entspricht.

for (int i = 1; i < bot.message[0][0].toInt() + 1; i++)
{
    if (bot.message[i][4] == adminID)
    {
        bot.message[i][5] = bot.message[i][5].substring(1, bot.message[i][5].length());
        if (bot.message[i][5] == "info")
        {
            bot.sendMessage(bot.message[i][4], "Hello.", "");
            bot.sendMessage(bot.message[i][4], "I am your doorbell.", "");
        }

        ...

    }
}

i entspricht, wie wir wissen, dem Index der IDs, welche dem Bot eine Nachricht gesendet haben. Bevor wir also auf eine Nachricht antworten, prüfen wir ob der Absender auch berechtigt ist, eine Antwort vom Bot zu bekommen. Ist er das nicht, bekommt er eine entsprechende Rückmeldung.

bot.sendMessage(bot.message[i][4], "Access denied.", "");

So viel zum Programm. Man sieht, es steckt nicht viel dahinter (also, eigentlich schon, aber das Interface ist einfach).

Der elektrische Aufbau

Zum Testen des Programms reicht die Lochrasterplatine vom Setup-Tutorial und ein Taster, wie es im Video am Beginn gezeigt wird.

Ich möchte die bestehende Türklingel nicht durch die WIFI-Klingel ersetzen, sondern beide parallel bestehen haben. Deshalb setze ich ein Relais in die Leitung der vorhandenen Glocke, welches das Signal an den Controller gibt, sobald die Taste betätigt wird. Hierfür muss man das Relais entsprechend der verbauten Klingel auswählen. Meine arbeitet mit 12VDC, weshalb ich auch ein Relais nutze, das bei 12V schließt. Dabei ist darauf zu achten, dass das Netzteil für die Klingel genügend Strom für die Klingel selbst, als auch für das Relais liefert.

shematic.jpg

Im Schaltplan erkennt man unter anderem, dass das Relais ohne Pull-Down-Widerstand (im Normalfall 10kΩ) an den Controller angeschlossen wird. Der Grund ist der gleiche, wie der im Setup-Tutorial beschriebene: Ist einer der beiden GPIO-Pins beim Booten nicht logisch HIGH (oder in einem Zwischenzustand), so startet der ESP nicht das Programm, sondern erwartet den Upload eines Programms. Deshalb starte ich den ESP mit offenem Relais (es ist doch sehr unwahrscheinlich, dass jemand anleutet wenn der Controller gerade bootet).

Der zweite Punkt, welcher auffällig ist, ist dass der GPIO-Pin über das Relais nicht mit +3V3 verbunden ist, sondern mit der Groundleitung. Dazu bedarf es einer Erklärung des …

INPUT_PULLUP

Von den Schaltungen eines Arduinos ist man es gewohnt, einen Taster mit VCC und dem Pin zu verbinden. Vom Pin ausgehend schließt man einen hochohmigen Widerstand auf Ground um Störsignale oder Signalschwankungen zu filtern.

input

Würde man den Pull-Down-Widerstand weglassen, so wäre der Pin bei offenem Taster in einem Zwischenzutand (floating). Es ist also nicht eindeutig festgelegt, ob der Taster nun offen ist. Auf diese Weise können Signale der Umgebung, elektromagnetische oder magnetische Felder, den Pin beeinflussen. Das kann man sich sehr gut veranschaulichen, indem man sich über den seriellen Monitor eines blanken Arduinos den Wert eines Analogpins ausgeben lässt. Bewegt man das Board oder hält ein elektrisches Gerät in seine Nähe, so ändert sich der Wert.

/* Button an Pin 12,
   LED an Pin 13
*/
pinMode(12, INPUT);
pinMode(13, OUTPUT);
digitalWrite(13, digitalRead(12));

Das Programm sieht daher so aus wie immer, wird der Taster betätigt, so leuchtet die LED. Das ganze kann man aber auch umgekehrt lösen, indem man einen Pull-Up-Widerstand nutzt. Dieser wird zwischen VCC und dem Pin eingesetzt.

input_pullup

Ist der Taster offen, so bleibt die Spannung am Widerstand gleich – 5V, 3V3, … was auch immer die Versorgungsspannung ist. Das bedeutet, dass am Pin immer 5V, 3V3, … anliegen. Wird der Taster gedrückt, so fällt die Spannung auf Null ab. Durch den hochohmigen Widerstand verhindert man zudem ein Kurzschließen des Schaltkreises. Man sollte allerdings keinen allzu großen Widerstand wählen, da ansonsten das Rauschen wieder zurückkehrt (Luft ist ja auch ein Widerstand) – 10kΩ sind die Faustregel bei Controllern bis +5V Betriebsspannung.

/* Button an Pin 12,
   LED an Pin 13
*/
pinMode(12, INPUT);
pinMode(13, OUTPUT);
digitalWrite(13, !digitalRead(12));

Im Programm hat man nur eine kleine Änderung zu machen: Den Input mit dem Rufzeichen zu negieren. Ist der Taster nicht gedrückt gibt digitalRead(pin); true zurück und vice versa.

Nun könnten wir das bereits nutzen, um den Button am ESP anzuschließen. Der Pin wäre ohne Interaktion immer logisch HIGH, wodurch der Controller problemlos booten kann. Allerdings hat der Controller die nette Eigenschaft, einen hochohmigen Widerstand hinter seinen GPIO-Pins verbaut zu haben. Das bedeutet, dass wir uns darum nicht mehr kümmern müssen und der Aufbau sich vereinfacht:

input_internal

Gut, etwas muss man schon beachten: Der interne Widerstand muss aktiviert werden. Dies erledigt man, indem man den Input nicht mit pinMode(PIN, INPUT);, sondern mit pinMode(PIN, INPUT_PULLUP); festlegt.

/* Button an Pin 12,
   LED an Pin 13
*/
pinMode(12, INPUT_PULLUP);
pinMode(13, OUTPUT);
digitalWrite(13, !digitalRead(12));

Das lässt sich übrigens auch am Arduino anwenden. Wer also gerade keinen Widerstand zur Hand, oder nicht genug Platz für einen hat, muss nicht verzweifeln: einfach INPUT_PULLUP nutzen!

Zurück zum Thema: Für den Aufbau habe ich die folgenden Bauteile genutzt:

.

Stk. Komponente Ausführung Beschreibung
1 ESP8266 ESP-01
1 Widerstand 10kΩ
1 Spannungsregler LD33V 12VDC -> 3V3DC
2 Elektrolytkondensator 10µF
1 Kermaikkondensator 0.1µF
1 Relais 12VDC Passend zur Klingel

.

Die Kondensatoren dienen zur Glättung der Spannung, ohne diese würde der Spannungswandler instabil werden und die Spannung am Ausgang würde stark schwanken – schlecht für den ESP. Das passiert, weil der verwendete Spannungswandler von seinem Aufbau her ein rückgekoppelter Verstärker ist.

setup

Eine weitere Möglichkeit, neben dem Taster, wäre die Nutzung eines Infrarot-Bewegungsmelders. Diesen könnte man sogar an den verbeleibenden Pin des ESP anschließen (auf die galvanische Trennung beim Booten sollte man achten).

Fragen? Kommentar!

I²C & Bit-Shifting

English version.

