Радиосвязь между Raspberry Pi и Arduino Uno с помощью модулей nRF24L01

В настоящее время технологии беспроводной связи (радиосвязи) получают все большее распространение. К наиболее распространенным сейчас технологиям беспроводной связи можно отнести такие системы как Bluetooth Low Energy (BLE 4.0), Zigbee, Wi-Fi, Lora, 4G и 5G. Для радиосвязи на небольшие расстояния в последнее время получают широкое распространение радиочастотные (RF) модули nRF24L01, которые работают в диапазоне ISM 2,4 ГГц, используемого для безлицензионного применения в науки, промышленности и медицине в большинстве современных стран. Эти модули обеспечивают скорость передачи информации от 250 кБит/с до 2 Мбит/с и с внешней антенной обеспечивают дальность связи до 100 м.

Внешний вид проекта радиосвязи между Raspberry Pi и Arduino Uno с помощью модулей nRF24L01

Ранее модули nRF24L01 мы рассматривали в следующих проектах на основе платы Arduino на нашем сайте:

В данной статье мы рассмотрим подключение модулей nRF24L01 2.4GHz к платам Raspberry Pi и Arduino Uno и установим беспроводную связь между этими платами с помощью модулей nRF24L01. Плата Raspberry Pi будет выступать в роли передатчика, а плата Arduino Uno – в роли приемника. К плате Arduino будет подключен ЖК дисплей 16x2, на его экран будут выводиться принимаемые по радиоканалу сообщения. Модули nRF24L01 также поддерживают функционал технологии Bluetooth Low Energy (BLE).

Необходимые компоненты

  1. Плата Raspberry Pi (купить на AliExpress).
  2. Плата Arduino Uno (купить на AliExpress).
  3. ЖК дисплей 16x2 с модулем I2C для него (купить на AliExpress).
  4. Модуль nRF24L01 – 2 шт. (купить на AliExpress).
  5. Соединительные провода.

Радиочастотный модуль nRF24L01 (RF Module)

nRF24L01 является приемопередающим модулем, что означает что один и тот же модуль может как передавать информацию, так и принимать ее. Но поскольку модули nRF24L01 работают в полудуплексе (half-duplex, то в один момент времени они могут либо передавать информацию, либо принимать ее. Модули работают по интерфейсу SPI, поэтому их без проблем можно подключить к любому современному микроконтроллеру. Особенно легко их подключать к плате Arduino, для которой разработано достаточно много библиотек для работы с данными радиомодулями. Внешний вид и распиновка модуля nRF24L01 показаны на следующем рисунке.

Внешний вид и распиновка модуля nRF24L01

Рабочее напряжение для модулей nRF24L01 составляет от 1.9V до 3.6V (типовое – 3.3V). В режиме покоя они потребляют очень маленький ток (12mA), что делает их крайне энергоэффективными и позволяет использовать их в устройствах, работающих от батареек. Хотя рабочее напряжение для контактов модулей составляет 3.3V, тем нее менее, они достаточно терпимо (или как сейчас модно говорить – толерантно) воспринимают и напряжение 5V, что позволяет их напрямую подключать к плате Arduino.

Другим преимуществом радиомодулей nRF24L01 является наличие у них 6 каналов – это означает что каждый модуль может взаимодействовать с 6 аналогичными модулями. Это свойство позволяет развертывать на основе модулей сети типа “звезда” и mesh сети. Модули также очень удобны для применения в приложениях интернета вещей (IoT) и поддерживают до 125 уникальных адресов, что позволяет в замкнутой области разместить до 125 таких модулей чтобы они не мешали работе друг друга.

Схемы проекта

С платой Arduino

Схема подключения модуля nRF24L01 к плате Arduino представлена на следующем рисунке.

Схема подключения модуля nRF24L01 к плате Arduino

В представленной схеме модуль nRF24L01 подключается к плате Arduino с использованием интерфейса SPI, а ЖК дисплей 16x2 подключается к плате Arduino по интерфейсу I2C.

Внешний вид собранной схемы с платой Arduino показан на следующем рисунке.

Внешний вид собранной схемы с платой Arduino

С платой Raspberry Pi

Схема подключения модуля nRF24L01 к плате Raspberry Pi представлена на следующем рисунке.

Схема подключения модуля nRF24L01 к плате Raspberry Pi

В представленной схеме модуль nRF24L01 подключается к плате Raspberry Pi с использованием интерфейса SPI.

Внешний вид собранной схемы с платой Raspberry Pi показан на следующем рисунке.

Внешний вид собранной схемы с платой Raspberry Pi

Объяснение программы для Raspberry Pi

Полный код программы приведен в конце статьи, здесь же мы кратко рассмотрим его основные фрагменты.

Программировать плату Raspberry Pi в нашем проекте мы будем с использованием языка Python3. Также можно использовать и язык C/C++ как и в плате Arduino, однако в данном случае преимуществом написания программы на языке python является то, что на нем написана специальная библиотека для работы с модулями nRF24l01, которую можно скачать с ее официальной страницы на github. Но здесь необходимо отметить, что наша программа на python и указанная библиотека должны находиться в одном и том же каталоге, иначе программа на python не сможет найти библиотеку. После скачивания библиотеки извлеките ее из архива и создайте отдельный каталог, в котором будут храниться все программы и библиотеки вашего проекта. Когда установка библиотеки будет закончена, можно приступать к написанию программы.

