さて、シリアルモニタに温度を表示させるだけではつまらないので、現在動いている自宅サーバにログを取って、その結果をweb上からグラフにして表示させてみることにします。

Kenji.Yさんが構築された素晴らしいシステムには遠く及びませんが、とにかく頑張りましょう。Ethernetシールドを使用してHTTP Getメソッドでサーバにデータをcsv形式で記録し、それを基にグラフ作成です。グラフの描写はhighstockで行うことにしました。

サーバ側のコードはphpで書きました。これは、Mapo堂さんの記事を参考にさせていただきました、ありがとうございます。現在私のところのPHPは Version 5.3です。

tempera_log.php
[PHP]

[/PHP]
動作確認のためにブラウザから

http://サーバアドレス/パス/tempera_log.php?tempera=1234.5

などとアドレス欄に入力してtempera_log.csvが作成され、数値が記録されるか確かめます。私の場合データの投稿はLAN内からのアクセスですので、外部からこのファイルにアクセスできないようにアクセス制限を掛けておきました。もし将来仮に、インターネット側からデータを送らなければいけないときは、安全性を考慮して別の手立てをしなければならないでしょう。

ログファイルの置かれているディレクトリはwebサーバを動かしているユーザーから書き込む事ができるようにアクセス権を設定します。私はいつもこのことで失敗してしまいます。（学習能力がまるで無い）

続いて、先日作成したRx_data.inoにwebサーバアクセス用のコードを付け加えます。 Arduino 1.0 の Examplesにあるwebclientスケッチを元に作成しました。

Rx_data_log.ino ( Rx_log_data.zip )

Rx_data.ino スケッチの冒頭に追加します

[C]
#include

// Ethernet configration

byte mac[] = { 0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xED }; //ほとんどの場合macアドレスはこのままで大丈夫です
byte ip[] = { 192, 168, 1, 201 }; //イーサネットシールドのIPアドレス:LAN環境に合わせて設定変更が必要です
byte gateway[] = { 192,168,1,1 }; //デフォルトゲートウエイアドレス:　同上
byte subnet[] = { 255, 255, 255, 0 }; //サブネットマスク: 同上

IPAddress Logging_server(192,168,1,100); //logを記録するwebサーバのIPアドレス

EthernetClient client; 　 // イーサーネットクライアントライブラリ をイニシャライズ
[/C]

void loop(void)内の最後に追加します

[C]
// start the Ethernet connection:
Ethernet.begin(mac, ip ,subnet,gateway ); //subnet,gatewayの順番はArduino1.0のためのものです(バグ?)
delay(1000); // イニシャライズの為のディレイです

if (client.connect(Logging_server, 80)) {
Serial.println(“connected to Logging server”);

client.print(“GET /cgi-bin/tempera_log.php?tempera=”); // /cgi-bin/tempera_log.phpへ HTTP GETリクエストです:
client.print( got_data);
client.println(” HTTP/1.0″);
client.println();
}
else {
Serial.println(“Logging server connection failed”);
}
client.stop();
[/C]

さて最後に一番手こずったのがグラフ描写です。今回試したhighstockは以前使ったRRDtoolsとは違いJavaScriptで書かれていて、クライアント側でグラフを描くものです。

Highsoft社が開発元で、個人利用であればフリーで使うことができます。また、姉妹版のhighchartsというライブラリもあって、豊富な種類かつ表現豊かなグラフを描くことができます。highstockは時系列のデータに対して相性が良いようです。

こちらからライブラリをダウンロードして適切なディレクトリに解凍して設置します。

ドキュメントを参考にしてプログラムを組んだのですが、CSVファイルの取り込みがどうしてもうまくいかなくて苦労しました。サポートフォーラムの中を必死に探してようやく動かすことができました。でも、ひょっとすると、もっと根本的な恥ずかしい間違いを犯しているかもしれません。

このソフトに関しては日本語の資料があまりなく、へっぽこメモさんのwebに助けていただきました。ありがとうございます。

highstock.jsとtempera_log.csvのファイルのパスに注意します。文字コードセットをUTF8で保存します。

temperature.html

こちらにグラフサンプル

無事DS18B20+センサを使って温度を計測することができましたので、NRF24L01+無線モジュールをつかって無線でデータを飛ばすことにします。 送り手側は電池駆動で試してみました。きっと、将来他の事例にも応用が利くと思います。

