Arduino与树莓派间的通信实践

吃瓜阿阳 2022-10-17 01:15:42

友情提示点击顶部放大镜可以使用站内搜索记住我们的地址 www.hainabaike.com

最近需要在Arduino之间，以及Arduino和上位机（树莓派）之间传输数据，
原有APC220设备虽然可用，使用也方便，但成本太高，不容易批量，遂寻求其他方案。

一、方案选择

根据搜索的结果和前人经验，有如下几种可行方案：

nRF24L01+（RF）
ESP8266（WIFI）
XBee (ZigBee)
ENC28J60（LAN）
W5100,W5500(LAN)

其中，Xbee为最优选，但成本太高。
LAN方案不方便，WIFI方案功耗高，蓝牙方案传输距离短，
故考虑RF方案，成本和效果平衡较好。
nRF24L01+价格便宜（5块左右，做工好带天线的15左右），编程简单，
且存在能同时支持树莓派、Arduino、Linux的RF24库。
Git连接为：https://github.com/TMRh20/RF24.git

便宜的（做工一般的）nRF24L01开发板：

二、接线

1、nRF24L01+引脚图

– 1：地
– 2：3.3V（切不可接5V，烧片）
– 3：CE（RF读写控制引脚）
– 4：CSN（选片引脚）
– 5：SCK（SPI时钟）
– 6：MOSI（SPI主出从入）
– 7：MISO（SPI主入从出）
– 8：IRQ（外部中断）

2、接线方法

编号	nRF24L01	Arduino Mega	Arduino UNO	Rpi(物理管脚）
1	GND			9
2	VCC			1
3	CE	7（可自定义）	7（可自定义）	15（GPIO22)
4	CSN	8（可自定义）	8（可自定义）	24（SPI0CS1)
5	SCK	52	13	23
6	MOSI	51	11	19
7	MISO	53	12	21
8	IRQ	–	–	–

接线示意图：
Arduino UNO

Arduino Mega

RaspberryPi3

三、代码 & 运行

RF24库中自带的GettingStarted例子非常方便，其代码包含发送端和接收端两种类型，
默认为接受模式，输入T时切换为发送，输入R则切为接受模式，并有简单的超时判断。
为了易于理解，可简单修正代码，让接收端返回一自增数字。

1、 Arduino
1）RF24库安装
从https://github.com/TMRh20/RF24.git下载RF24后，
将其复制到Arduino安装目录下的libraries目录下，启动ArduinoIDE后,从例子中选择RF24->GettingStarted。

2）代码修改
发送端不必修改，直接编译上传即可。（注意UNO和Mega的选择和串口选择）
接收端将代码中的radioNumber从默认的0修改为1。如下:

bool radioNumber = 0; （自身为2Node，发送给1Node）
  ->
bool radioNumber = 1;（自身为1Node，发送给2Node）

简言之，1Node为接收端，2Node为发送端。
建议：原代码中的got_time不易观察理解，
可将接收端中的got_time发送前赋值为一静态可增计数值。

3）运行
发送端启动后，输入T，使其进入发送模式。
接受端启动即可，无需输入R。（默认为R接收模式）
如上述配置接线正常，可在Serial Monitor中看到发送方和接收方的输出，大致如下：
发送方图（静态自增变量）：

2、树莓派(RaspberryPi)
本文中使用的树莓派为 16年新发布的RPi3 B型，其管脚如下：

1）RF库安装
将RF24库复制到树莓派（或通过git直接获取）。进入RF24目录后执行如下命令，进行编译和安装（选择SPI方式）

./configure --driver=SPIDEV
sudo make install -B

2）修改系统配置

修改/etc/modprobe.d/raspi-blacklist.conf，如果其中存在
blacklist spi-bcm2708，将其注释。

修改/etc/modules文件，在其中追加一行，开启SPI。
spidev

reboot重启树莓派后，/dev下会新增spidev0.0和spidev0.1两个设备文件。

3）代码修改
修改RF24/example_linux/GettingStarted.cpp文件，
同上面的Arduino一样，发送端不必修改，
接收端将radioNumber从默认的0修改为1，并建议吧回送的时戳数据改为自增数字。
在当前目录下执行make后，生成GettingStarted的二进制文件。