In letzter Zeit wurde ich häufiger über I²C, beziehungsweise dem damit oft einhergehenden Bit-Shifting gefragt. Konkret meine ich damit den Code der OLED-Lib und dem des Wii-Nunchuk. Beide Geräte unterstützen den I2C-Bus, welcher Thema dieses Eintrages ist. Als Antwort habe ich meistens eine kurze Erklärung, sowie den Verweis auf den Wikipedia-Eintrag zu I²C gegeben. Hier will ich aber etwas genauer darauf eingehen, wie man I²C und Bit-Shifting tatsächlich auf mehreren Controllern nutzt.

setup

(Sorry für das schlechte Bild, hatte im Moment nur meine Handykamera)

Entwickelt wurde der BUS in den 80ern von Phillips. Der genaue Name lautet Inter-Integrated Circuits Bus (IIC), woraus schnell die Abkürzung I²C (i squared c) wurde. Oftmals liest man auch die Abkürzung TWI, diese steht für Two-Wire-Interface. Die Grundzüge sind:

  • Jedes Gerät hat seine eigene 7-bit Adresse. Dies bedeutet es können bis zu 2^7=128 Geräte angeschlossen werden.
  • Eine genaue Taktgeschwindigkeit, um die Daten senden/empfangen zu können.
  • Zwei Leiter, SDA, welcher den Takt vorgibt, und SCL, die Datenleitung.
  • Einen Master, welcher den Takt vorgibt und den Bus administriert.
  • Mehrere Slaves, welche dem Master unterliegen.

Es kann auch mehrere Master geben, Zugriff auf den BUS hat aber immer nur einer, weshalb man sich bei der Verwendung mehrerer Master etwas überlegen muss, damit jeder darauf zugreifen kann – Stichwort: Multi-Master.

Der elektrische Aufbau

Für dieses Beispiel nutze ich die folgenden Bauteile:

Stk. Komponente Ausführung Beschreibung
1 Arduino UNO Master
2 Arduino Nano Slave
2 Widerstand 1kΩ I2C Pull-up
2 Widerstand 220Ω Vorwiderstand LED
1 Widerstand 10kΩ Taster Pull-down
1 Potentiometer 10kΩ
1 Taster

Der folgende Schaltplan zeigt, wie der Aufbau aussehen soll. Wichtig ist, dass man hier nur das Arduino UNO mit Spannung über den USB-Port, den VIN-Pin oder den 7-12V-Anschluss versorgt. Die beiden Nanos dürfen mit keiner externen Quelle versorgt werden. Der Grund ist, dass man mit diesem Aufbau die Schutzmaßnahmen, sowie die automatische Wahl der Versorgung der Boards umgeht. Des weiteren sollte man in diesem Aufbau an keinem der Boards zu viele zusätzliche Geräte anschließen, da alles über den +5V-Pin des UNOs versorgt wird. Der Aufbau ist für dieses Beispiel konzipiert.

shematic

Wer mehrere Geräte an die Powerline (+5V) anschließen will, muss eine zusätzliche 5V-Versorgung verbauen, welche genung Strom für alle Geräte liefert und außerdem in jedem Fall einen stabilen Output hat. In diesem Fall darf man auch das UNO nicht mehr extern mit Spannung versorgen. Will man das UNO (in diesem Fall den Master) dennoch mit einem USB-Gerät kommunizieren lassen, so muss man auf einen externen FTDI-Adapter zurückgreifen, wobei man ihn dann nur mit RX, TX & GND des Masters verbinden darf. Die Logik des Aufbaus folgt dann dem folgenden Schaltplan:

shematic_2

Die beiden Pull-up Widerstände werden gebraucht, weil der BUS LOW-active ist. Das bedeutet, dass die Daten nicht durch eine 1, sondern durch eine 0 dargestellt sind (ähnlich zu einem Bar-Code, wo die weißen Balken die Daten repräsentieren). Die meisten erhältlichen I2C-Geräte haben die Widerstände bereits verbaut, weshalb man sich darum keine Gedanken mehr machen muss.

Der Code

Wie immer findet man das Programm auf GitHub.

Dort findet man drei Verzeichnisse: Master, Slave_Reader und Slave_Writer. Die Idee meines Beispiels ist, dass der Master Daten vom Slave_Reader anfordert und diese dann dem Slave_Writer zur Verfügung stellt. Diese Daten sind der digitale Wert eines Taster und der analoge Wert eines Potentiometers. Der Ablauf sieht wie folgt aus:

  • Der Master stellt einen Request an den Slave_Reader.
  • Der Slave_Reader bekommt diesen, nimmt die Daten auf (digitalRead() & analogRead()), konvertiert diese und schickt sie dem Master.
  • Der Master konvertiert die Daten und schickt sie an den seriellen Monitor, damit man sie am PC lesen kann.
  • Als nächsten Schritt schickt der Master die unkonvertierten Daten an den Slave_Writer.
  • Dieser erhält die Daten, konvertiert sie und bringt zwei LEDs entsprechend zum leuchten.

Mit dem Wort „Konvertierung“ meine ich Bit-Shifting. Doch was ist das?

Bits & Bytes

Um zu vertstehen, warum wir Bit-Shifting benötigen, muss man wissen, dass der I²C-Bus maximal ein Byte größe Nachrichten versenden kann. Man kann zwar mehrere 1-byte-Nachrichten hintereinander schicken, doch eben nur nacheinander. Ein Byte ist acht Bits lang, und ein Bit repräsentiert den kleinsten möglichen Zustand auf einem Rechner (sei es nun ein Mikrocontroller oder PC).

Als binäre Zahl dargestellt ist ein Bit also entweder eine Null oder eine Eins. Als Variable auf dem Mikrocontroller wird ein Bit als bool-Variable dargestellt (1-0, true-false, HIGH-LOW). Ein Byte ist wie bereits bekannt eine Kette aus 8 Bits, die daraus resultierende höchste Zahl ist 255. Wem das Konzept der binären Zahlen fremd ist: Es folgt ein kurzes Beispiel:

Die Zahl 0 als Byte dargestellt wäre eine einfache 8-stellige Kette aus Nullen: 00000000. Sind alle Stellen mit Einsern belegt, so ergibt sich die Zahl 255, oder eben 11111111. Die Zahlen dazwischen ergeben sich über die Summe aus 1 & 0 mit der folgenden Logik:

2^7=128 2^6=64 2^5=32 2^4=16 2^3=8 2^2=4 2^1=2 2^0=1 Summe
0 0 0 0 0 1 1 1 7
1 0 1 0 1 0 1 0 170
1 1 1 1 0 0 0 0 240

Nun lässt sich auch erkennen, warum es binäre Zahlen heißt; das Produkt resultiert immer aus der Potenz mit Basis 2. Des weiteren ist das Bit rechts immer das mit dem niedrigsten Stellenwert (least-significant-bit lsb) und das Bit links mit dem höchsten (most-significant-bit msb). Auf diese Weise können alle Zahlen dargestellt werden, man benötigt lediglich genug Bits. Daher stammt unter anderem die Namensgebung des 64-Bit-Betriebssystems. Mit solch einem Prozessor können 64 Bits (8 Bytes) gleichzeitig berechnet werden. Als Zahl betrachtet sind das 2^64=18446744073709551616 mögliche Zustände.

Generell bedeutet das „B“ in msb und lsb jedoch Byte und nicht Bit.

Auf dem AVR-Controller, welcher auf dem Arduino verbaut ist, ist eine Integer-Variable 2 Bytes groß. Das muss man wissen, denn auf anderen Maschinen (PCs, etc.) ist ein Integer 4 Bytes groß. Man kann also folgendes festhalten:

byte a = 255;           // Von 0 bis 255, 1 Byte: 2^8=256
int b = 32767;          // Von -32767 bis 32767, 2 Bytes (1 Vorzeichenbit): 2^15=32768
unsigned int c = 65535; // Von 0 bis 65535, 2 Bytes: 2^16=65536
/*  
   Das erste (linke) Bit ist im Regelfall immer das
   Vorzeichen-Bit. Durch das Keyword 'unsigned' kann 
   dieses als Datenbit genutzt werden.
*/

Jetzt sieht man auch die Problematik: Mit dem I²C-Bus kann man wie bereits erwähnt nur 1-Byte lange Nachrichten senden. Einen Integer zu senden funktioniert nicht so einfach, wie man es gerne hätte, denn er ist einfach zu lang. Das führt uns zum eigentlichen Thema:

Bit-Shifting

Der Grundgedanke um das Problem zu lösen ist: Teile den 2-Byte großen Integer am Slave in zwei 1 Byte große Pakete auf, schicke diese nacheinader und setze sie am Master wieder zusammen. Klingt einfach, ist es auch.

Hierfür stellt uns der C++ Standard auch die nötigen Werkzeuge zur Verfügung. Wir brauchen die folgenden Operatoren:

<< Nach links shiften
>> Nach rechts shiften
& Bitweises UND
| Bitweises ODER

Zum besseren Verständnis folgt eine kurze Erklärung der Funktion der Operatoren.

Nach links shiften
110010011 << 2 = 001001100
110010011 << 4 = 100110000
110010011 << 6 = 011000000
/* 
   Die Bits werden um die nach dem '<<'-Operator angegeben Zahl
   nach links verschoben. Am rechten Ende werden Nullen angehängt.
*/
Nach rechts shiften
110010011 >> 2 = 001100100
110010011 >> 4 = 000011001
110010011 >> 6 = 000000110
/* 
   Die Bits werden um die nach dem '>>'-Operator angegeben Zahl
   nach rechts verschoben. Am linken Ende werden Nullen angehängt.
*/
Bitweises UND
1100 & 1010 = 1000
1111 & 0000 = 0000
1111 & 1010 = 1010
/* 
   Das bitweise UND gibt nur dann eine Eins, wenn zwei Einsen addiert werden.
   In jedem anderen Fall ist das Ergebnis Null.
*/
Bitweises ODER
1100 | 1010 = 1110
1111 | 0000 = 1111
1111 | 1010 = 1111
/* 
   Das bitweise ODER gibt nur dann eine Null, wenn beide Bits Null sind.
   In jedem anderen Fall ist das Ergebnis eine Eins.
*/

Mit diesem Wissen erklärt sich auch, was im Programm des Slave_Reader passiert. Dort findet man die folgenden Zeilen:

byte msb = (integerValue >> 8) & 0xFF;
byte lsb = (integerValue) & 0xFF;

Das most-significant-byte ist das linke der beiden. Ich rücke also den Integer bitweise um 8 Stellen nach rechts, wodurch die nun linken 8 Bits Nullen sind. Weil man nun trotz allem noch 16 Bits hat UNDe ich bitweise mit 0xFF (binär: 11111111). Auf diese Weise fallen die ersten 8 Bits weg. Im nächsten Schritt widme ich mich dem least-significant-byte – dem rechten Byte. Hier reicht es, einfach die linken 8 Bits zu löschen. Dies erledigt man wieder mit dem bitweisen UND von 0xFF.

Dem ’schöneren‘ Aussehen des Programms wegen schreibe ich die zu sendenden Bytes in ein Byte-Array. Man muss darauf achten, dass dieses Array am Master als auch am Slave die gleichen Daten an den gleichen Indizes hat. Also Integer_A an Stelle 0 & 1, Integer_B an Stelle 2 & 3, usw. Beim tatsächlichen Senden der Daten mit Wire.write(); steht die Zahl für die Größe des Arrays.

byte buffer[3] = {0};
buffer[0] = digitalValue; // Boolsche Variable, benötigt nur 1 Bit Platz
buffer[1] = (analogValue >> 8) & 0xFF; // analogValue ist ein Integer
buffer[2] = (analogValue) & 0xFF;
Wire.write(buffer, 3);

Betrachtet man nun den Code vom Master, so findet man die Zeile

Wire.requestFrom(slaveReader, 3);

, welche die Funktion requestHandler() am Slave_Reader triggert. Die Zahl 3 steht wieder für die Größe des Pakets in Bytes. Der Master fordert also den Slave auf, ihm Daten zu senden. Hat der Slave das getan, so werden die Daten mit den folgenden Zeilen gelesen.

while(Wire.available())
    for (int i = 0; i < 3; i++)
        buffer[i] = Wire.read();

Nun muss man lediglich die zwei Bytes des Integers wieder zusammenfügen. Dies erledigt man kurz und bündig in einer Zeile:

analogValue = (buffer[1] << 8) | buffer[2];

Was passiert hier? Das most-significant-byte befindet sich im Array an der Stelle 1, das lsb an Stelle 2. Deshalb schiebe ich das msb um 8 Stellen nach rechts, erschaffe dadurch eine 16-Bit Binärzahl in der sich an den rechten 8 Stellen lauter Nullen befinden. Diese überschreibe ich mit dem bitweisen ODER mit dem lsb. É voilà, der Integer ist wieder ganz.

Nachdem der Integer am seriellen Monitor ausgegeben wurde gehen wir noch etwas weiter und senden das Array an den Slave_Writer. Durch die drei Zeilen


Wire.beginTransmission(slaveWriter);
Wire.write(buffer, 3);
Wire.endTransmission();
    

im Programm des Masters wird die Verbindung zum Slave hergestellt, es wird das Paket gesendet, und die Verbindung wird getrennt. Die Funktion receiveHandler() im Sourcecode des Slave_Writers wird daduch getriggert und beginnt die Daten zu lesen. Über das gleiche Bit-Shift-Verfahren wie im Master wird der Integer wieder hergestellt. Letztendlich werden die beiden LEDs entsprechend angesteuert.

Die Variable slaveWriter beinhaltet lediglich die hexadezimale Zahl 0x02, welche in Dezimalschreibweise für 2 steht. Kurz: Der Slave_Reader hat die Adresse 0x01 = 1, der Slave_Writer die Adresse 0x02 = 2. Die Adressen können frei gewählt werden.

Letzte Worte

Geräte, welche an dem I²C Bus angeschlossen sind müssen immer mit Spannung versorgt sein. Ein deaktiviertes Gerät sollte deshalb auch nicht am Bus angeschlossen sein. Der Grund ist, dass das Gerät dann Spannung aus den beiden Busleitungen bezieht. Das Resultat ist ein blockierter Bus oder ein defektes Gerät.

Ich habe versucht, alles relevante zu beschreiben, was man wissen muss, um Daten mit dem I²C Bus zu senden. Falls dennoch Fragen offen sind: Ein Kommentar oder die Doku.

GPS w/ uBlox neo6mv2

English version.

