Funkkommunikation zwischen Raspberry Pi's und Arduinos (2.4 GHz)

Arduino, GPIO, Projekte

Funkkommunikation zwischen Raspberry Pi’s und Arduinos (2.4 GHz)

Neben der seriellen Anbindung eines Arduinos an den Raspberry Pi wollen wir die Platinen auch per 2.4GHz Funk miteinander kommunizieren lassen und z.B. Codes oder Daten versenden. Die 2.4GHz Funkübertragung bietet einige Vorteile gegenüber der 433MHz Übertragungsrate, wie u.a. viel größere Datenmengen, die verschickt werden können und Reichweiten bis zu 100 Metern.

In diesem Tutorial richten wir die entsprechenden Arduino / Raspberry Pi nRF24L01+ Bibliotheken ein. Dabei können wir beliebig viele Raspberry Pi’s untereinander oder eben mit anderen Arduinos kommunizieren lassen. So können wir z.B. die günstigeren Arduinos an verschiedenen Orten aufstellen und ein Raspberry Pi als „Basisstation“ verwenden, welcher an die Module Befehle sendet.



Ursprünglich hatte ich vor eine eigene 433 MHz Bibliothek für Raspberry Pi und Arduino zu schreiben. Der Nachteil daran ist aber, dass pro Signal nur maximal 32 Bit in der 433 MHz Frequenz verschickt werden können. Dadurch ist ein Protokoll wie z.B. TCP-IP nicht zu realisieren. Mit 2.4GHz hingegen können genug Bits versendet werden, was auch der Grund ist, dass die Standardfrequenz von WLAN Routern und Empfängern darauf liegt.

Dieses Tutorial ist in drei Teile aufgebaut. Zunächst zeige ich den Anschluss, Einrichtung und Installation auf dem Raspberry Pi und anschließend das selbe für den Arduino (UNO und Nano u.ä.). Im letzten Abschnitt möchte ich ein Beispiel zur Verwendung der Bibliothek machen. Dabei wird ein einfaches Signal vom Pi gesendet, was den Arduino dazu bringen soll eine LED leuchten zu lassen.

 

Zubehör

Bevor wir starten benötigen wir noch ein paar Bauteile. Als Basis dient das NRF24L01+ Modul, welches per SPI angeschlossen wird. Das Raspberry Pi Modell spielt keine Rolle.

Sofern du das unten vorgestellte Beispiel nachbauen willst, benötigst du noch eine LED, einen Taster und einen 10kΩ Widerstand.

 

Raspberry Pi

Als erstes wollen wir das Modul für unsere Raspberry Pi’s einrichten. Die Vorgehensweise ist dabei auf allen Pi’s die selbe. Lediglich kleine Anpassungen müssen gemacht werden, was an gegebener Stelle erwähnt wird. Starten wir also mit der Verbindung zwischen NRF24L01+ Modul und dem Raspberry Pi.

 

Aufbau und Anschluss des Raspberry Pi und NRF24L01+

Wie du siehst hat der nRF24L01+ acht Pins, welche allerdings nebeneinander platziert sind, wodurch das Platzieren auf einem normalen Breadboard schwierig ist. Daher nutzen wir Female-Female Jumper Kabel als Verbindung zwischen GPIOs und den Pins. Da die Module nicht beschriftet sind, hier erst einmal die Pin Belegung:

nRF24L01+ Pinout

nRF24L01+ Pinbelegung

 

Die Numerierung der Pins beginnt unten rechts (GND = 1, VCC = 2, …) und geht jeweils nach links oben (IRQ = 8). Bis auf IRQ werden alle Pins an den Raspberry Pi angeschlossen, wobei die Belegung dieser Tabelle folgt:

NRF24L01+Raspberry Pi
GNDPin 6 (GND)
VCCPin 1 (3.3V)
CEPin 15 (GPIO22)
CSPin 24 (GPIO8/CE0)
SCKPin 23 (SCKL)
MOSIPin 19 (MOSI)
MISOPin 21 (MISO)
IRQ

