Pojazd sterowany – nRF24L01

Pan Przemek dalej kombinuje z komunikacją radiową na bazie układu nRF24. Jako nową zabawkę dostał JoyShield-a do Arduino, o takiego:

Jest to bardzo ciekawy układ, bo nie dość, że ma joystick oraz 7 przycisków (4 duże, kolorowe, jeden w joysticku, oraz 2 małe – mikrostyki), to ma jeszcze adaptery na radiówkę nRF24 (i inne też, ale tego nie tykamy). Wszystko złożone w „kanapkę” może pełnić funkcję kontrolera – po przyczepieniu bateryjki 9V (np. gumką recepturką).

Tekstowy protokół — kodowanie

Bazujemy na protokole tekstowym – shield odczytuje położenie joysticka, oraz 5 przycisków (chwilowo nie obsługujemy wszystkich). Dane wysyłane są przez nRF24 jako tekst, a poszczególne pola oddzielone są średnikiem. Jedna paczka danych wygląda więc tak:

507;512;0;1;1;0;0;

gdzie pierwsza liczba określa położenie joy-a na osi X, druga na osi Y, a kolejne zera i jedynki to stan logiczny 5-ciu przycisków. Bardzo proste w utworzeniu tego napisu — dzięki klasie String i jego licznie przeciążonych konstruktorach, oraz operatorowi „dodawania”.

#include <SPI.h>
#include <nRF24L01.h>
#include <RF24.h>
 
RF24 radio(9, 10);//CE, CS
 
uint8_t rxAddr[6] = "grzyb";
 
void setup(){
  Serial.begin(9600);
  Serial.print("nRF24 INIT=");

  bool ok=radio.begin();
  Serial.println(ok);
  radio.setRetries(15, 15);

  radio.openWritingPipe(rxAddr);  
  radio.stopListening();

  //dla modulu JoyShield
  pinMode(2, INPUT);
  pinMode(3, INPUT);  
  pinMode(4, INPUT);  
  pinMode(5, INPUT);  
  pinMode(6, INPUT); 
}
 
char bufor[32];
String napis;
 
void loop(){
  //tworzymy napis wedlug naszego protokolu 
  napis = String(analogRead(A0)) + ";" + String(analogRead(A1)) + ";" + String(digitalRead(2)) + ";" + String(digitalRead(3)) + ";" + String(digitalRead(4)) + ";" + String(digitalRead(5)) + ";"  + String(digitalRead(6)) + ";";

  //przygotowujemy bufor -- tablice z napisem...
  napis.toCharArray(bufor, 32);

  //wazne! wysylamy bufor a nie napis!
  radio.write(&bufor, sizeof(bufor));
}

Ponieważ radio wysyła dane w postaci tablicy, nie możemy wysyłać obiektu napis. Dlatego korzystamy z metody toCharArray() klasy String i przekopiowujemy zawartość napisu do bufora – tablicy. W „eter” wysyłamy tablicę bufor.

Tekstowy protokół — odczyt

No właśnie, prostota użycia napisów pociąga za sobą „problem” odczytywania takich danych. W grę wchodzą bardzo przydatne metody klasy String:

• indexOf(napis) — zwracająca pozycję napisu w danym stringu (u nas napis to średnik, którym oddzielaliśmy liczby)
• length() — zwracająca długość stringu
• remove(od, do) — ucinająca napis od pozycji od do pozycji do
• substring(od, do) — zwracająca podciąg w danym napisie, od pozycji od do pozycji do
• toInt(napis) — zamienia napis na liczbę całkowitą (int)

Poniżej program dekodujący nasz protokół – czyli zamieniający napis na

int x,y;
byte b1,b2,b3,b4,b5;

Napis wczytany z klawiatury, przez komunikację szeregową – dzięki temu możemy testować nasz program na różne sposoby (o przeniesieniu tego kodu na radio — będzie za tydzień).

void setup() {
  //dane wprowadzamy z klawiatury przez Serial
  Serial.begin(9600);
}

String tekst;
String ciag;
char znak = ';';//separator pola
int x,y; //wspolrzedne x,y
byte b1,b2,b3,b4,b5;//stan 5 przyciskow
int k,l;//pomocnicze

unsigned long int t1,t2;

void loop() {
 if(Serial.available()>0){
    tekst=Serial.readString();
    Serial.println(tekst);

    t1=micros();
    k=tekst.indexOf(znak);
    ciag=tekst.substring(0,k);
    x=ciag.toInt();
    l=k+1;
    
    k=tekst.indexOf(znak,l);
    ciag=tekst.substring(l,k);
    y=ciag.toInt();  
    l=k+1;
    
    k=tekst.indexOf(znak,l);
    ciag=tekst.substring(l,k);
    b1=ciag.toInt();
    l=k+1;

    k=tekst.indexOf(znak,l);
    ciag=tekst.substring(l,k);
    b2=ciag.toInt();  
    l=k+1;

    k=tekst.indexOf(znak,l);
    ciag=tekst.substring(l,k);
    b3=ciag.toInt();  
    l=k+1;

    k=tekst.indexOf(znak,l);
    ciag=tekst.substring(l,k);
    b4=ciag.toInt();  
    l=k+1;

    k=tekst.indexOf(znak,l);
    ciag=tekst.substring(l,k);
    b5=ciag.toInt();  
    l=k+1;
    
    t2=micros();
    
    Serial.print("Pozycja X: ");
    Serial.println(x);
    Serial.print("Pozycja Y: ");
    Serial.println(y);
    Serial.print("PRZYCISK 1: ");
    Serial.println(b1);
    Serial.print("PRZYCISK 2: ");
    Serial.println(b2);
    Serial.print("PRZYCISK 3: ");
    Serial.println(b3);
    Serial.print("PRZYCISK 4: ");
    Serial.println(b4);
    Serial.print("PRZYCISK 5: ");
    Serial.println(b5);
    Serial.print("czas dekodowaia [mikrosekundy]= ");
    Serial.println(t2-t1);
  }//if
}//loop

Tekstowy protokół — szybkość dekodowania

Wielokrotne użycie powyższych funkcji powoduje, że odkodowanie napisu 507;512;0;1;1;0;0; i zamiana go na

int x, y;
byte b1,b2,b3,b4,b5;

zajmuje dla Arduino UNO od 260 do 550 mikrosekund (czyli ~0.5ms). A dlaczego nie jeden, równy czas? Bo w zależności od postaci dekodowanego napisu mikrokotrolerek musi więcej lub mniej pracować. Mniej „męczy” się w przypadku ciągu 1;1;1;0;0;0;0; a więcej w przypadku 1012;1017;0;0;0;1;1; Dobra, zrozumiałe. A czy to duży czas? Dla człowieka to nic, dla elektroniki sporo… Czy to nam wystarczy – czy nie spowoduje opóźnień (tzw „lagów”) w sterowaniu pojazdem? O tym przekonamy się po zastosowaniu tego protokołu do pojazdu (za tydzień).

Tekstowy protokół: modyfikacje — suma kontrolna

Można pomyśleć o rozbudowie naszego protokołu na dodatkowe „pole”, będące sumą kontrolą. Jeden z pomysłów to wysumowanie wszystkich danych (w końcu to liczby całkowite) i zapisanie tej sumy jako ostatni, dodatkowy element. Dla naszego przypadku wyglądałoby to tak: 507;512;0;1;1;0;0;1021; Po stronie odbiornika dekodujemy napis, liczymy sumę x+y+b1+b2+b3+b4+b5 i porównujemy z ostatnią wartością – nazwijmy ją sumak. A Jeśli nie ma równości… odrzucamy (ignorujemy) paczkę danych i czekamy na kolejną.

Tekstowy protokół: modyfikacje — protokół binarny

Lepiej by było stworzyć podobny protokół ale binarny, czyli nie bawić się w zapis liczb w postaci stringów, dodatkowo oddzielać je przecinkami tylko wysyłać x,y jako integer, a przyciski b1,b2,b3,b4 i b5 jako byte (nie 5 bajtów, a jeden – wszak 1 bajt = 8 bitów, mamy więc nadam zapas). Zyskujemy na tym mniejsze porcje danych – wszystkie informacje z JoyShielda to tylko 5 bajtów, a nie 14 (najlepszy przypadek) czy nawet 20 bajtów (najgorszy przypadek). No i nie ma zabawy w dekodowanie danych z wykorzystaniem metod klasy String… Ale to może przy innej okazji 😉

(c) K.G.