Zu wissen, wie man GPS Rohdaten von einem entsprechenden Modul ausliest, und diese dann auch verarbeiten kann, kann in vielen Situationen von Vorteil sein. Verwendung findet ein GPS Modul in Multicoptern, Tracker oder um Daten an bestimmten Orten zu sammeln, um nur ein paar Beispiele zu nennen. Interessant wird es, wenn man GPS Daten im Zusammenhang mit anderen Sensordaten verwertet. Etwa die Beschleunigungswerte, gemessen durch eine entsprechende Sensorik, eines Kraftfahrzeuges.

setup

Die Funktionsweise

GPS ist ein Akronym für Global Positioning System. Um Weltweit die Position eines Gerätes bestimmen zu können, benötigt man nicht nur eben dieses Gerät, sondern auch Satelliten.

Entwickelt wurde das GPS vom US-Militär, bevor es seit den 1990er Jahren auch für zivile Zwecke eingesetzt wird. Der Vorteil dieser Positionsbestimmung ist, dass GPS Signal nur empfangen werden können, jedoch nicht gesendet werden. So kann man navigieren, ohne dass es Gegenspieler mitbekommen.

Die Satelliten, welche sich mit einer Relativgeschwindigkeit von etwa 3.9km/s zur Erde bewegen senden ein codiertes Radiosignal aus, welches ihre Umlaufbahnparameter und die Sendezeit beinhält. Dieses wird vom Empfänger verarbeitet, woraus dann die Position auf der Erde errechnet wird. Für eine genaue Bestimmung der Position benötigt man mindestens drei Satelliten (3 Punkte im Raum bestimmen die Position theoretisch exakt). Da die Empfängergeräte jedoch keine hochgenaue Uhr verbaut haben, wird mindestens ein weiterer Satellit benötigt, um die Uhrzeit genau bestimmen zu können.

Weitere Daten, etwa Richtungsangaben (Kompass) oder die Geschwindigkeit können über den Dopplereffekt bestimmt werden. Dabei ist die Signalverzerrung die ausschlaggebende Größe, welche ein Maß für die Daten ist.

Für mehr Informationen zum GPS: Wikipedia.

uBlox Neo6m v2

Die Überschrift lässt erahnen, welches Modul ich nutze. Es ist im Vergleich zu anderen GPS Receivern eines der günstigsten, lässt dennoch in den unterschiedlichen GPS-Modes eine Genauigkeit von bis zu 2.5 Meter laut Hersteller zu. Die GPS-Daten habe ich mit einem professionellem GPS-Gerät bei schönem Wetter auf einer Wiese abgeglichen, und bin zu dem Ergebnis gekommen, dass der eine Meter nicht unbedingt eingehaten wird. Maximal ergab sich eine Abweichung von etwa 6 Metern. Für den Preis von unter 10€ eine beträchtliche Leistung.

module

Die eigentliche Bezeichnung des Moduls lautet GY-GPS6MV2, NEO-6M bezieht sich lediglich auf den Chip, und nicht auf die gesamte Platine. Der NEO-6M Chip arbeitet mit einer maximalen Spannung von 3.6V, da sich auf der Platine aber ein Spannungswandler befindet, darf man den VCC-Pin mit 5V versorgen. Wichtig ist, dass die Signal-Pins (UART) auf keinen Fall mit mehr als 3.6V in Berührung kommen dürfen, denn es befindet sich kein Levelshifterauf dem Board.

Um das Modul dennoch mit einem 5V-Arduino nutzen zu können bedarf es entweder einem Levelshifter-Modul oder man stellt diesen durch einen einfachen Widerstands-Spannungsteiler her. Wie man das macht folgt etwas weiter unten. Laut Datenblatt sollte das GPS-Modul auch funktionieren, wenn man an VCC nur 3.3V (3.6V) anlegt, doch in diesem Fall habe ich nie verwertbare Daten vom Modul erhalten.

Der Aufbau

Wie bereits erwähnt, benötigt man für den Aufbau neben dem Controller und dem GPS Modul einen 2.2kΩ Widerstand und einen 1.0kΩ Widerstand.

shematic

Die Verkabelung erfolgt nach folgender Tabelle:

Arduino GPS LCD
+5V Vcc Vcc
GND GND GND
A4 SDA
A5 SCL
3 RX (mit Levelshifter)
4 TX

Der Grund, warum der TX-Pin (Transmit) keinen Widerstand benötigt ist, weil dieser das Signal an das Arduino sendet. Gegensätzlich dazu gibt das Arduino +5V an Pin 3 aus. Diese Spannung würde dem GPS nicht sonderlich gut tun, deshalb muss sie auf das logische Level des Moduls herabgesetzt werden.

Liquid Crystal Display via I2C

Bei dem Display handelt es sich um das sehr weit verbreitete HD44780 Liquid Crystal Display. Ihm wird lediglich ein Rucksack-Modul verpasst, welches die I2C-Befehle in HD44780er-Befehle umwandelt. Optional kann man das Display auch weglassen, das Programm muss man dafür nicht verändern. Wer will, kann die überflüssigen Zeilen aber auch löschen.

Display

Das Display-Modul nutzt wie bereits erwähnt den I2C-Bus. Er wird genau wie der letzte von mir vorgestellte Display angeschlossen:

  • SDA: A4
  • SCL: A5
  • Vcc: +5V
  • GND: Ground

Backpack

Der Code

Das Programm befindet sich auf GitHub.

Im Verzeichnis gps_basic findet man das Programm, welches die Grundidee beinhaltet. Das zweite, gps_tracker, behandle ich etwas später. Um die Vorgänge im Programm zu verstehen, muss man zuerst den Aufbau des Protokolls kennen, das vom GPS an das Arduino seriell gesendet wird. Im Ordner lib findet man die von mir verwendeten und funktionierenden Programmbibliotheken.

Zur Bestimmung der Position nutze ich die Daten des $GPGLL-Protokolls, und um zu erfahren, mit wie vielen Satelliten das GPS im Moment verbunden ist lese ich die Daten des $GPGSA-Protokolls.

$GPGLL

Dieses Protokoll sendet die geografische Position (Längen- und Breitengrade) und die Zeit. Der Aufbau sieht mit Beispielswerten wie folgt aus:

$GPGLL,4704.46496,N,01241.63682,E,110152.00,A,D*29

Man erkennt, dass die Daten mit einem Komma getrennt sind, was der Idee des csv-Formatsentspricht. Die Rohdaten ergeben nach der Verarbeitung folgende Nutzdaten:

  • 4704.46496,N: 47° 04.46496′ Nord
  • 01241.63682,E: 12° 24.63682′ Ost
  • 110152.00: Uhrzeit nach UTC+00
  • A: Daten validiert.
  • D*29: Checksumme

Die Koordinaten werden im Format Grad & Dezimalminuten ausgegeben. Wem geografische Kooridnaten nichts oder nur wenig sagen: Wikipedia. Grundsätzlich gilt aber, dass die Erde in Kugelkooridinaten mit Längengrade (Longitude) und Breitengrade (Latitude) unterteilt wird. Die geografische Länge hat eine Spannweite von -180° (Westen) bis + 180° (Osten), ausgehend von Greenwich in Großbritanien. Die geografische Breite reicht von -90° (Süden) bis +90° (Norden). Die Hauptachse ist in diesem Fall der Äquator.

