Raspberry Pi et réseau de capteurs sans fil
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- Sylvaine Labonté
- il y a 6 ans
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1 1. Introduction : Raspberry Pi et réseau de capteurs sans fil Nous souhaitons mettre en place une plateforme de réseau de capteurs à l aide de l Arduino et du Raspberry PI. Ainsi une carte Arduino, à laquelle on connectera toute sorte de capteurs, constituera un nœud faible puissance dont le rôle sera de transmettre les données du capteur au serveur représenté par le Raspberry PI. Notre objectif final sera de parvenir à un serveur Web affichant en temps réel la température stockée dans une base de données et qui sera obtenue à partir d un Arduino connecté par une liaison sans fil. Pour parvenir à cet objectif, je vous propose de suivre quelques étapes qui doivent vous permettre de comprendre les interactions entre les différentes technologies mises en œuvre. 2. Présentation du matériel : 2.1. Nœud de collecte des données : Carte Arduino UNO Le projet de logiciel et de matériel libre Arduino est aujourd hui une référence : Il met à disposition de l utilisateur tout un écosystème matériel (shields) et logiciel (IDE Arduino) permettant de réaliser rapidement et pour un coût modique (environ 20 ) une application à microcontrôleur. L Arduino UNO se Hervé Boeglen
2 connecte à l ordinateur via un port série et permet de commander facilement toute une série d actionneurs ou d acquérir des données de différents capteurs analogiques ou numériques et évidemment d effectuer des traitements sur ces données. Capteur de température DS18B20 de MAXIM Integrated Le DS18B20 a une gamme de mesure qui s'étend de -55 C à +125 C. Il transmet sa mesure directement en degrés Celsius, codée sur 16 bits sur un bus un fil (protocole OneWire) Nœud de centralisation, de traitement et d affichage des données : Carte Raspberry PI 2 Hervé Boeglen
3 Cette carte est bien plus performante qu un Arduino puisqu elle comporte notamment un processeur 4 cœurs de type ARM A7. La puissance est suffisante pour faire tourner un système d exploitation Linux offrant tous les éléments logiciels nécessaires à notre application. Cette carte présente également l avantage de disposer d un connecteur d E/S à 40 broches permettant de s interfacer avec de nombreux dispositifs extérieurs. Vous constaterez qu'il y a deux modes de numération des broches : le mode BCM et le mode BOARD. Il faudra en tenir compte dans les programmes que vous réaliserez 2.3. Liaison sans fil : Liaison radio à base de NRF24L01 Il s agit d une puce du fabricant Nordic Semiconductor qui permet des liaisons sur la bande ISM (2.4GHz dans ce cas précis) à un débit maximal de 2Mbits/s ce qui est amplement suffisant pour notre application. Hervé Boeglen
4 Ce module est de très faible coût (on le trouve à moins de 1 sur le web). Il communique avec n importe quel système en utilisant le protocole SPI. Dernier avantage et non des moindres : il existe une bibliothèque logicielle facilitant sa mise en œuvre sur l Arduino et le Raspberry PI. Il s agit de la bibliothèque RF24 : 3. Présentation de l application Il s agit de réaliser une liaison sans fil entre un Arduino équipé d un capteur DS18B20 et un Raspberry PI. Plus précisément : Le Raspberry PI équipé du module NRF24L01 envoie une requête conformément à un intervalle de temps déterminé à l Arduino équipé, du même module qui renvoie alors l information de température. Cette température est stockée dans une base de données présente sur le Raspberry PI. L évolution de la température issue de la base de données est consultable via une page web dynamique (affichage des données en temps réel). Cela nécessite évidemment un serveur web. Les images suivantes présentent des éléments du système (câblage, affichage des données côté Raspberry PI et affichage des requêtes côté Arduino). Hervé Boeglen
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7 Dans ce qui suit, je vous propose de passer par quelques étapes qui sont à mon sens les briques élémentaires qu il faut posséder pour parvenir au résultat final Communication USB série entre Arduino et Raspberry PI Réaliser une liaison série entre un Arduino équipé d un capteur de température DS18B20 et un Raspberry Pi qui affichera cette température dans une console série (logiciel minicom par exemple). On utilisera l un des ports USB du Raspberry PI. Nous aurons besoin de la bibliothèque OneWire (partie 3.2) qu il faudra installer dans l IDE (menu Croquis/Inclure une bibliothèque/gérer les bibliothèques) : La bibliothèque se trouve sur un serveur git à l adresse suivante : Attention au câblage du capteur sur l Arduino! Evidemment il faut d abord savoir comment envoyer une donnée sur le port série de l Arduino! Voici une page traitant de ce sujet : FAIRE VALIDER PAR UN ENSEIGNANT Hervé Boeglen
8 3.2. Brancher le DS18B20 directement sur le Raspberry PI Il est également possible de brancher un DS18B20 sur le Raspberry PI et d afficher la température depuis le PI. Utiliser la broche GPIO4 pour la réception des données. Ecrire un programme en Python ou en C qui affiche la température en degrés Celsius dans une console. On pourra s aider de la page suivante : ATTENTION la procédure indiquée dans la page précédente pour activer l interface OneWire sur le Raspberry Pi n est plus la bonne! Dans Raspbian Jessie avec PIXEL, il suffit de passer par le menu Préférences : Et d activer le Onewire par l interface graphique : Hervé Boeglen
9 FAIRE VALIDER PAR UN ENSEIGNANT 3.3. Prise en main de la librairie RF24 et des modules NRF24L01 Récupérer et installer la librairie RF24 sur le Raspberry PI et l Arduino : Sur le PI : $ mkdir nrf24l01 $ cd nrf24l01 $ git clone $ cd RF24 $ make $ sudo make install Sur l Arduino : Récupérer et installer la bibliothèque suivante RF24. Pour cela, dans l IDE Arduino, allez dans le menu Croquis/Inclure une bibliothèque/gérer les bibliothèques et rechercher RF24 : Hervé Boeglen
10 La bibliothèque se trouve sur un serveur git à l adresse suivante : Câblage des modules : Raspberry PI : Pin 19 = MOSI du Raspberry vers MOSI (pin 6) du nrf24l01. Pin 21 = MISO du Raspberry vers MISO (pin 7) du nrf24l01. Pin 23 = SCLK du Raspberry vers SCK (pin 5) du nrf24l01. Pin 24 = CS0 du Raspberry vers CSN (pin 4) du nrf24l01. Pin 22 = GPIO 25 du Raspberry vers CE (pin 3) du nrf24l01. Pin 1 = 3.3V PWR du Raspberry vers VCC (pin 2) du nrf24l01. Pin 6 = GND du Raspberry vers GND (pin 1) du nrf24l01. Arduino : Attention le module s alimente en 3.3V! Hervé Boeglen
11 Tester l exemple Gettingstarted dans les deux sens (PI-Arduino et Arduino-PI). Dans le cas du Raspberry Pi, il faut aller dans le sousrépertoire examples_linux du répertoire RF24, éditer le fichier gettingstarted.cpp et initialiser la radio avec ligne suivante : RF24 radio(rpi_v2_gpio_p1_22,rpi_v2_gpio_p1_24,bcm2835_spi_speed_8mhz); On terminera par un make pour générer l exécutable. Ne pas oublier d activer le SPI sur le Raspberry Pi! FAIRE VALIDER PAR UN ENSEIGNANT Allumer une LED située sur l Arduino à partir du PI. On pourra s inspirer de la page suivante : FAIRE VALIDER PAR UN ENSEIGNANT 3.4. Un serveur Web avec une base de données et un affichage de la température sous forme de graphique On choisira l une des deux solutions suivantes : Hervé Boeglen
12 La solution «à l ancienne» Dans ce cas, on pourra utiliser un serveur LAMP. L affichage des données de température en provenance de la base de données se fera en utilisant les Google Charts. Expliquer les mots/acronymes suivants : LAMP JavaScript CSS JSON La page suivante pourra vous aider : La solution conforme à l architecture REST (REpresentational State Transfer) Expliquer ce que représentent des RESTful Web services Réaliser la même chose qu en mais cette fois-ci en utilisant node.js, Express, Jade et MongoDB. Cela ne sera pas simple et il vous faudra d abord commencer par node.js pour lequel vous pourrez avoir un très bon tutoriel (en Français!) ici : Répondre aux questions suivantes : Qu est-ce qu Express et que permet-il de faire? Que permet de faire le middleware express.static? Qu est-ce qu un «template engine»? Expliquer la différence entre une base de données relationnelle et une base de données non relationnelle (ou NoSQL)? On pourra s inspirer de la page suivante : Hervé Boeglen
13 FAIRE VALIDER PAR UN ENSEIGNANT Hervé Boeglen
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