 

Schematisch sieht der Aufbau folgendermaßen aus (hier gibt es die Pin Belegung des Raspberry Pi’s):

Raspberry Pi nRF24L01+ Steckplatine

Raspberry Pi nRF24L01+ Verkabelung

 

 

Raspberry Pi NRF24L01+ Bibliothek installieren

Kümmern wir uns nun um die Software, um das Funkmodul anzusprechen. Wir nutzen dafür eine Bibliothek, die mit Raspberry Pi’s, Arduinos als auch anderen Linux Devices (Banana Pi, ODroid, etc.) kompatibel ist. Bevor wir jedoch die Installation der Bibliothek starten, müssen wir unser System (Raspbian) auf den aktuellen Stand bringen, falls noch nicht bereits geschehen. Unter Umständen kann dies ein wenig dauern:

sudo apt-get update
sudo apt-get upgrade

Nun aktivieren wir SPI, was für die Kommunikation gebraucht wird. Dazu rufen wir

sudo raspi-config

auf, gehen unter „Advanced“ -> „SPI“ und aktivieren es dort.

Anschließend haben wir zwei Optionen die Bibliothek zu installieren. Zum einen können wir einfach ein Skript downloaden und starten (meine Empfehlung), was alles automatisch ausführt:

wget http://tmrh20.github.io/RF24Installer/RPi/install.sh
chmod +x install.sh
./install.sh
cd rf24libs/RF24

Anschließend können die zu installierenden Module ausgewählt werden, wobei auch einfach alle Module installiert werden können. Wenn du nicht alle Bibliotheken installieren willst, solltest du aber darauf achten, dass die „RF24 core library“ auf jeden Fall geladen wird.

 

Alternativ: Die andere Option ist das Repository (bzw. die einzelnen Projekte) zu klonen, was den Vorteil hat, dass wir die Dateien ohne viel Aufwand aktuell halten können (git fetch). Zum Kopieren der Dateien ins Homeverzeichnis genügt folgender Befehl:

mkdir ~/rf24libs
cd ~/rf24libs
git clone https://github.com/TMRh20/RF24

Bei dieser Wahl müssen wir allerdings die Dateien noch per Hand kompilieren:

cd ~/rf24libs/RF24
./configure
sudo make install

 

 

Wenn du das Beispiel (unten) nachbauen willst, bzw. die 2.4 GHz Kommunikation auch in Python Skripten nutzen willst, müssen ein paar zusätzliche Pakete installiert werden. Für Python 2.7 installieren wir die Pakete folgendermaßen:

sudo apt-get install python-dev libboost-python-dev
sudo apt-get install python-setuptools

(Für die Installation der Python3 Pakete sind ein paar Hinweise zu beachten, welche du hier findest.)

Am besten läuft die Installation auf einem Raspberry Pi 3. Falls du ein Model Zero oder ein Pi der ersten Generation hast, würde ich das Setup auf dem Pi 3 laufen lassen, da es um einiges schneller läuft. Die micro SD Karte kannst du nach Belieben wechseln und nach Abschluss der Installation in einem anderen Raspberry Pi verwenden.

cd pyRF24
./setup.py build
sudo ./setup.py install

 

Funkkommunikation der Raspberry Pi’s untereinander testen

Im Beispielordner (RF24/examples_linux) sind einige Skripte zum Testen enthalten. Wir wechseln in diesen Ordner (cd examples_linux)  und kompilieren die dortigen C++ Dateien:

make

Sobald wir dies auf mindestens zwei Raspberry Pi’s getan haben (alternativ: ein Raspberry Pi und ein Arduino), starten wir ein Beispielprogramm (es sind mehrere vorhanden, die unterschiedliche Funktionen implementiert haben):

sudo ./gettingstarted

Auf einem Gerät wählen wir nun 0 („pong_back“: einem eintreffenden Signal wird geantwortet) und auf dem anderen 1 („ping_out“: es werden 2.4 GHz Signale gesendet). Anschließend werden einige zufällige Nummern gesendet und vom anderen Gerät empfangen. Außerdem bekommen wir Informationen darüber, ob der gesendete Code auch wirklich empfangen wurde. Somit können wir schon einmal feststellen, dass unsere Raspberry Pi’s und nRF24L01 Funkmodule richtig konfiguriert und eingestellt sind.