$GPGSA

Dieses Protokoll enthält Daten über den GPS-Mode, die Anzahl der aktiv verbundenen Satelliten und über die Verringerung der Genauigkeit (Dilution of Precision [DOP]).

$GPGSA,A,3,ID,ID,ID,ID,ID,ID,ID,ID,ID,ID,ID,1.7,1.1,1.3*55

  • A,3: Automatische Wahl, 3D
  • ID: ID des Satelliten (11 Satelliten maximal)
  • 1.7: PDOP
  • 1.1: HDOP
  • 1.3: VDOP
  • *55: Checksumme

Eine Liste aller GPS-NMEA Sätze gibt es hier.

Data Parser

Will man die Daten vom GPS einfach nur über das Arduino zum seriellen Monitor durchschleusen, so genügt es am Beginn des Programms die Kommentar-Slashes der Zeile 13 zu entfernen.

#define DATA_PARSER

Da dieser Task aber sehr langweilig ist, gehen wir gleich weiter zum eigentlichen Code.

Serielle Daten aufnehmen

In der loop() wird gewartet, bis serielle Daten vom GPS (gps ist hier eine Instanz von SoftwareSerial) verfügbar sind. Sobald das Dollarzeichen auftaucht werden die Daten in einen Buffer geschrieben. Taucht das Sternsymbol auf, welches Teil der Checksumme ist, wird das Lesen beendet und die Daten werden zur Weiterverabeitung – processRawData() – frei gegeben.

while (gps.available())
{
	GPSRX = gps.read();

	if (GPSRX == '$')
	{
		RXbuffer = F("$");
		enableRead = true;
	}
	else if (GPSRX == '*')
	{
		processRawData(RXbuffer);
		enableRead = false;
	}
	else if (enableRead)
	{
		RXbuffer += GPSRX;
	}
}
Datenverarbeitung

In der Funktion processRawData() wird zuerst geprüft, ob die Daten des $GPGLL-Protokolls validiert sind. Ist dies der Fall, so wird der Inhalt über splitString() aufgeteilt. Da die Grade jedoch in einem Strang mit den Minuten kommen muss man eine kleine Division einfügen. Hier nutze ich die Eigenschaften von Integer- und Floatvariablen (Gleitkommazahlen löschen).

buffer = (splitString(splitString(data, ',', 1), '.', 0)).toInt();
latitude.degrees = buffer / 100;
latitude.minutes = (buffer - latitude.degrees * 100) + splitString(splitString(data, ',', 1), '.', 1).toFloat() / 100000;

Die selbe Vorgehensweise habe ich auch bei den Breitengraden, der Zeit und dem anderen Protokoll, allerdings mit den angepassten Positionen im Protokoll.

Das war bereits alles, was es zu verarbeiten gibt. So einfach kann man GPS-Daten für sich nutzen.

User Interface

Die Aktualisierungsgeschwindigkeit der Daten sowohl am Display als auch am seriellen Monitor wird vom GPS vorgegeben. Das Modul hat eine maximale Aktualisierungsrate von 1Hz, und diese Zeit nutze ich auch.

In der setUI()-Funktion werden die Daten auf ein einheitliches Format gebracht, sodass sie immer gleich am Display und im seriellen Monitor dargestellt werden. Zusätzlich hat man am Beginn des Programms die Wahl, ob man die Daten seriell im csv-Format ausgeben will. Dazu genügt es die Definitionen entsprechend auszukommentieren.

//#define CSV
//#define CSV_MS_EXCEL
#define NO_CSV

Der Unterschied zwischen ’normalen‘ csv und MS Excel csv ist, dass Excel die Daten mit Strichpunkten anstatt einem Beistrich trennt, und der Dezimalpunkt kein Punkt, sondern ein Komma ist. Das folgende Bild zeigt die drei möglichen Ausgaben.

ui_modes

Die Anzahl der Satelliten und die Warnung der nicht-validierten Daten wird nur im NO_CSV Modus ausgegeben.

GPS Tracker

Da jetzt klar ist was dahinter steckt, kann man einen Schritt weiter gehen und sich mit Hilfe eines SD-Kartenmoduls einen GPS-Tracker erstellen. Den Display habe ich komplett weggelassen, da es mir in erster Linie darum geht, Geodaten während dem Gehen zu sammeln. Der Display würde hier nur unnötig Energie verbrauchen.

gps_tracker

Als SD-Kartenleser kommt das Modul von Catalex zum Einsatz, welches ich bereits hierbeschrieben habe, allerdings nutze ich es in diesem Tutorial mit dem ’normalen‘ SPI, und nicht mit SoftSPI. Der Grund ist, dass ich kein weiteres SPI-Gerät nutze, das durch das SD-Modul gestört werden könnte. Für mehr Infos dazu: Einfach den zugehörigen Beitrag lesen.

sd_module

Der elektrische Aufbau

Im Grunde sieht der Aufbau aus wie oben, lediglich mit LCD– und Card Reader++. Die Verbindung der Pins folgt der Tabelle:

Arduino GPS Card Reader
+5V Vcc Vcc
GND GND GND
3 RX (mit Levelshifter)
4 TX
10 CS
11 MOSI
12 MISO
13 SCK

shematic_tracker

Der Code

Das Programm liegt im Verzeichnis gps_tracker auf GitHub. Die Grundbausteine sind gleich geblieben, ich habe es lediglich um die Funktionen der SD Karte erweitert. Das arduino schreibt nun immer wenn das GPS Daten schreibt diese auf die Karte und zeigt sie auch, optional, am seriellen Monitor an.

File csvFile = SD.open(F("log.csv"), FILE_WRITE);
csvFile.println(csvData);
csvFile.close();

Sind die Daten fehlerhaft oder ist keine Satellitenverbindung vorhanden, so werden keine Daten geschrieben. Dies ist etwas nachteilig, da man nicht weis, ob das Programm auch ordnungsgemäß ausgeführt wird. Man könnte auch hier eine LED verbauen, die anzeigt, ob die Daten validiert wurden, oder ob eine Verbindung zu den Satelliten besteht. Aber mein Tutorial soll ja auch nur als Denkanstoß dienen. Ich würde mich freuen, wenn coole Lösungen für diverse Probleme auftauchen.

Nur noch eine kleine Anmerkung: Wenn man zusätzlich Sensordaten senden will, dann erkennt man schnell die Vorteile des csv-Dateiformats. Man hängt diese einfach hinten an.

Falls sonst noch Fragen aufgetaucht sind, der Code ist gut auskommentiert und ein Kommentar ist immer erwünscht.

 

Servo Motor

English version.

Ich habe bereits gezeigt, wie ein Schrittmotor am Arduino genutzt wird. Nun will ich zeigen, wie man einen Servomotor steuern kann, und was dahinter steckt.

MG995

Ich nutze meistens den MG995 Servomotor, da er im Vergleich zu anderen Servomotoren mit einem Drehmoment von ~1,47Nm bei 6V viel bietet. Die Betriebsspannung liegt im Bereich zwischen 4,8-7,2 Volt, ich bewege mich eher im Bereich um 6V, das rührt aber eher von der Verwendeung von Batterien. Er hat zudem ein Getriebe aus Stahl und ist zweifach Kugelgelagert (Festlager abtriebsseitig). Der Motor ist zwar teuerer, dafür ist er als Stoßfest deklariert und seine Lebensdauer ist weit höher, als bei Motoren mit Kunststoffgetrieben. Er hat einen Rotationsbereich von 180° (+- 90° vom Nullpunkt), und eine maximale Stellgeschwindigkeit von 0.24 s/90° bei 6V (ohne Last).

mg995.jpg

Der MG955 darf nicht über das Arduino (oder einen anderen Controller) mit Spannung versorgt werden, da er mehr Strom benötigt, als der Spannungswandler oder ein Output-Pin des Arduinos zur Verfügung stellen kann – der Wandler würde überhitzen. Deshalb nutze ich, wie zuvor kurz erwähnt, Batterien, Akkus oder ein Netzteil. Der Controller dient nur als Steuerung für den Motor.

Die Funktionsweise

Der Servoantrieb besteht aus einem Motor (Servomotor) und einer Regelelektronik. Der Motor kann dabei als Gleichstrommotor, Synchron- oder Asynchronmotor ausgeführt sein. Die Regelung dahinter ist in vielen Anwendungen eine Positionsregelung für den Winkel, sie kann aber auch als Geschwindigkeits- oder Momentenregelung ausgeführt sein, oder eine Kombination aus den genannten.

Wer sich den Inhalt zum Schrittmotor durchgelesen hat, und dann den Schrittmotor mit einen Drehgeber und einer Regelung ausstatten würde, der hätte sich so selbst einen Servomotor gebaut. Oft werden aber Servomotoren mit Servos, wie auch der MG995 einer ist, gleichgesetzt. Der Unterschied ist, dass ein ‚Servo‘ lediglich eine Form eines Servomotors ist.

Die Regelung des Servos (ich beziehe mich jetzt auf den MG995 und ähnliche Modelle) erfolgt über den Vergleich zwischen Soll-Wert, also jenem Wert, welcher vom Mikrocontroller vorgegeben wird, und dem Ist-Wert. Der Ist-Wert wird über ein integriertes Potentiometer ermittelt, welches ebenso nur eine Form von Drehgeber ist. Die Elektronik im Servo erledigt den Rest und stellt die Abtriebswelle über das Getriebe auf die gewünschte Position.

pulse

Die obige Grafik zeigt die, wie der Ist-Wert am MG995, oder auch auf anderen gängigen Servos, eingestellt wird. Es ist ersichtlich, dass der Wert über ein 50Hz-Signal eingestellt wird. Für die tatsächliche Positionierung des Winkels wird die Dauer der logisch High und der logsich Low Phase gemessen. Die Grafik macht deutlich, dass 1ms High in der Periodendauer von 20ms einen Winkel von bedeutet. 2ms High korreliert mit 180°.

Kurzer Einfwurf: Ich bin mir nicht sicher, ob das Datenblatt des MG995 einen Fehler hat, oder ob ich doch einen anderen Servo vor mir liegen habe, denn laut Datenblatt sollte dieser nur 120° weit drehen, doch er dreht volle 180°.

Der elektrische Aufbau

Viel bedarf es nicht, lediglich der folgenden paar Bauteile.

Stk. Komponente Ausführung Beschreibung
1 Servo MG995 Antrieb
1 Arduino UNO/Nano Controller
1 Batterie oder Netzteil 6V Versorgung
n Drahtbrücken

Das sind jene Komponenten, um den Servo mit allem zu versorgen, was er benötigt. Das Arduino muss selbst noch mit Spannung versorgt werden. Dies kann entweder über USB oder über den Power-Plug erfolgen.

components

Das Signal, also der Puls, kommt von einem der PWM-Anschlüsse des Boards, dieser kann frei gewählt werden. Neue Servos werden via PPM angesteuert. Wo genau der Unterschied liegt, erkläre etwas weiter unten.

basic_shematic

Sowohl der Ground vom Controller, als auch vom Servo und der Batterien müssen miteinander verbunden sein, da ansonsten die Signalleitung kein gemeinsames Potential hat – der Schaltkreis wäre nicht geschlossen.

Pulsweitenmodulation PWM

Der Grundgedanke war, ein analoges Signal aus einer digitalen Quelle zu bekommen – mit Digital-Analog Umsetzern. Je „schmäler“ der Puls, desto weniger Energie wird über eine Periodendauer frei, die Spannung am Ausgang ist niedrig, und vice versa. Der Grund ist, dass der Controller keine bestimmten Analogwerte am Ausgang liefern kann, sondern nur seine Operationsspannung (hier +5V).

pwm

Beim Servomotor wird allerdings kein analoges Signal genutzt. Die Pulsweite repräsentiert den Winkel am Motor (Beispiel von oben: 1.5ms = 90°). Man sieht, dass die Pulsweitenmodulation also auch Anwendung in der Steuerungstechnik findet. Ein weiteres Beispiel für eine steuerungstechnische Anwendung ist eine LED am PWM Ausgang. Diese wird schnell ein- und ausgeschalten, sodass das Auge dies als konstante Helligkeit wahrnimmt. Je schneller das passiert, desto geringer ist die reusltierende Helligkeit – so kann man das Licht einfach dimmen.

Pulsphasenmodulation PPM

PPM ist eine Erweiterung des PWM-Signals. Dabei werden hintereinander mehrere Pulse in der gleichen 20ms-Periode gesendet. Jeder Puls ist für einen anderen Servo zuständig. Der Vorteil ist klar: Mehrere Motoren können mit nur einer Signalleitung angesteuert werden, ohne dabei Zeit zu verlieren, denn die 20ms-Periode ist ohnehin auch beim „einfachen“ PWM für diese Motoren vorgegeben.

ppm

Der Code

Diesmal gibt es kein GitHub-Repu hierzu, da das Programm sehr kurz ist. Im Grunde zeige ich hier nur die Zusammenfassung des oben beschriebenen Inhalts. Ich zeige auch kein vollständiges Programm, da die Programmbibliothek von Arduino meines Erachtens nach sehr gut ist. Hier findet sich lediglich ein Einblick in den Grundgedanken hinter den Servos.

#define MinAngle 0
#define MaxAngle 180

#define POT 20000
#define MinPWM 1000
#define MaxPWM 2000

#define Multiplier (MaxPWM - MinPWM) / MaxAngle

void setup()
{
    ...
}

void loop()
{
    ...
}
 
void setServo (int Angle)
{
    int PWM = (Angle * Multiplier) + MinPWM;
    PORTD |= _BV(PORTD3);
    delayMicroseconds(PWM);
    PORTD &= ~_BV(PORTD3);
    delayMicroseconds(POT - PWM);
}

Die Definitionen zu Beginn spiegeln lediglich die Eigenschaften des Servos wieder. Der maximale Winkel, den der Servo befahren kann ist zugleich der längste Puls. MaxAngle in Grad entpricht also MaxPWM in Mikrosekunden, ebenso die Min-Werte. Die Periodendauer (Period Of Time [POT]) erhält man ebenso aus dem Datenblatt, bei den meisten Servos ist diese aber 20ms, oder 20000µs.

Der Multiplier ist jener Wert, welcher den gegebenen Winkel zufolge der gegebenen Werte so umrechnet, dass – bei diesem Servotyp – ein Winkel von einem PWM-Signal von 1000ms, und ein Winkel von 180° einem PWM-Signal von 2000ms entspricht. Da die Umrechung keiner Ganzzahldivision entspricht, ist diese mit einem Fehler behaftet.