今回の実験のためにもう一台Arduino互換機を作る事にしました。秋月電子からＡＴＭＥＧＡ１６８／３２８用マイコンボード（1枚150円）、水晶振動子、抵抗、コンデンサ、ピンソケット等、必要最小限の部品を購入して組み立てました。USBインターフェースと電源レギュレーターは省略します。

ATmegaマイコンボードとAVRISP MkII

この基盤にはICSP端子がついていますので、電源とAVRプログラマＡＶＲＩＳＰｍｋＩＩ を繋ぐとArduino1.0 IDEからブートローダとスケッチ双方が書き込めますので大変便利です。

さらに秋月電子からは 昇圧型ＤＣ－ＤＣコンバーター(３．３Ｖタイプ)を仕入れました。入力電圧が0.7～3.3V出力電圧が3.3V最大出力電流が200mAという性能です。広告には電解コンデンサを１個追加するだけで使えると書いてありました。

センサー、無線モジュールの他にMCUの電源も DC-DCコンバータから供給するように配線します。

送信側ハードです

ハードは整いました。ソフトウエアはJ. Colizさんが書かれた RF24ライブラリにバンドルされている「pingpair_sleepy」スケッチを基にして作りました。この「pingpair_sleepy」は電池駆動のために消費電力を抑えるAtmegaのスリープモードとウオッチドッグタイマを利用しています。

ATmegaのスリープモードは

SLEEP_MODE_IDLE　 アイドルモード
SLEEP_MODE_ADC 　 ADCノイズ低減モード
SLEEP_MODE_PW_SAVE　パワーセーブモード
SLEEP_MODE_STANDBY　スタンバイモード
SLEEP_MODE_PWR_DWN　パワーダウンモード

５種類あって、パワーダウンモードが一番消費電力が少ないモードになっています。また、スリープモードから復帰するためにWatchdog(WDT)タイマーを使って割り込みを発生させます。

ウオッチドッグタイマーは、スリープモード中でも動いている内蔵128KHz発信器のクロックをカウントして指定のタイムアウト時に割り込み又はシステムリセットを行う機能を持ちます。

タイムアウト時間は16ms,32ms,64ms,128ms,250ms,500ms,1s,2s,4s,8sの中から選ぶことができまして、またそれをループさせることにより任意の間隔で一連の処理を行うことができます。

「pingpair_sleepy」スケッチでは setup_watchdog()のパラメータでタイムアウト時間を指定し、sleep_cycles_per_transmissionの値の倍数の期間だけスリープモードを繰り返すように組んであります。ただ、内蔵発信器のクロックなので時間の精度はあまり良くないようです。ATmega MCU内部動作の詳細はデータシートの訳 こちら を参考にさせていただきました。awawaさんありがとうございました。

スリープモードの時間はいろいろな値を設定することができますが、現在私は setup_watchdog(wdt_4s)そして sleep_cycles_per_transmission = 75として、5分に一回データを送るように設定しました。

以下にarduino1.0用に作成したスケッチを記述します。オリジナルから変更点は、温度センサーの値を読み込む処理、送受信役割分担（ロールピン）の部分を削除した所です。私のハードがNRF24L01+無線モジュールのCE,CSNがそれぞれデジタル8,9ピン、DS18B20+温度センサのDQがデジタル6ピンにつががっていますので、スケッチの該当する部分もそれに合わせてあります。温度センサの解像度は10bitに設定してあります。

送信側スケッチ　Tx_data.zip
受信側スケッチ　Rx_data.zip

このスケッチを動かすためには前述のOneWireライブラリとRF24ライブラリをインストールする必要があります。

送信側と受信側双方をセットして動かすとシリアルモニターに温度が無事表示されました。シリアルモニタの通信速度はNRF24L01+無線モジュールの関係で57600bpsになっています。

実際に回路の電流を測ってみると、待機時に流れる電流が約0.2mAでした。どのくらい電池が持つか計算してみましょう。こちらの記事を参考にさせてもらいました。

スケッチが動いているときの消費電流は

 ATmega328P-PU         20mA
 NRF24L01+ モジュール   11mA
 DS18B20+  センサ        2mA
 DC-DCコンバータ         6mA (変換効率が85%と言うことで)
 