Solltest du nichts empfangen bzw. sonstige Fehlermeldungen bekommen, liegt es am Nähesten, dass die Verkabelung falsch ist (sofern das Installieren vorher keine Fehler erbracht hat). Überprüfe diese gegebenenfalls.

 

 

 

Arduino

Nun konfigurieren wir noch unsere(n) Arduino(s), welche auch unabhängig von Raspberry Pi’s mittels dieser 2.4GHz Funk-Bibliothek kabellos miteinander kommunizieren können. Bevor wir starten solltest du dir die allegemeinen Infos zum Arduino durchlesen, wo auch das Kompilieren und Aufspielen von Skripten erklärt ist.

 

Verbindung zwischen Arduino und nRF24L01+ Modul

Bevor wir uns um die Bibliothek und anhängenden Beispiele kümmern, muss das 2.4 GHz Funkmodul erst einmal angeschlossen werden. Dabei ist die Verkabelung für Arduinos gleich. Ich habe wegen der geringen Größe ein Arduino Nano genommen, allerdings kann auch problemlos ein Arduino UNO verwendet werden. Die Pin-Verbindungen sind wie folgt:

NRF24L01+Arduino UNO / Nano
GNDGND
VCC3.3V
CEdigIO 7
CSdigIO 8
SCKdigIO 13
MOSIdigIO 11
MISOdigIO 12
IRQ

 

Schematisch sieh die Verbindung zu einem Arduino Nano so aus:

Arduino Nano nRF24L01+ Steckplatine

 

Arduino + Raspberry Pi nRF24L01+ Bibliothek einstellen

Nachdem du den Arduino Editor offen hast, kannst du die Dateien der Bibliothek herunterladen. Den Ordner „RF24-master“ entpackst du nun z.B. auf den Desktop und benennst ihn in „RF24“ um. Anschließend öffnen wir in der Arduino IDE unter Sketch -> Library importieren -> Add Library und wählen den eben entpackten Ordner aus. Alternativ kann der Ordner auch einfach in das entsprechende Verzeichnis kopiert werden (unter Windows 7 z.B.: C:\Users\Felix\Documents\Arduino\libraries).

Nach einem Neustart der IDE können wir unter Datei -> Beispiele -> RF24 -> GettingStarted das Beispielprogramm laden. Die weiteren Beispiele enthalten (ähnlich zum Raspberry Pi) Beispiele mit weiteren Funktionen.

RF24 Arduino IDE nRF24L01+ Library

Die Beispiele sind vollkommen kompatibel zu den gleichnamigen Beispielen auf dem Raspberry Pi. Als Test kannst du den seriellen Monitor öffnen (Strg+Umschalt+M) und die Baudrate 115200 (unten rechts) einstellen. Anschließend kannst du den Arduino bspw. senden lassen.

Da der Code der Beispiele recht selbsterklärend ist, mache ich dazu an dieser Stelle keine weiteren Angaben. Jedenfalls können recht einfach auch weitere Geräte hinzugenommen werden.

 

 

Beispiel zur Raspberry Pi + Arduino Funkübertragung

Wie versprochen möchte ich als letztes noch ein einfaches Beispiel zur Benutzung zeigen. Dazu dient der nRF24L01 am Raspberry Pi als Sender und der Arduino als ausführender Empfänger. In meinem Beispiel soll eine LED auf dem Arduino durch einen Knopfdruck auf dem Raspberry Pi per 2.4 GHz Funk geschaltet werden.

Zunächst bauen wir beide Schaltungen auf, wobei diese sehr sehr einfach sind. Den Button schließen wir über einen 10kΩ Pull-down Widerstand an GND (Pin 6 bzw. 39) an, als Input Pin nehmen wir GPIO 16 und als Eingangsspannung dient der 3.3V Pin (entweder Pin 1 oder 17).
Am Arduino müssen wir nichts weiter tun als eine LED zwischen D2 und GND zu klemmen (längeres Ende der LED an D2).

 

Raspberry Pi, Arduino, nRF24L01+ Beispielprojekt Steckplatine

Schematischer Aufbau des kleinen 2.4 GHz Funk Beispiels anhand eines Schalters am Raspberry Pi und einer LED am Arduino.

Nachdem alles angeschlossen ist, können wir uns um den Code kümmern. Ich habe dazu die existierenden Beispiel ein wenig bearbeitet und erweitert, sodass nun beim Tastendruck ein Code gesendet wird und die LED entweder an- oder ausgeschaltet wird. Du kannst das Beispiel natürlich beliebig verändern und z.B. noch viel mehr Codes einfügen, für andere Aktionen.

Zunächst erzeugen wir eine neue Datei für den Arduino und uploaden folgenden Code:

Das Kompilieren sollte reibungslos funktionieren, daher kümmern wir und nun um den Raspberry Pi, indem wir eine Python Datei im example Order erstellen:

sudo nano led_test_24ghz.py

Folgenden Inhalt bekommt die Datei:

Nach dem Speichern und Beenden des Editors führen wir die Datei aus:

sudo python led_test_24ghz.py

Wenn beide Programme laufen, sollte die LED bei jedem Tastendruck an- bzw. abgeschaltet werden. Für all jene, die lieber in C++ auf dem Raspberry Pi programmieren sei gesagt, dass die Beispieldateien dafür um einiges besser und umfangreicher sind, weshalb auch damit recht einfach Programme erstellt werden können.

Falls jemand dauerhaft den Fehler „Sending failed… Try again“ angezeigt bekommt, der sollte die Verkabelung des Arduinos überprüfen. Meist hilft ein einfaches Ab- und wieder Anstecken der Kabel und erneutes Uploaden des Codes auf den Arduino.

 

Beispiel-Video

Zum Schluss möchte ich noch in einem Video vorführen, wie dieses Beispiel aussieht.

 

 

Wer weitere Fragen zum Projekt oder den einzelnen Beispielen hat, kann diese direkt im Entwicklerforum stellen.

Mich würde interessieren, wofür ihr die 2.4 GHz Kommunikation zwischen Raspberry Pi’s oder Arduinos verwendet?



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19 Kommentare

  1. Johannes sagt:

    Klasse Anleitung! Super Sache. Wie abhörsicher ist den die Frequenz? 433mhz kann jeder mitschneiden und so Informationen zu übersenden ist sehr unsicher.

    Außerdem könntest du eine Anleitung raus bringen wie man mit einem Arduino und einem ESP8266 (-01) Daten übers WLAN an einen Raspberry schicken kann?

    Herzliche Grüße

    • Gunter Pietzsch sagt:

      Abhörsicher ist das natürlich nicht, da wir uns im wlan Frequenzbereich bewegen, hann jeder mit einen sniffer mithören. Deshalb sollte man nach der Entwicklung einer Anwendung über eine Versxchlüsselung nachdenken. Ist also nur per Software zu sichern.

    • Felix sagt:

      Wie Gunter schon gesagt hat: Abhörsicher ist kaum eine Übertragungsrate. Angenommen du nimmst eine eigene Frequenz (bspw. 1.234 GHz) und ich kenne diese und auch dein Protokoll etc., dann kann ich die gesendeten Daten mitschneiden. Eine Verschlüsselung muss also per Code realisiert werden.
      PS: Den ESP8266 wollte ich mir in Zukunft sowieso mal genauer ansehen, vielleicht kommt da was 🙂

  2. Lutze sagt:

    Super Artikel, bin begeistert!

  3. Gunter Pietzsch sagt:

    Klasse Tutorial,
    Werde mir sofort ein paar Transceiver bestellen.

    LG Gunter

  4. Bonzadog sagt:

    Die Tutorial wat absolut Spitze gemacht.
    Da dieser Tutorial so gut war möchte ich gerne ein folge Tutorial über Raspberry Pi’s , PC und Arduino in ein Mesh (XBee) – das wäre sehr gut.
    BD
    (Deutsch übe ich noch!)

  5. Julian sagt:

    Hallo Felix,
    erstmal vielen Dank für das tolle tutorial. Könnte man mit dem entsprechenden Zubehöt auch eine Funkrichstrecke realisieren?
    Vielen Dank und LG
    Julian

  6. Michael sagt:

    Hallo Felix
    Ein Super Beitrag.
    Ich habe alles gemacht wie Du beschreibst, aber es dauert ca 3Minuten bevor der Arduino reagiert solange wird immer Sending failed angezeigt.
    Woran könnte das liegen ? hast Du villeicht eine Idee ?

    • Felix sagt:

      Dauert es immer 3 Minuten? Klingt so danach, dass ein anderes Signal aufgegriffen wurde oder aufgrund eines sonstigen Fehlers es schaltet. Das Signal bleibt ja nicht so lange „verfügbar“. Wird es nicht sofort empfangen „ist es weg“. Außer auf dem Arduino blockiert etwas anderes die Funktion.

  7. Michael sagt:

    Das einschalten der Led ja, aber das abschalten dauert auch schon mal länger.
    Telefon DECT und die Unitymedia-Box sind in der nähe. Kann die Störung auch von diese Geräte kommen ?

  8. Michael sagt:

    Ja werde es morgen testen. Heute hat das sogar mit dem Raspi und den Arduino Nano funktioniert.

  9. Michael sagt:

    Hast Du villeicht einen Sketch für den zweiten Arduino ?

  10. Gunter sagt:

    Hallo Felix,

    Haben Deine Funkis unterschiedliche Pinbelegungen?
    Beim Raspi verbindest Du Pin 1 mit Masse und Pin 2 mit den 3,3 Volt.
    Beim Arduino allerdings endet Pin 1 im an 3,3 Volt und Pin 2 endet im Nirvana.
    LG Gunter

    • Felix sagt:

      Hallo Gunter,
      ich danke dir für den Hinweis, da habe ich beim Arduino vergessen vergessen die Vebrindung zu GND einzuzeichnen. Ist nun gefixt 🙂
      LG, Felix

  11. Gunter sagt:

    Hi Felix,
    jetzt schließt Du den 3,3 V Ausgang am Arduino mit Masse kurz.
    Der 3,3 V Pin am Arduino sollte dann auch mit der äußeren rechten Reihe des Steckbretts verbunden werden.
    Sonst sendest Du statt 2,4 GHz nur smoke signals, die kann aber hier kein Mensch entziffern, wenn er kein Indianer ist.

    LG Gunter

  12. Gunter sagt:

    Nochmals danke Felix, für das Tutorial, hat mich auf die richtige Spur gebracht. Ich habe mir mal die Beispiele mit der rf24Network library angeschaut und getestet. Hiermit ließ sich ein Netzwerk aus vier Arduinos und einem Pi als Master ganz simpel lösen. Mit der sleep Funktionalität dieser lib kann man die Arduinos in einen Stromsparmodus versetzen, sobald sie nicht mehr senden müssen und das ermöglicht einen Langzeitbetrieb mit Batterien. Ich kann jedem diese Bibliothek nur empfehlen.
    Gunter

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