In der setServo()-Funktion wird zuerst die Dauer des PWM-Signals ermittelt, danach wird für diese Dauer der Ausgang (Pin 3) des Controllers auf HIGH gesetzt. Danach wird die restliche Periodendauer das Signal auf LOW gehalten. Den Zugriff auf den Pin erledige ich nicht mit digitalWrite(Pin, State);, sondern mit dem C-Befehl. Mehr dazu findet man hier.

Durch das Ausführen des restlichen Codes ergibt sich eine Zeitspanne, in welcher die resultierende Periodendauer abweicht. In diesem kurzen Script spielt dies keine tragende Rolle. Sollte das Programm aber länger werden, oder gar Zeitverögernde Funktionen beinhalten, so würde die Periodendauer für die Steuerung des Servos stark abweichen. Abhilfe würde ein Timer schaffen, welcher alle 20ms das PWM-Signal über einen Interrupt triggert.

Diese Grundlogik, und weitere controllerspezifische Absicherungen sind übrigens in der Servo-Library von Arduino enthalten.

Noch eine Anmerkung zum Einschalten des Servos: Wer will, der kann die letzte Position des Servos im EEPROM des Arduinos speichern, sodass er beim Einschalten die Position hält. Das stromlos Schalten des Servos ist im Allgemeinen nicht notwendig, da die Regelung im positionierten Zustand nur wenige Milliampere benötigt.

Das war’s auch schon, ich hoffe, die Idee hinter Servos ist nun klar!

ESP8266 Web Socket

English version.

Wer diesen Eintrag zum Setup des ESP8266 WiFi-Moduls gelesen hat und nun mehr mit dem Controller machen will, der ist hier genau richtig. Was genau kann man von diesem Tutorial erwarten? Ich zeige wie man das ESP so programmiert, dass man damit eine LED-Lichtleiste mit Hilfe eines Transistors über ein Smartphone ein- und ausschalten kann. Obendrein gibt’s natürlich wieder alle Erklärungen und Anleitungen bezüglich der verwendeten Hardware.

Da ich in diesem Beitrag unter anderem ein kurzes Video habe, und WordPress die Datei aus Gründen nicht wiedergeben will, gibt es diesen Beitrag nur auf meiner Website. Ein Premiere, wenn man so will.

Und los geht’s! 

ESP8266 Setup

English version.

Das ESP8266-WiFi-Modul ist klein, günstig und funktioniert problemlos – vorausgesetzt man bekommt es erst einmal zum laufen. Wie man das macht, welche troubleshooting-Möglichkeiten es gibt und was man damit anstellen kann zeige ich hier. Am meisten geholfen hat mir das ‚community wiki‚ des Controllers. Ich programmiere es mit der Arduino IDE 1.6.9, da es leider keinen Support für Sublime Text 3 & Stino gibt. Jede neuere Version der IDE sollte ebenso problemlos funktionieren.

esp8266

Am Ende dieses Tutorials soll das ESP die angeschlossene LED blinken lassen. Das mag sich nicht nach viel anhören, soll aber die Basis für alle weiteren meiner ESP-Tutorials werden. Zu allem später mehr, jetzt folgen erst einmal die …

Spezifikationen

Das Modul hat eine integrierte WLAN-Schnittstelle (802.11 b/g/n [2.4GHz]) und unterstützt neben den Funktionen als Endgerät, Accesspoint auch Peer-To-Peer Kommunikation. TCP/IP ist integriert. Der wichtigste Punkt zu Beginn ist jedoch: Versorgungsspannung 3.3V, nicht 5V tolerant!

Mehr …

Preislich liegt das Modul zwischen 2€ und 5€, abhängig von der Ausführung. Die hier von mir vorgestellte Version (esp-01) ist eine der günstigsten, hat im Gegensatz zu den teureren Varianten nur 2 GPIO-Pins.

Es hat keinen FTDI-Chip integriert, das bedeutet, dass man es nicht so bequem an den PC anstecken kann wie ein Arduino, um es zu programmieren. Abhilfe schafft hier ein günstiger FTDI-Adapter.

ftdi232

Dieser sollte unbedingt neben 5V auch 3.3V unterstützen, da man ansonsten zwischen den Signalpins (RX, TX) einen Logic-Level-Shifter benötigt.

ftdi232_supply

Wer einen zu meinem Adapter ähnlichen verwendet, der muss einfach nur den Jumper zwischen den mittleren und den 3.3V-Pin stecken. Schon ist die Signalpegel-Logik auf 3V3 gestellt.

Den FTDI Adapter sollte man allerdings nicht als Versorgung nutzen, da das ESP oftmals mehr Strom benötigt als der Adapter zur Vrfügung stellen kann.

Der elektrische Aufbau

Für das Tutorial benötigt man neben dem ESP8266-01 noch ein paar weitere Komponenten, um es einerseits programmieren zu können, es andererseits auch nutzen zu können.

Stk. Komponente Ausführung Beschreibung
1 ESP8266 esp-01
1 FTDI-Adapter FTDI232 5V & 3V3
1 Versorgung 3.3V 2AA Batterien oder Netzteil
2 Widerstände 10kΩ
1 Pushbutton Programmer-Mode
1 LED
1 Schalter Optional
n Drahtbrücken

Das nachfolgende Bild zeigt die Pinbelegung des ESP Moduls.pinout

Die Verdrahtung erfolgt nach dem unten gezeigtem Schaltplan. Auch auf die Gefahr hin, dass ich mich wiederhohle möchte ich nochmals darauf hinweisen, das FTDI-Modul so zu nutzen, dass es mit 3.3V arbeitet.

shematic

Wer sich den Schaltplan genau ansieht erkennt, dass die LED nicht wie gewohnt angeschlossen wird, sondern verkehrt. Also die Anode (+) der LED auf Vcc, und die Kathode (-) auf den GPIO_2 Pin. Der Grund hierfür ist, dass beide GPIO Pins (GPIO_0 & GPIO_2) des ESP8266 Moduls beim Booten logisch HIGH (oder in einem Zwischenzustand) sein müssen. Würde man die LED wie gewohnt anschließen, also Anode auf GPIO_2 und Kathode auf GND, so würde das ESP denken, dass man ein Programm via UART darauf laden möchte. Jedoch muss man dann später im Programm darauf achten, die Logik des Ausgangs zu invertieren. Mit digitalWrite(Pin, HIGH); wird die LED ausgeschalten und vice versa.

Zum Schluss sollte der ganze Setup in etwa so aussehen. Anstatt der beiden Batterien kann man natürlich auch eine andere Versorgung nehmen, etwa ein Netzteil mit 3V Output.

setup

Die Arduinno IDE vorbereiten

Damit man mit der Arduino IDE das ESP-Modul programmieren kann muss man dieser das Board erst einmal hinzufügen und konfigurieren. Dazu öffnet man zunächst die IDE und führt die folgenden Schritte aus:

  • Prefrences öffnen (File -> Preferences)
  • Auf das Icon neben ganz rechts neben den Additional Boards Manager URLs klicken.
  • Am Ende, falls bereits Einträge existieren, folgenden Link hinein kopieren:
http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json
  • Alle Fenster mit Ok schließen.
  • Den Board Manager öffnen (Tools -> Board „…“ -> Boards Manager)
  • Den Eintrag esp8266 by ESP8266 Community installieren.