 計　　　　　　おおむね 40mA
 

スケッチが動いている実働時間は２秒程度、待機している時間が約300秒(５分)なので平均の消費電流は

(2s/300s)*40mA+0.2mA ≒ 0.5mA

単三電池の容量が2000mAh程度なので

2000mAh÷0.5mA = 4000h(時間) ≒ 166日

計算では結構長く電池が持ちそうです。いずれこの期間についても検証してみたいと思っています。

※ 上記のハード・ソフトで 2012年3月3日 から 2012年8月17日まで、電池交換なしで5.5ヶ月間動き続けました。8月17日に落雷が原因で受け取り側のPC（サーバ)が不調にならなければ、もっと長い期間の記録になったはずでした。

NRF24L01+を使って無線実験が成功したので、実用的な用途に応用です。本当は家の中の消費電力を計測したいのですが、他の方の製作記事を拝見すると結構大変そうです。今の私には少々荷が重すぎるようですね。なので、すかさず方針変更です。手始めに気温を測る温度計に挑戦です。これなら何とかいけそうです。

でも、一旦冷静になって考えると”気温を測ってどうするの？”という素朴な疑問がわいてきました。「実用的な用途」と言えるかどうかも論議が必要です….結局、結論がなかなか出てきそうにないので、先に進むために今そのことは考えないことにします。

温度を測るセンサーもいろいろあって迷いますが、秋月電子の広告を見て「１ｗｉｒｅデジタル温度センサー」という文字が目にとまりました。値段も１つ３００円とお手頃です。

Ｍａｘｉｍの１ｗｉｒｅデジタル温度センサー　ＤＳ１８Ｂ２０＋
＝特長＝
･１ｗｉｒｅインターフェースのシンプルなデジタル温度センサー
･すべてのデバイスに対してユニークな６４ビットのシリアルコードを付与（内部ＲＯＭに書込済）
･データ線から電源を供給可能
･電源電圧：３．０～５．５Ｖ
･測定温度範囲：－５５℃～＋１２５℃
･精度：±０．５℃（－１０℃～；８５℃）
･ドリフト：±０．２℃

･･･

他の温度センサーと比べて精度が良いみたいですね。ネットで検索するとO-Famiry 電子工作の部屋さんのWeb中にＤＳ１８Ｂ２０＋の説明が書かれていました。またマニュアルの日本語訳もされています。すごいですね、頭がさがります。ありがとうございます。調べて行くとArduinoとの相性も良さそうな事がわかりました。これに決めます。

ArduinoでDS18B20+を使うためにPJRCさんのサイトから
OneWire Library:Download: OneWire.zip (Version 2.1)
このライブラリをダウンロードします。

zipファイルを解凍してできる「OneWire」フォルダをフォルダごとAduino1.0の｢libraries｣ディレクトリにコピーすると使えるようになります。

まずArduino単体で温度が読み取れるか試してみましょう。ブレッドボードにDS18B20+を配線します。このOnWireデバイスは、一つ一つのデバイスに64ビットのアドレスが割り振られているとのことです。ワンワイヤーと言っても現実には通信に2本の線が必要(パラサイトモード時）なのですが、カスケードにして複数つなぐことができるそうです。トランジスタ風のパッケージの中に、機能がぎっしり詰まっていますね。感心してしまいます。

今回私は、DS18B20+の２番ピン(DQ)はArduinoのデジタル６番ピンにつなぎました。ブレッドボードに配線をすませて、ライブラリ付属のサンプルスケッチ「DS18x20_Temperature」を実行します。

スケッチ中の
OneWire ds(10); // on pin 10
この行は、自分の環境に合わせ、6に変更しておきました。これでシリアルモニターに現在の気温が表示されるはずです。

スケッチを走らせると瞬時に気温が計測され、表示されます。センサーを指で触ると体温に反応して表示される温度が刻々と変化します。応答性能もよさそうです。

ちなみに配線を間違えると８５℃の表示がされ、そこから微動だにしません。（なぜこのことを知っているかは秘密です）資料を見ると８５℃はパワーオンリセット時にセットされるデフォルト値みたいです。配線には気をつけましょう。壊れなくて良かったです。

