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25 ene 20 Integración de una estación meteorológica doméstica en el sistema de domótica

Estas Navidades me han regalado una estación meteorológica casera, de las que tienen capacidad para mostrar temperatura y humedad tanto en interior como en exterior, esto último mediante un módulo externo que se deja a la intemperie, y que transmite la información a la estación mediante señal de radio a 433 MHz. Aparte de por el regalo en sí, este tipo de estaciones me venía interesando desde hace bastante tiempo por el hecho de enviar la información utilizando la banda antes mencionada, de la que dispongo unos cuantos receptores. Así que en cuanto abrí el regalo supe que iba a invertir algo de tiempo en intentar integrar el sensor externo en mi sistema de domótica.

Mi nueva estación meteorológica

Mi nueva estación meteorológica

Tras investigar un poco sobre este tipo de estaciones, encontré que la mayoría de ellas hacen uso de protocolos de comunicación bien definidos y relativamente estandarizados, lo que hace que sea razonablemente sencillo encontrar información sobre las mismas, e incluso implementaciones de dichos protocolos para entornos linux o arduino. Dicho lo cual, empecé a hacer algunas pruebas de implementación de un sistema que permitiera recibir la información del emisor externo. Las primeras pruebas las hice con un receptor basado en arduino y un módulo 433 MHz, más la librería rc-switch que tan buenos resultados me había dado en el pasado. No fue este el caso, ya que al intentar capturar paquetes enviados por la estación el programa de captura de paquetes basados en esta librería producía un error de desbordamiento, siendo incapaz de recibir correctamente el datagrama. Hice algunas pruebas en bruto con otras librerías, entre las que se incluían algunas diseñadas específicamente para alguno de los protocolos de envío antes mencionados, con resultados igualmente infructuosos.

NodeMCU con receptor a 433 MHz y módulo externo de la estación

NodeMCU con receptor a 433 MHz y módulo externo de la estación

Ante ello, no me quedó más remedio que cambiar el enfoque. Tocaba acometer el problema desde una perspectiva más basica. Así que me tocó desempolvar un receptor RTL SDR que compré hace algún tiempo para un proyecto similar, e intentar hacer una captura del datagrama a nivel de onda enviada, e intentar decodificar la misma (tirando para ello de programas como Gqrx, audacity, y algo de tiempo. Sin embargo, tuve algo de suerte, y tras seguir investigando un poco más, encontré una referencia a un proyecto, rtl_433, que se dedica a decodificar el tráfico de dispositivos que envían información en esta banda.

Captura de pantalla de rtl_433 capturando tráfico

Captura de pantalla de rtl_433 capturando tráfico

Tras una instalación sencilla en mi equipo con Debian (apt install rtl_433), y tras conectar el receptor RTL SDR al mismo, tuve la suerte de que el programa tuviera perfectamente identificado el tipo de protocolo que mi estación estaba utilizando, en concreto el protocolo “Kedsum Temperature & Humidity Sensor, Pearl NC-7415″. Trasteando un poco con el programa, pude tener algo más de información sobre este protocolo, a saber:

Frame structure:
Byte: 0 1 2 3 4
Nibble: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Type: 00 IIIIIIII BBCC++++ ttttTTTT hhhhHHHH FFFFXXXX
- I: unique id. changes on powercycle
- B: Battery state 10 = Ok, 01 = weak, 00 = bad
- C: channel, 00 = ch1, 10=ch3
- + low temp nibble
- t: med temp nibble
- T: high temp nibble
- h: humidity low nibble
- H: humidity high nibble
- F: flags
- X: CRC-4 poly 0×3 init 0×0 xor last 4 bits

_Modulation = OOK_PULSE_PPM,
-Short_width = 2000,
-Long_width = 4000,
-Gap_limit = 4400,
-Reset_limit = 9400,

Bien, ya tenía identificado claramente el protocolo, y aquí puede verse una captura de la señal recibida:

root@asustinker:/etc/systemd/system# /usr/local/bin/rtl_433 -R 57
rtl_433 version 19.08-147-g639ab8a branch master at 202001210044 inputs file rtl_tcp RTL-SDR
Use -h for usage help and see https://triq.org/ for documentation.

Consider using “-M newmodel” to transition to new model keys. This will become the default someday.
A table of changes and discussion is at https://github.com/merbanan/rtl_433/pull/986.

Registered 1 out of 145 device decoding protocols [ 57 ]
Found Rafael Micro R820T tuner
Exact sample rate is: 250000.000414 Hz
[R82XX] PLL not locked!
Sample rate set to 250000 S/s.
Tuner gain set to Auto.
Tuned to 433.920MHz.
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
time : 2020-01-25 15:24:00
model : Kedsum Temperature & Humidity Sensor ID : 226
Channel : 1 Battery : OK Flags2 : 129 Temperature: 60.20 F Humidity : 78 % Integrity : CRC
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Bien, esto me planteaba dos problemas: el primero es que la información recibida de temperatura estaba expresada en grados Fahrenheit, por lo que necesitaba hacer una conversión a Celsius. Y por otro lado, el poder transmitir esta información a mi plataforma de domótica, preferentemente a través de MQTT. Este segundo problema quedó solucionado mediante la capacidad del programa rtl_433 de encapsular la información en un JSON, que puede ser retransmitido posteriormente. En mi caso, lo hice mediante un servicio linux que lanza el programa rtl_433 con las opciones adecuadas (formato JSON, protocolo 57 -Kedsum-, e incrustando la hora UTC), que mediante un pipe es procesado por el cliente MQTT mosquitto y enviado a mi servidor MQTT, a un topic específico:

“/usr/local/bin/rtl_433 -R 57 -F json -M utc | /usr/bin/mosquitto_pub -l -h servidor_mqtt -t topic”

…donde posteriormente es procesado gracias a Node Red, en el que se hace la conversión a Celsius, se obtiene también la sensación térmica, y se inyecta la información resultante en formato JSON en un topic específico:

var data=JSON.parse(msg.payload);
//Datagram example: {“time” : “2020-01-22 19:27:58″, “model” : “Kedsum Temperature & Humidity Sensor”, “id” : 226, “channel” : 1, “battery” : “WEAK”, “flags” : 66, “temperature_F” : 54.600, “humidity” : 79, “mic” : “CRC”}
temp_value=((data.temperature_F-32)*5/9).toFixed(2);
humidity=data.humidity;

HI = 0.5*(data.temperature_F + 61.0 + ((data.temperature_F-68.0)*1.2) + (humidity*0.094))
HIc = (((HI)-32)*5/9).toFixed(2); // converting to Celsius

var thing = {
temp: temp_value,
humidity: humidity,
heatindex: HIc
};
msg.payload=thing;

return msg;

…y el resultado de todo esto fue un… ¡exito! Pasé a conectar el receptor RTL SDR a mi Asus Tinker Board donde tengo implementado el sistema de domótica, con excelentes resultados. El sistema, emplazado en la segunda planta de casa, es capaz de recibir las señales del receptor externo emplazado en el patio.

Asus Tinker Board con receptor RTL SDR

Asus Tinker Board con receptor RTL SDR

Por otro lado, quedaba la integración en el sistema de domótica Home Assistant. En este caso, se trataba de alto tan simple como crear los nuevos sensores en base a la suscripción al topic MQTT de salida definido en el flujo Node Red. El resultado, como no podía ser menos, fue perfecto:

Información mostrada en Home Assistant de la estación meteorológica

Información mostrada en Home Assistant de la estación meteorológica

Gráfica de la información histórica recibida

Gráfica de la información histórica recibida

Este artículo podría haber quedado aquí, pero no me encontraba completamente satisfecho con el resultado, ya que me daba la impresión de que utilizar el receptor RTL SDR solo para este propósito era matar moscas a cañonazos. Mi idea originaria era usar un ESP8266 junto con un módulo RF de 433 Mhz para recibir estas señales, y decodificarlas en el mismo, para inyectar la información directamente en el servidor MQTT, y no tener que dar tantos saltos (RTL SDR -> JSON -> MQTT -> Node Red -> MQTT). No tuve éxito en encontrar una codificación del protocolo bajo el nombre de Kedsum, pero sí la tuve con Pearl NC-7415. Encontré un hilo en un foro de Arduino en alemán, que hablaba precisamente de ello: Dekodieren Temperatursensor von PEARL NC7427(NC7415) 433MHz. Gracias, Google Translate. :mrgreen:

En este hilo pude encontrar alguien que había decodificado exitosamente el protocolo, y que compartía el código. Lo descargué y lo probé y… ¡funcionaba perfectamente! Solo tuve que hacer una modificación menor para realizar la conversión de Fahrenheit a Celsius, calcular la sensación térmica, e inyectarlo en el topic MQTT (el original no hacía nada de esto, se limitaba a mostrar la información por pantalla). Y de nuevo, éxito:

Información recibida en ESP8266 y RF, enviada a servidor MQTT

Información recibida en ESP8266 y RF, enviada a servidor MQTT

Sin embargo, esta vía tiene un problema: el receptor apenas es capaz de recibir la señal cuando se encuentra a unas pocas decenas de centímetros del emisor externo. Así que en la práctica ahora mismo es inusable. He probado con varios formatos de antena acoplados al módulo (173mm de largo, en hilo recto, en espiral…) con resultados bastante pobres. Tengo encargada en aliexpress una antena específica, pero aún tardará algunas semanas en llegar. Espero poder reportar mejoras una vez la reciba. :D

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12 dic 15 Attiny85: módulo RF a 433 MHz, modo de bajo consumo, y cómo despertarlo con interrupciones

Hace ya bastante tiempo escribí algo acerca de un sistema de riego controlado por WhatsApp que estuve desarrollando. Se basaba en el uso de una Raspberry Pi que actuaba como cerebro del sistema de riego y de comunicaciones, permitiendo el control de todo el sistema mediante mensajería por WhatsApp. La Raspberry, a su vez, se comunicaba con los los relojes de riego mediante módulos de radiofrecuencia a 433 MHz, un sistema de comunicación barato y razonablemente efectivo. En el otro lado, como se comentó en su momento, la válvula de riego se controlaba con un chip Attiny85, programado mediante Arduino.

Como se vio en su momento, el sistema funcionaba razonablemente bien. Sin embargo, varios problemas me llevaron a un callejón sin salida. El principal de ellos, y del que hablaremos hoy, era el consumo del receptor Attiny85. Sobre el papel es un sistema de muy bajo consumo, óptimo para este tipo de funciones. Sin embargo, el sistema de control de la válvula de riego no dejaba demasiado espacio para una batería, así que la alimentación disponible era, como poco, reducida. Pronto se demostró el que el Attiny con el sistema de radiofrecuenca devoraba la batería. Ésta apenas duraba unas 48-72 horas. Y esto, en un sistema que se supone que ha de ser autónomo y con un bajo mantenimiento, era sencillamente inaceptable, sobre todo si lo comparamos con relojes de riego de jardón convencionales, que con un par de pilas AA o una pila cuadrada de 9v pueden funcionar de manera ininterrupida durante meses.

Probé varias soluciones, desde el uso inicial de una batería recargable de 9v hasta el uso de un panel solar con una batería de móvil incorporada. Éste último caso consiguió producir mejoras, llegando el sistema a funcionar durante una semana de manera ininterrumpida. Pero en cualquier caso, no era una gran mejora. Tocaba afrontar el problema de base: un exceso de consumo.

Batería cuadrada de 9v y panel solar con regulador

Batería cuadrada de 9v y panel solar con regulador

En efecto, el problema estaba provocado por un exceso de consumo. Tal y como estaba diseñado, el sistema estaba permanentemente a la escucha de señales por RF, en un bucle sin fin, dado que la señal de encender o apagar la válvula de riego podía darse en cualquier momento. Esta aproximación era, como poco, inadecuada desde el punto de vista del consumo.

Para mejorar esto, probé varias alternativas: desde emitir sólo en determinadas ventanas de tiempo, hasta desconectar la alimentación al módulo de radiofrencuencia y activarlo sólo durante varios segundos cada minuto. Opciones bastante malas, la verdad, ya que se basaban en la precisión de un reloj interno que, como es conocido, no es un prodigio de la precisión.

Otra posibilidad hubiera podido ser un método en el que el Attiny consultara a la Raspberry si había algún comando por ejecutar. Pero por desgracia, los módulos RF de 433 MHz son unidireccionales, por lo que hubiera sido preciso incorporar un emisor al Attiny y un receptor a la Raspberry, complicando de manera innecesaria todo el sistema. Finalmente, la solución vino de mano de dos elementos presentes en el Attiny. El modo sleep y el uso de interrupciones.

El Attiny85 dispone de varios modos de bajo consumo (sleep mode) que sirven para reducir el consumo del chip cuando está a la espera de algún evento. En el caso del Attiny85, puede reducir el consumo hasta en un 90%. Pero no se trataba sólo de dormir al chip, sino de ser capaz de despertarlo cuando se recibiera una recepción de datos en el módulo de RF. Y para ello, nos encontramos con las interrupciones.

Las interrupciones son eventos que provocan un cambio en el estado de reposo o ejecución de un programa -en este caso, un programa cargado en el Attiny85-. Hay interrupciones tanto hardware como software, siendo las hardware las provocadas por un evento externo al programa en sí. Dentro de las interrupciones hardware, en el caso de Arduino, podemos distinguir las interrupciones Externas, y las provocadas por un Cambio en el Pin. El nombre es un poco confuso, pues ambas son externas al chip en sí, pero mientras las Externas están limitadas a un número concreto de patillas en el chip, las de Cambio en Pin pueden ocurrir en cualquiera de las patillas. En el caso concreto del Attiny85, las Externas sólo se producen en el Pin2 (INT0, patilla 7), mientras que las de Cambio en Chip se pueden producir en cualquier otra patilla.

De hecho, es factible despertar al Attiny85 del modo de bajo consumo mediante el uso de interrupciones. En el caso concreto del artículo enlazado, se usa el Pin3 (patilla 7) -luego se usa el modo de Cambio de Pin- para despertar al chip del modo de bajo consumo, como he podido comprobar personalmente (el ejemplo se basa en el uso de un botón conectado a 5v). Sin embargo, a la hora de probarlo con el módulo de RF a 433 MHz el sistema no funcionaba. No era capaz de realizar cambios en el sistema.

A modo de recordatorio, el sistema de control de la válvula consiste básicamente en un relé que activa o desactiva la válvula en función del tiempo que se desea mantener activo el riego. Este relé está controlado por una de las patillas del Attiny, protegida mediante un optoacoplador.

Tras varias pruebas, pude averiguar que el problema estaba causado por una particularidad en el receptor del módulo RF. Sólo he sido capaz de hacerlo comunicar con el chip Attiny a través del del pin de Interrupción Externa (Pin2, INT0), por lo que el ejemplo referenciado anteriormente no resultaba válido. En mi caso, ha sido necesario hacer uso de la patilla INT0:

#include
#include
#include

RCSwitch mySwitch = RCSwitch();
const int rele = 4;
const int dataPin = 0; //INT0, PCINT2
void setup() {
pinMode(dataPin, INPUT);
digitalWrite(dataPin, HIGH);
pinMode(rele, INPUT);
mySwitch.enableReceive(dataPin);

// Flash quick sequence so we know setup has started
for (int k = 0; k < 10; k = k + 1) {
if (k % 2 == 0) {
pinMode(rele, OUTPUT);
}
else {
pinMode(rele, INPUT);
}
delay(250);
} // for
}

void sleep() {

GIMSK |= _BV(PCIE); // Enable Pin Change Interrupts
PCMSK |= _BV(PCINT2); // Use PB3 as interrupt pin
ADCSRA &= ~_BV(ADEN); // ADC off
set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN); // replaces above statement

sleep_enable(); // Sets the Sleep Enable bit in the MCUCR Register (SE BIT)
sei(); // Enable interrupts
sleep_cpu(); // sleep

cli(); // Disable interrupts
PCMSK &= ~_BV(PCINT2); // Turn off PB2 as interrupt pin
sleep_disable(); // Clear SE bit
ADCSRA |= _BV(ADEN); // ADC on

sei(); // Enable interrupts
} // sleep

ISR(PCINT0_vect) {
// This is called when the interrupt occurs, but I don't need to do anything in it
}

void loop() {

if (mySwitch.available()) {

sleep();
int value = mySwitch.getReceivedValue();

if (value == 0) {
// Serial.print("Unknown encoding");
} else {

pinMode(rele,OUTPUT);
delay(10000);
pinMode(rele,INPUT);
}
mySwitch.resetAvailable();
}
}

(Explicación rápida del ejemplo: Se declaran INT0 como receptor de RF, y el Pin4 como control del relé. Se realiza un ciclo de encendido y apagado del relé al inicio para mostrar que el programa ha iniciado, se declara la interrupción del modo de bajo consumo con INT0, y se pasa al bucle principal. Se espera a una interrupción, se comprueba que la señal RF recibida es correcta, y se enciende el relé durante 10 segundos)

Resultado: ¡éxito! No sólo el sistema funciona, sino que he podido comprobar una gran mejora en el consumo del sistema. Durante la fase activa del programa, en la que el relé está activo y se ha recibido la señal de radiofrecuencia, todo el sistema consume unos 9 mA. Cuando está en modo de bajo consumo, a la espera de recibir la señal, baja a niveles inferiores a 1 mA.

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