Eine bebilderte Anleitung gibt es hier, allerdings von einem anderen Projekt.

Nun ist das WiFi Modul in der Arduino IDE registriert und kann verwendet werden. Dazu muss man es lediglch von den Boards (Tools -> Boards) auswählen und wie folgt konfigurieren:

  • Board: „Generic ESP8266 Module“
  • Flash Mode: „DIO“
  • Flash Size: „512K (64K SPIFFS)“
  • Flash Frequency: „40MHz“
  • CPU Frequency: „80MHz“
  • Upload Speed: „115200“

esp_ide

Der Port entpricht jenem Port des FTDI-Adapters. Hat man diesen mit dem PC verbunden, kann man seinen Port auswählen.

Das Programm

Wie ich bereits erwähnt habe ist das Programm sehr simpel, da dieser Eintrag nur als Basis für weitere Projekte mit dem WLAN-Modul dienen soll. Man kann es einfach in die Arduino IDE kopieren und dann auf das ESP hochladen.

Aber halt: Wie lädt man das Programm auf den Controller? Nun kommt endlich der Button zum tragen. Wird dieser gedrückt, so wird das ESP in den Programer-Modus versetzt und erlaubt es, von der Arduino IDE programmiert zu werden. Dazu muss man wie folgt vorgehen:

  • Die Spannungsversorgung zum ESP trennen, der FTDI Adapter kann mit dem PC verbunden bleiben.
  • Den Button drücken und gedrückt halten.
  • Die Spannungsversorgung wieder herstellen.
  • Der Button kann losgelassen werden.
  • Das Programm hochladen.
  • Nach dem erfolgreichen Upload muss das ESP eventuell neu gestartet werden.

Anmerkung: Es ist auch möglich, das ESP ohne einen Button zu programmieren, dafür ist allerdings ein anderer FTDI-Adater nötig. Durch das Fehlen eben dieses kann ich darauf leider nicht weiter eingehen.

#define LED_PIN 2

void setup()
{
    pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
    digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // Invertierte Logik!
}

void loop()
{
    digitalWrite(LED_PIN, LOW);
    delay(100);
    digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
    delay(100);
}

Nach dem Hochladen (es nimmt etwas Zeit in Anspruch, da die ESP Dateien miteingebunden werden müssen und der Flash komplett überschrieben werden muss) sollte die angeschlossene LED schnell blinken. Tut sie das nicht, so können diese Tipps eventuell hilfreich sein.

Einen Schritt weiter gehen

Das ESP8266-01 hat den gleichen Aufbau wie das nRF24L01+ Funkmodul. Das bedeutet, dass es genauso schlecht auf ein Breadboard passt, wie das genannte Modul. Beim Funkmodul ist das noch nicht so tragisch, man lässt es im Allgemeinen für die Dauer des Projekts am Arduino montiert oder verlötet es zum Schluss auf eine Platine. Beim ESP ist das etwas anders, denn zum Flashen des Programms muss der „Programmer-Aufbau“ verwendet werden, welche unter Umständen nicht für anderes geeignet ist. Deshalb habe ich für das Funkmodul eine kleine Platine aus einer Lochrasterplatine gebaut.

perfboard_setup.jpg

Gut, auf dem Bild kann man nicht viel erkennen, deshalb gibt es im Anschluss das Fritzing-File-Bild. Ich habe 3 Terminal-Blocks (doppelte Ausführung), 3 Stiftleisten (2×4 & 1×6 Pins), 1 Steckerbuchse, den Schalter, den Button und die beiden Widerstände verbaut. Damit, und mit der richtigen Verkabelung kann man die WiFi-Module bequem programmieren und im Anschluss wo anders weiter verwenden.

perfboard

Der Pinout von links (1) nach rechts (6):

Pin Anschluss Anmerkung
1 Vcc 3.3V max.
2 GND
3 3.3V Für Sensoren, etc
4 GND Für Sensoren, etc
5 GPIO 0 SDA
6 GPIO 2 SCL

Zugegeben, auch dieses Bild ist etwas unübersichtlich, doch mit ihm und dem oben gezeigten Schaltplan sollte das Nachbauen kein Problem mehr sein. Ich habe lediglich die LED weggelassen. Zum Testen des hier gezeigten Programms kann man sie aber einfach zwischen die GPIO_2 und GND Pins der Terminal-Blocks stecken.

Troubleshooting

Ich habe einige Zeit gebraucht, bis ich das ESP zum Laufen bekommen habe, da ich Fehler Nummer eins der folgenden Liste begangen habe. Zusätzlich habe ich noch ein paar weitere Ratschläge aufgeschrieben, sodass man das WLAN-Modul tatsächlich zum Funtionieren bringt.

  • Den Taster auf Funktion prüfen. Es ist doch tatsächlich daran gescheitert, dass der Button für den Programer-Modul defekt war, und ich das ESP nie programmieren konnte. Dinge an die man niemals denkt …
  • Eine stabile Spannungsversorgung. Alte Batterien oder eine schwankende Eingangspannung können die Ursache für Fehlverhalten sein. Zu Beginn habe ich die Spannungsversorgung durch herausziehen einer Drahtbrücke unterbrochen. Durch schlechte Kontakte am Steckbrett wurde die Verbindung nicht so hergstellt, wie sie sollte. Nun trenne ich die Spannung nur mehr mit soliden Schaltern.
  • Beide LEDs (rot & blau) am ESP leuchten. Das bedeutet, dass das ESP Daten via UART anfordert und nicht bootet. Der Fehler ist, dass GPIO_2 auf dem Ground-Potential liegt. Umgehen kann man das so.
  • Alle Verbindungen prüfen. Es kann durchaus sein dass man einen Pin falsch angeschlossen hat, oder den Ground nicht mit allen Geräten (ESP8266 & FTDI) geteilt hat.
  • Die Baudrate ist falsch eingestellt. Im Normalfall ist die Baudrate 115200bps oder 9600bps. Das ist wiederum abhängig von der Version, einfach mal beides testen.
  • WLAN Daten prüfen. Wer bereits ein WLAN-fähiges Programm laufen hat, der kann nochmal die WLAN Zugangsdaten prüfen. Beim Passwort habe ich mich schon öfter vertippt.
  • Module neben dem ESP-01: Der GPIO-Pin Nummer 15 muss auf Ground liegen.
  • Fehlerhaftes ESP. Es gibt tatsächlich eine defekte Charge des Moduls, hier ist der Widerstand für die Power-LED zu schwach, was zu einem Durchbrennen dieser führt.

Mit dem ESP arbeiten

Hier werde ich erst einmal einen Schlussstrich ziehen und auf die anderen Tutorials verweisen, welche nach und nach kommen werden.

Easy going

Wem es zu viel Aufwand ist, sich die Lochrasterplatine nachzubauen, oder wer keine Lust auf Kabelsalat hat: ESP8266 NodeMcu ist das Stichwort. Das Board ist Ähnlich dem Aufbau eines Arduino Nanos und es lässt sich auch genauso bequem über einen USB Port programmieren.

Ansonsten bleibt zu sagen: Viel Spaß mit dem ESP8266, ich habe ihn definitiv!