4）运行
使用sudo ./ GettingStarted执行，并输入0进入接收模式。
如Arduino的发送端配置、运行正常，则正常发送回应包。大致如下（自增变量版）：

四、注意&体会

便宜版本的nRF24L01效果一般，很容易受到干扰。带天线的会好些，真做项目不可图便宜。
接线要准确，SPI要理解下原理。CE、CSN其实是可以任意指定的，只是要修改下RF24的初始化代码。

五、RH24例子代码简单说明

以下是RH24（TMRh20）自带的Arduino例子，简单说明一下，
树莓派上为C语言实现的版本，变量、语法略有区别，但逻辑是基本一致的。

变量定义

bool radioNumber = 1;  // RF节点名称决定Flag

/* Hardware configuration: Set up nRF24L01 radio on SPI bus plus pins 7 & 8 */
// 指定CE用GPIO7，CSN用GPIO8，需要和接线一致
// 如接线不采用7,8，代码这里需要修改。
RF24 radio(7, 8); 

byte addresses[][6] = {"1Node", "2Node"}; // 两个节点名

bool role = 0; // 发送&接收模式Flag

初始化函数

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Serial.println(F("RF24/examples/GettingStarted"));
  Serial.println(F("*** PRESS 'T' to begin transmitting to the other node"));

  radio.begin();
  radio.setPALevel(RF24_PA_LOW);

  // Open a writing and reading pipe on each radio, with opposite addresses
  if(radioNumber){
    radio.openWritingPipe(addresses[1]);
    radio.openReadingPipe(1,addresses[0]);
  }else{
    radio.openWritingPipe(addresses[0]);
    radio.openReadingPipe(1,addresses[1]);
  }

  // 默认为监听模式，开始监听
  radio.startListening();
}

执行逻辑

void loop() {

/****************** Ping Out Role ***************************/  
  if (role == 1)  { // 发送模式

    radio.stopListening();  // 发送数据前要停止监听
    Serial.println(F("Now sending"));

    unsigned long start_time = micros(); // 待发送的时戳

    // RF24内部会自动处理payload和发送数据不等长的问题
    if (!radio.write( &start_time, sizeof(unsigned long) )){ // 发送数据
       Serial.println(F("failed"));
     }

    radio.startListening(); // 数据发送完，需要监听回应数据的到来

    unsigned long started_waiting_at = micros(); 
    boolean timeout = false; 

    while ( ! radio.available() ){  // 超时判断
      if (micros() - started_waiting_at > 200000 ){ 
          timeout = true;
          break;
      }      
    }

    if ( timeout ){  
        Serial.println(F("Failed, response timed out."));

    }else{ // 读数据并显示数据和间隔时间
        unsigned long got_time;  
        radio.read( &got_time, sizeof(unsigned long) );
        unsigned long end_time = micros();

        // Spew it
        Serial.print(F("Sent "));
        Serial.print(start_time);
        Serial.print(F(", Got response "));
        Serial.print(got_time);
        Serial.print(F(", Round-trip delay "));
        Serial.print(end_time-start_time);
        Serial.println(F(" microseconds"));
    }

    // Try again 1s later
    delay(1000);
  }

/****************** Pong Back Role ***************************/
if ( role == 0 )  { // 接收模式
    static long count = 1;  // 自增计数
    unsigned long got_time = 0;

    if( radio.available()){

      while (radio.available()) { // 读数据
        radio.read( &got_time, sizeof(unsigned long) ); 
      }

      got_time = count++;  // 为便于理解，回送自增计数值
      radio.stopListening(); 
      radio.write( &got_time, sizeof(unsigned long) ); // 写回应
      radio.startListening(); 
      Serial.print(F("Sent response "));
      Serial.println(got_time);  
   }
 }

/****************** Change Roles via Serial Commands ***************************/
if ( Serial.available() )  { // 发送&接收模式通过串口决定
    char c = toupper(Serial.read());
    if ( c == 'T' && role == 0 ){  // 发送模式
      Serial.println(F("*** CHANGING TO TRANSMIT ROLE -- PRESS 'R' TO SWITCH BACK"));
      role = 1;  

   }else
    if ( c == 'R' && role == 1 ){  //接受模式
      Serial.println(F("*** CHANGING TO RECEIVE ROLE -- PRESS 'T' TO SWITCH BACK"));      
       role = 0; 
       radio.startListening();    
    }
  }

} // Loop