先ほどのPJRCさんのwebに、このスケッチには氷点下以下が測れないというBugがあると書かれていましたので、このスケッチを修正してみました。とりあえず接続するＤＳ１８Ｂ２０＋は１つなので、アドレス指定の部分は削除してしまいました。
[C]
#include
// OneWire DS18B20 Temperature Reading
// only slightly modified DS18x20_Temperature sketch
// from OneWire library examples bundle.
// http://www.pjrc.com/teensy/td_libs_OneWire.html
//

OneWire ds(6); // on digital pin 6 DS18B20+ (DQ)
const short Resolution = 12; //DS18B20 Resolution 9 – 12 Bit

void setup(void) {
Serial.begin(9600);

// Thermometer Resolution set (default 12 BITS)

short Sw_value ;
switch (Resolution){
case 9:
Sw_value = 0x1F;
break;
case 10:
Sw_value = 0x3F;
break;
case 11:
Sw_value = 0x5F;
break;
default:
Sw_value = 0x7F;
break;
}
ds.reset();
ds.skip();
ds.write(0x4E); // Write Scratchpad
ds.write(0x00); // User Byte 1 (not in use)
ds.write(0x00); // User Byte 2 (not in use)
ds.write(Sw_value); // set Thermometer Resolution

}

void loop(void) {
byte i;
byte data[12];
float celsius;

ds.reset();
ds.skip();
ds.write(0x44,1); // start conversion, with parasite power on at the end

int Conv_time = 1000;
switch (Resolution ){
case 9 :
Conv_time = 100;
break;;
case 10 :
Conv_time = 200;
break;
case 11 :
Conv_time = 400;
break;
}
delay(Conv_time); // Resolution to 9 BITS conversion time 93.75ms
// 200 : Resolution to 10 BITS conversion time 187.5 ms
// 400 : Resolution to 11 BITS conversion time 375 ms
// 1000 : Resolution to 12 BITS conversion time 750 ms
// we might do a ds.depower() here, but the reset will take care of it.

ds.reset();
ds.skip();
ds.write(0xBE); // Read Scratchpad

for ( i = 0; i < 9; i++) { // we need 9 bytes data[i] = ds.read(); } if (OneWire::crc8(data,8) != data[8]) { Serial.println("CRC is not valid!"); return; } // convert the data to actual temperature int raw = (data[1] <<8) | data[0]; switch ( Resolution){ case 9: raw = raw & 0xFFF8; // 9 bit resolution break; case 10: raw = raw & 0xFFFC; // 10 bit resolution break; case 11: raw = raw & 0xFFFE; // 11 bit resolution break; } celsius = (float)raw / 16.0 ; Serial.print(" Temperature = "); Serial.print(celsius); Serial.println(" C "); } [/C] ちゃんと動くか否か心配なのでテストをすることにしました。昨日まで冷え込んでいたので夜明け前なら外気温は氷点下なると見込んで測ってみました。が、残念ながらあとわずかの所で氷点下になりません。２～３日繰り返しましたが徒労に終わりました。このまま待っていると来冬になってしまいそうなので、DS18B20+を簡単なプローブにして氷と塩を使い測ってみました。まるで理科の実験です。小学校３年生以来ですね。 解像度( Resolution)は9,10,11,12ビットのいずれかで設定することができ、それぞれ0.5℃,0.25℃,0.125℃,0.0625℃単位で測ることができます。設定をしないと12ビットになります。解像度が大きくなるほど温度をデジタルデータに変換する時間がかかりますので、電池駆動で消費電力を少なくしたい時は解像度を低く抑えた方が良いかもしれません。

nRF24L01L+には電波の強度を計測する機能(RPD)があって、RF24ライブラリ作者のMr. J.Colizさんが2.4GHz帯(ISMバンド）の電波利用状況を計測するスケッチを書いてくれました。RF24ライブラリをインストールした後、[Examples]-[RF24]-[scanner]でロードできます。

ArduinoにnRF24L01L+無線モジュールをセットし、スケッチを走らせるとシリアルモニタには下記のように表示されます。

RF24/examples/scanner/に続く２行はチャンネル(RF_CH)を表示しています。このチャンネルは縦に読むのがミソで、十六進数で00～7fの間、2.4GHz帯の1MHzごと、128CH分が表示されています。次の行からはスキャンした時点で使われている電波の強度を表示しています。

チャンネルと周波数の関係式 : F = 2400 + RF_CH [MHz] （中心周波数）

WindowsＰＣ用のソフトウエアで無線LANの電波利用状況を調べるNetwork Stumblerというものがあり、同時に計測してみました。無線LANも802.11 b/g/n規格の物は2.4GHｚ帯を使用します。

私の所は郊外で、家も少ない訳なのですが、それでも結構電波が飛んでいますね。一番下の行が私の使っている無線ルータです。無線LANの11CHを使っていて、この中では一番シグナルが強いです。ややっこしいのですが、無線LANのチャンネルは上記のチャンネルとは異なります。

2.4GHz帯の無線LANの電波の割り当ては、第1CHの中心周波数が2412MHzで、それ以降は5MHzずつ中心周波数が高くなり13CHまで使われています。ただ、使う帯域は22Mhzですので隣どおしのchはかなり重なってしまいます。確か、全く周波数が重ならないように802.11 b/gの無線LANを使うには、３つの組み合わせしかなかったと思います。

上記無線LANの11chは中心周波数が2462MHzですので、2451MHz～2473Mhzを使っている事になります。これは、ちょうどシリアルモニタに表示されたピンクのアンダーラインの所に該当します。双方を比較してみると、Arduinoで計測した方が明らかに詳しく測ることができますね。

nRF24L01+のデータシートを見るとnRF24L01+の占有する周波数の帯域は通信速度によりますが、250kbps と 1Mbpsで1MHz、2Mbpsで2MHz 程度だそうです。設定できる範囲は1Mhz刻みで2.400GHz から 2.525GHzと書いてあります。

このスケッチを使って無線LANや他の電波と干渉しないようにnRF24L+をセットする事ができます。ちなみにこのRF24ライブラリはデフォルトで76CH(0x4C)、2476MHzを使うようになっています。

Atmega328P-PUと無線ユニット

前回は失敗していまいましたが、こりずに挑戦です。今回もまたebayから仕入れた品物のお話です。

マイコン＋無線といいますとxbeeが有名どころのようですが、今回、怪しいもの好きの私が見つけた品物はNordic Semiconductor社のｎRF24L01+というチップを使った無線ユニットです。

「NRF24L01+ 2.4GHz Wireless Transceiver Module FOR Arduino」というタイトルで売っていました。最大の特徴はその安さです。私が購入した時は2個セットで約＄6（送料込）でした。とても小型で、アンテナもユニットの基盤にプリントされています。

この製品の特徴は

• 無線LAN等に使われている2.4GHzのISMバンドで通信を行う
• 通信速度を250Kbs,１Mbps,２Mbpsから選ぶ事ができる
• 1.9V-3.6Vで動作する。（※５Vをかけると壊れてしまう。注意が必要です）入力ピンは５Vトレントラント
• 出力1mW (0dBm)
• 低消費電力　送信1mw時11.3mA、受信2MBps時13.5mA

他にも超低電力消費モードがある事や、最大１台対５台の通信が出来ること（MultiCiever機能)がデータシートに記載されていました。周波数は2.400GHz～2.525GHz間で１MHｚ単位で変えることができます。

一定出力以下のISMバンドの通信機器は免許不要ということですが、日本国内で使用するためには認可が必要みたいですね。この製品はそのような認可はとってないでしょう。まぁ、個人的にちょっと実験するだけならば問題にはならないでしょう。残念ですが日本国の法律に抵触する可能性がありますね。善良な市民の皆さんは許可された国に行き実験しましょう。

ということで、まず初めにYour Duinoさんのwebを参考にさせていただきました。ぱっと見て気付きましたが、このページには私が購入したタイプとピン配置が違う製品が記載されています。よくわかりませんが、こちらの図のジグザグアンテナの方が良く電波が飛びそうに見えます。これは早くも失敗だったでしょうか？

気を取り直して、本文を良く読むと、Arduinoでこの無線ユニットを使うために２つのライブラリが作られている事がわかりました。１つはRF24ライブラリ、もう１つはMirfライブラリだそうです。

こちらのページにRF24ライブラリのダウンロード先が書いてありました。もうひとつのMirfライブラリはこちらのページに情報があります。残念なことにMirfライブラリはArduino 1.0環境では現時点で動作しませんでした。（0023環境では動きました）

ここから後の作業は、このブログタイトル通り試行錯誤でした。いかんせん初心者ですので誤りがあるかもしれません。もし記述に誤りがあった時には御指摘いただければ有難いです。NRF24L01+をより活用することができると書いてあったRF24ライブラリを使って通信を試みます。

• こちらからRF24ライブラリをダウンロードします。 Download RF24 Library here (ZIP or GZ)
• ダウンロードしたファイルを展開してできるフォルダ名（現時点ではmaiacbug-RF24-94635e8)をRF24にリネームする。
• そのRF24フォルダごと　Arduino-x.x\libraries\ 以下にコピーする

上記の手順でライブラリの登録ができました。

さてnRF24L01+ユニットとArduinoとの結線です。RF24ライブラリ作者であるmaniacbugさんのwebに載っていました。

（Your Duinoさんのwebに書かれている結線とはCE,CSNの配線が異なっています。デフォルトでRF24ライブラリを使用するならば、上記が正解みたいです。）
－－－＞1/19追記 CE,CSNのピンアサインは変えることができます。

最初ブレッドボードで実験しようとしたのですが、ピンの間隔は一般的な2.54mmなのですが列の間隔が足りなくてブレッドボードではうまくいきませんでした。（ちょっと考えれば分かりそうなものです。まだまだですね。）

というわけで今回は片側がオス反対側がメスのブレッドボード用のジャンパワイヤーで配線しました。また、実験には同じセットが２台必要になります。

さて準備ができました。Arduino 1.0の環境で実験開始です。Arduino IDEのメニューからサンプルスケッチを試します。 [File]-[Examples]-[RF24]-[GettingStarted]を、無線ユニットをつないだ２台のArduino双方にアップロードします。

シリアルモニタを表示させてボーレートを 57,600baud に合わせます。するとシリアルモニタには

RF24/examples/GettingStarted/

ROLE: Pong back

*** PRESS 'T' to begin transmitting to the other node

STATUS        = 0x0e RX_DR=0 TX_DS=0 MAX_RT=0 RX_P_NO=7 TX_FULL=0

RX_ADDR_P0-1  = 0xf0f0f0f0d2  0xf0f0f0f0e1

・・・　以下略

このようなステータスが表示されます。現在双方のArduinoはPong backモードですので、’T’をタイプしてSendボタンを押します。

*** CHANGING TO TRANSMIT ROLE -- PRESS 'R' TO SWITCH BACK

Now sending 428654...ok...Got response 428654, round-trip delay: 23

Now sending 429678...ok...Got response 429678, round-trip delay: 24

Now sending 430703...ok...Got response 430703, round-trip delay: 24

・・・　以下略

このように表示されれば成功です。ミリセコンド単位でpingのディレイが表示されました。

出力が１mWということで、どのくらいの飛距離がでるか実験してみました。デフォルトの１MBpsで室内障害物無しの条件で約10ｍは全く問題無しでした。さらに、外に出て木造建物の壁１枚を隔て約１５ｍ程度はなれた所で限界が来ました。いろいろな環境条件によって変わると思いますので、これはごくおおざっぱな参考値です。データシートには256Kbpsにすると消費電力は増えるが受信感度が増すという内容の記述がありました。距離的にちょっと心もとない気もしますが、使う用途によっては十分実用になると思います。

以下の事柄は私の環境に限ったことかもしれません。ジャンパー線を外しプロトシールドにピンソケットを付けて実験してみました。φ0.26mmのジュンフロン線で配線をしたのですが、最初全てのパケットがタイムアウトになってしまいました。一瞬言葉を失いましたが、冷静に戻った後、モジュールにつながる電源の3.3VとGNDの配線を太いものにしてようやく動作しました。電源周りに気を付けた方がよさそうです。現在はさらにバイパスコンデンサを取り付け、他の信号線も太い配線にしました。