Чтение данных датчика погоды BL999 с помощью Arduino

автор: aave

Be the first to comment! Arduino Четверг, 17 Январь 2019

Рассмотрим, как получать и расшифровывать с помощью Arduino метеоданные датчика BL999 от комнатной метеостанции фирмы Ea2.

Нам понадобится:

датчик BL999 от комнатной метеостанции (вроде такой);
плата Arduino Nano или любой другой модификации;
радиоприёмник XY-MK-5V;
соединительные провода (рекомендую вот такой набор);
макетная плата (breadboard);
компьютер с установленной Arduino IDE или другой средой разработки.

1Описание метеодатчика BL999 и его информационного протокола

Датчик BL999 – это недорогой датчик температуры и влажности, который используется в комплекте с домашними метеостанциями. Датчик может работать как в комнате, так и на улице. Периодически он передаёт метеостанции по радиоканалу данные измерений и отчёт о своём состоянии. Подобные погодные датчики сейчас очень распространены. Рассматриваемый сенсор BL999 имеет следующие характеристики:

диапазон измеряемых температур: −40…+50°C;
диапазон измеряемой влажности: 1…99%;
период измерений: 30 сек;
рабочая радиочастота: 433,325 МГц;
число каналов: 3;
рабочее расстояние: до 30 м на открытых пространствах.

К одной метеостанции можно подключить до трёх таких датчиков. Номер (канал) датчика устанавливается переключателем, который расположен под съёмной крышкой батарейного отсека (трёхпозиционная кнопка SW1 на фото ниже). Фактически, канал здесь – это просто признак в структуре пакета данных датчика, никакого физического смысла (например, изменение рабочей частоты) он в себе не несёт.

Чтобы лучше понять протокол датчика, с помощью которого он отправляет данные метеостанции, можно попытаться воспользоваться радиоприёмником и разбираться с тем, что приходит из радиоэфира. Но на популярной частоте 433 МГц работает множество бытовых устройств, и приёмник будет ловить большое количество посторонних шумов. Этот факт не позволит нам спокойно изучить протокол датчика.

Внешний вид и внутренности метеодатчика BL999

Поэтому давайте для начала разберём датчик и подключимся осциллографом прямо к выходу, который генерирует цифровой сигнал непосредственно перед отправкой на передающую антенну. Землю можно найти возле «минуса» батареи в отсеке для батарей, а сигнальный провод подключим к верхнему выводу платы, как на фотографии. Для быстрого теста я подключил миниатюрный осциллограф DS203. На осциллограмме видно, что датчик генерирует какой-то сигнал. Далее этот сигнал поступает на передающую антенну и излучается в пространство.

Места подключения щупа осциллографа к метеодатчику BL999

Чтобы изучить генерируемый датчиком сигнал, нужен хороший осциллограф. Данные отправляются пакетами длительностью примерно 500…600 мс. Вот как выглядит типичный пакет с датчика BL999 на экране осциллографа.

Типичный пакет метеодатчика BL999 на экране осциллографа

Снимок экрана для этого пакета. Здесь красным цветом показан аналоговый сигнал, а голубым – оцифрованный сигнал, без присущих аналоговым сигналам искажений.

Осциллограмма типичного пакета метеодатчика BL999

Вот представлены 4 оцифрованных информационных пакета, сгенерированных датчиком. Эти пакеты пришли друг за другом с разницей в 30 секунд. Именно с такой периодичностью датчик BL999 отсылает свои данные.

Информационные пакеты метеодатчика BL999

Посмотрим на этот сигнал. С первого взгляда бросается в глаза, что:

данные передаются пакетами;
каждый пакет начинается с короткого импульса, за которым следует относительно длительный промежуток времени с нулевым уровнем;
в каждом пакете присутствует 4 группы импульсов, разделённых такими же длительными паузами;
в каждой группе содержатся импульсы, следующие друг за другом через короткие или вдвое более длинные паузы;
всего имеются 3 вида промежутков между импульсами: самые короткие (условно назовём их типа A), вдвое более длинные (B) и вчетверо более длинные (C);
в каждой группе ровно по 37 импульсов;
все 4 группы каждого пакета одинаковые (содержат повторяющиеся последовательности импульсов).

Очевидно, что в данном случае применяется некое временное кодирование (скорее всего, фазо-импульсное или частотно-импульсное), когда значимая информация скрыта в длительности пауз между импульсами. В случае датчика BL999 короткая пауза между соседними импульсами (A) означает логический нуль, а длинная (B) – логическую единицу. Изучим сигнал более детально.

Длительность пауз логических нулей и логических единиц	Длительность между первым импульсом и данными, а также между группами
Длительность всех импульсов одинакова (с допуском на погрешность)	Единичный импульс при большем увеличении масштаба по времени

Как видно, в сигнале присутствует ряд коротких импульсов. Длительность всех импульсов одинакова и равна примерно 486 мкс. Длительность коротких промежутков (логический "0") равна примерно 2,4 мс, длительность средних промежутков (логическая "1") равна примерно 4,5 мс. Продолжительность самых длинных промежутков – около 9,4 мс.

Как уже было упомянуто, в пакете присутствуют 4 группы по 37 импульсов. Этими импульсами закодированы 36 битов, которые можно условно разбить на участки по 9 полубайтов. Следующий рисунок показывает, что закодировано в этих 36-ти битах:

Назначение битов информационного пакета метеодатчика BL999 в одной группе

Полубайт также называют «ниббл» (англ. nibble) или тетрада. Это единица измерения информации, содержащая четыре бита.

Давайте разберём реальный пример, и на его основе расшифруем закодированные в нём данные. Возьмём одну группу из 36-ти битов из вот такого пакета, пришедшего от датчика BL999:

Пример информационного пакета метеодатчика BL999

В пакете, согласно схеме, присутствуют следующие части:

Обозначение	Номера битов	Описание	Значение из примера
ID	35…32, 29…28	Это идентификатор датчика. Он задаётся произвольным образом и изменяется при каждом включении.	0101_11 = 23
Chan	31…30	Номер канала датчика. Кодируется обычным двоичным кодом: "01" – 1, "10" – 2, "11" – 3.	01 = 1^ый канал
Bat	27	Уровень заряда батареи: "0" – норма, "1" – низкий заряд.	0 = норма
?	26…24	Нет данных.	100
Temperature	23…12	Данные температуры. Число записано в обратном порядке и умножено на 10. Отрицательные температуры, кроме этого, хранятся в дополнительном коде (*).	0111_1111_0000 обращение 0000_1111_1110 = 254 деление на 10 25,4°C
Humidity	11…4	Влажность. Записывается как результат вычитания из 100, в дополнительном коде (*).	0000_1101 обращение 1011_0000 инверсия битов 0100_1111=79 +1 =80 вычитание из 100% 100 − 80 = 20%
Checksum	3…0	Контрольная сумма. Вычисляется как сумма 8-ми полубайтов, записанных в обратном порядке. От получившегося числа берутся 4 младших разряда и также записываются в обратном порядке.	0101 0111 0100 0111 1111 0000 0000 1101 0100 1010 + 1110 + 0010 + 1110 + 1111 + 0 + 0 + 1011 = 100_0010 обращаем 0010 0100

(*) Дополнительный код числа – это специальный вид представления чисел, который часто используется в вычислительной технике. Онлайн-калькулятор и хорошая статья на эту тему здесь.

Каждая группа из 36 битов повторяется в пакете по 4 раза, что сделано для повышения надёжности приёма. Если в каком-то из четырёх дублей из-за помех в радиолинии контрольная сумма не сошлась, возьмём тот из четырёх, где с контрольной суммой всё в порядке.

2Приём данных с метеодатчика BL999при помощи Arduino

Для того чтобы мы могли принимать данные с метеодатчика, нам нужен радиоприёмник, работающий на частоте 433 МГц. Прекрасно подойдёт копеечный модуль XY-MK-5V, который работает как раз на этой частоте. Мы уже не раз использовали его в своих проектах. Подключается он элементарно: вывод Data – к любому цифровому выводу Arduino, питание – к +5V Arduino, и земля к земле, соответственно.

Приёмник XY-MK-5V и Arduino Nano принимают сигнал датчика BL999

Существует отличная библиотека для Arduino, которая позволяет получать по радиоканалу и декодировать данные датчика BL999. Скачаем библиотеку, распакуем в папку libraries, откроем пример из библиотеки и загрузим в память Arduino. Если поблизости есть датчик BL999, то в мониторе последовательного порта Arduino IDE мы должны увидеть следующее: