Чтение данных датчика погоды BL999 с помощью Arduino

Нам понадобится:

• датчик BL999 от комнатной метеостанции (вроде такой);
• плата Arduino UNO, 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.

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.

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.

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

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.

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.

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:

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:

В пакете, согласно схеме, присутствуют следующие части:

(*) 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.

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:

Не забудьте настроить монитор порта на скорость 115200 бит/с: именно такая скорость используется автором библиотеки для передачи данных от Arduino.