Первым делом в программе необходимо подключить (импортировать) все используемые библиотеки.

Далее установим режим работы контактов (GPIO mode) платы Raspberry Pi "Broadcom SOC channel", что будет означать что мы будем обращаться к контактам платы по их физическим номерам (а не по их номерам на плате).

Далее в программе мы зададим адреса каналов (pipe address) – они будут нужны для взаимодействия с приемной частью проекта на основе платы Arduino. Адреса укажем в шестнадцатеричном коде.

Инициализируем модуль nRF24l01 используя контакты GPIO08 в качестве CE и GPIO25 в качестве CSN.

Установим размер пакета (payload size) 32 бита, адрес канала 76, скорость передачи данных 1 Мбит/с и выходную мощность модуля на минимум.

Откроем каналы и начнем в них запись данных. Также будем выводить на экран основные параметры (details) работы модуля nRF24l01.

Подготовим сообщение в форме строки. Это сообщение мы будем передавать плате Arduino UNO.

Начнем запись информации в радио модуль и будем продолжать запись пока не закончится вся строка для передачи. Одновременно с этим зафиксируем текущее время и выведем на экран сообщение об успешной передаче (в целях отладки).

Если передача сообщения завершена и радио канал закрыт (не доступен) более 2-х секунд, то выведем на экран сообщение о том, что время истекло (timed out).

Закрываем прослушивание (listening) радио канала, закрываем соединение и заново открываем соединение спустя 3 секунды чтобы передать другое сообщение.

Выполнение программы на Python для Raspberry Pi

Для выполнения программы необходимо сделать следующую последовательность шагов.

1. Сохраните программу на Python и библиотеку для работы с радиочастотным модулем в одном и том же каталоге.

Выделение отдельного каталога для хранения всех файлов проекта

2. Мы назвали программу nrfsend.py и поместили в каталог с ней все другие файлы, необходимые для работы проекта.

Внешний вид файлов для нашего проекта

3. Откройте окно терминала Raspberry Pi и войдите в нем в каталог с программой используя команду “cd”.

Смена каталога на необхидимый нам каталог

4. Откройте каталог и напишите в терминале команду “sudo python3 your_program.py”, после чего нажмите enter. После этого вы на экране увидите установленные параметры работы модуля nRF24l01 и увидите как модуль начнет передавать сообщения каждые 3 секунды. На экране каждое передаваемое сообщение будет показываться посимвольно.

Результаты выполнения программы для платы Raspberry Pi

Объяснение программы для Arduino

Полный код программы приведен в конце статьи, здесь же мы кратко рассмотрим его основные фрагменты.

Программа для платы Arduino UNO будет во многом похожа на программу для платы Raspberry Pi, только написана она будет на другом языке программирования. Библиотеку для Arduino для работы с модулями nRF24l01 можно скачать с ее страницы в github.

Первым делом в программе нам необходимо подключить используемые библиотеки. Мы используем ЖК дисплей 16x2 с шилдом I2C, поэтому в программе нам необходимо подключить библиотеку Wire.h. Для работы с модулем nRF24l01 кроме скачанной библиотеки с github необходимо также подключить библиотеку SPI.

Также подключаем библиотеку RF24 для работы с радиочастотными модулями и библиотеку LiquidCrystal_I2C.h для работы с ЖК дисплеем по интерфейсу I2C.

ЖК дисплей имеет адрес I2C равный 27, поэтому создадим объект для работы с ним следующим образом:

Модуль RF24 подключается по стандартному интерфейсу SPI: CE – к контакту 9, CSN – к контакту 10.

Далее инициализируем радиочастотный модуль, установим для него уровень мощности и зададим номер канала с номером 76. Также установим адрес канала такой же как и в плате Raspberry Pi и откроем канал для чтения.

Инициализируем связь по интерфейсу I2C и ЖК дисплей.

Начнем прослушивание радиоканала на предмет поступления входящих сообщений и установим длину сообщения равную 32 байтам.

Если радиочастотный модуль доступен, то начинаем считывание сообщения с него и сохраняем сообщение. Выводим полученное сообщение в окно монитора последовательной связи и на экран ЖК дисплея. Останавливаем прослушивание радиоканала и снова начинаем его прослушивание через некоторое время.

Готовую программу загружаем в плату Arduino UNO и ждем поступления сообщений из радиоканала.

Таким образом, мы рассмотрели проект с использованием Raspberry Pi и nRf24l01 в качестве передающей части и Arduino UNO и nRF24l01 в качестве приемной части. Принимаемое сообщение будет выводиться на экран ЖК дисплея 16x2 и в окно монитора последовательной связи. Обратите особое внимание на адреса каналов (pipe) в программах для Arduino и Raspberry Pi – они критически важны для успешной работы проекта.

Тестирование работы проекта

Более подробно работу проекта вы можете посмотреть на видео, приведенном в конце статьи.

Исходные коды программ

Программа для Raspberry Pi (передающая часть)

Программа для Arduino (приемная часть)

Видео, демонстрирующее работу проекта

(Проголосуй первым!)
Загрузка...
68 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *