Usando o nRF24L01+ com o Raspberry Pi: Um datalogger - Parte 1

Vamos examinar neste post e no seguinte como ligar o módulo com o nRF24L01+ a um Raspberry Pi e usar o conjunto para registrar em um arquivo os dados recebidos através dele. Parecia um projeto simples, mas deu muito mais trabalho do que eu esperava (apesar de ter vários textos a respeito na internet). Não há nada mais frustrante que um rádio que não comunica: você não enxerga o que está acontecendo (a não ser que tenha ferramentas avançadas, o que não é o meu caso).

Hardware

Como já vimos, a comunicação com o nRF24L01+ é através de SPI. O Raspberry Pi possui uma interface SPI, o que dispensa implementar este protocolo via "bit-banging".

A conexão do módulo ao Raspberry Pi envolve 7 pinos do módulo:

• GND (1) e VCC (2) são a alimentação e devem ir para GND e 3V3 do Rasp Pi. Usei os pinos 25 e 17, que ficam próximos aos pinos do SPI.
• CE (3) pode ser ligado a qualquer pino de GPIO (entrada/saída digital). Usei o pino 22 (gpio25).
• CSN( 4) é ligado ao pino 24 (gpio8), que é o chip select da SPI0.
• SCK (5) MOSI (6) e MISO (7) são os sinais do SPI e correspondem aos pinos 23, 19 e 21 do Rasp Pi.
• IRQ (8) pode ser usado pela biblioteca pynrf24 (ver abaixo) e pode ser ligado a qualquer pino de GPIO. Usei o pino 18 (gpio24).

A figura abaixo mostra a montagem, vista pelo lado de cima do Raspberry (cuidado que os modelos B+ e 2 possuem mais pinos para baixo) e do módulo (cuidado que os pinos do módulo saem por baixo).

Software

É aqui que a coisa se complica. Encontrei algumas opções:

• A biblioteca RF24, que vimos com o Arduino, também suporta o Raspberry Pi. Neste caso a programação deve ser em C++. Esta biblioteca suporta três formas de interagir com o SPI:
• Através da biblioteca BCM2835, que acessa diretamente os registradores do processador. Este é o default da biblioteca. A biblioteca BCM2835 é sempre usada para acessar os pinos de GPIO.
• Através do spidev, que é um device padrão do Linux para acesso a interfaces SPI
• Através da biblioteca MRAA, que foi desenvolvida pela Intel para o Galileu e Edison e também está disponível para o Raspberry.
• A biblioteca pynrf24, um port para Python da biblioteca RF24 original (a partir da qual foi também desenvolvida a biblioteca acima). Ela permite desenvolver aplicações em python ao custo de uma menor performance (o que não é problema para o uso que pretendo dar). Usa spidev para acesso a interface SPI e RPi.GPIO para acesso ao GPIO

spidev

Se for usado o spidev, ele precisa ser habilitado no Raspberry Pi e o respectivo driver carregado. Uma forma de fazer isto é através do raspi-config:

sudo raspi-config
advanced options
spi
escolha Yes (enable  ARM I2C interface) e Yes ( I2C kernel module loaded by default)
Finish
Yes (reboot)

Você pode verificar que o SPI está disponível através do comando "ls /dev/spidev*". Devem ser apresentados dois dispositivos, o spidev0.0 e o spidev0.1.

Para terminar, vamos dar acesso a estes dispositivos para o usuário pi. A forma mais simples é acrescentar o usuário pi ao grupo spi:

usermod -a -G spi

A documentação da biblioteca RF24 fala que podem ocorrer problemas com o uso da biblioteca BCM2835 com o spidev habilitado, comigo funcionou numa boa.

Numeração do GPIO

Vamos confundir um pouco mais? O RPi.GPIO suporta dois tipos de numeração para os sinais de GPIO. A opção BOARD usa o número do pino no conector. A opção BCM usa o número do gpio conforme a documentação do processador.

Por exemplo, eu liguei o sinal CE ao pino 22 (BOARD) que corresponde ao gpio 25 (BCM). A biblioteca pynrf24 usa a convenção BCM.

A biblioteca BCM2835 usa sempre a convenção BCM e tem defines correspondentes aos pinos na forma RPI_modelo_GPIO_conector_pino onde modelo é o modelo do Raspberry, conector o código do conector na placa e pino o número do pino no conector. Isto pode ser confuso considerando que a maioria dos sinais são os mesmos no conector principal dos vários modelos.

Retomando o meu exemplo do sinal CE, ele corresponde aos defines RPI_GPIO_P1_22, RPI_BPLUS_GPIO_J8_22 e RPI_V2_GPIO_P1_22 todos com o valor 25.

Usando a biblioteca pynrf24

Esta aqui me deixou em transe por mais de uma semana. Alguns bugs e a pouca documentação me fizeram perder muito tempo até conseguir comunicar com um Arduino. No final acabei fazendo um fork do projeto no github com as minhas correções e outras alterações (https://github.com/dquadros/pynrf24). O meu fork ainda é um trabalho em andamento, principalmente a parte de documentação.

A pynrf24 requer (além do spidev que vimos acima) a instalação das bibliotecas RPi.GPIO e py-spidev.

sudo apt-get update
sudo apt-get install python-dev python-rpi.gpio
git clone https://github.com/Gadgetoid/py-spidev.git
cd py-spidev
sudo python setup.py install
cd ..
git clone https://github.com/dquadros/pynrf24.git
cd pynrf24
sudo python setup.py install

 O primeiro programa apenas inicia o módulo e lista os registradores:

from nrf24 import NRF24

radio = NRF24()
radio.begin(0,0,25,24)
radio.printDetails() 

 Reforçando, em begin deve ser usada a numeração BCM (gpio) dos pinos. O resultado que obtive foi:

Note que precisei rodar como root (através do sudo), devido ao acesso ao GPIO.  Uma versão futura do  python-rpi.gpio deve resolver isto.

Para finalizar esta primeira parte, vamos fazer um programa Python para detectar o pressionamento do botão em um Arduino com o meu software de teste e comandar à distância o LED:

from nrf24 import NRF24
import time

addrRx = "2Node" # ou [ 0x32, 0x4E, 0x6F, 0x64, 0x65 ]
addrTx = "1Node" # ou [ 0x31, 0x4E, 0x6F, 0x64, 0x65 ]

radio = NRF24()
radio.begin(0,0,25,24)
radio.openWritingPipe(addrTx) 
radio.openReadingPipe(1,addrRx)
radio.startListening()
radio.printDetails()
try:
    while True:
        pipe = [0]
        if radio.available(pipe, False):
            print "Rx"
            dado = []
            radio.read(dado)
            print dado
            radio.stopListening()
            radio.write(dado)
            radio.startListening()
        time.sleep(0.001)
except KeyboardInterrupt:
    sys.exit(0)    

 O resultado é que você aperta o botão e o LED ao lado acende (e você precisou de um Raspberry, um arduino e dois rádios para isto!).

Referências

Os links abaixo foram úteis durante este estudo:

http://raspi.tv/2013/rpi-gpio-basics-4-setting-up-rpi-gpio-numbering-systems-and-inputs
Uma apresentação rápida da numeração dos pinos de GPIO.

http://www.raspberry-projects.com/pi/pi-operating-systems/raspbian/io-pins-raspbian/spi-pins
Uma descrição curta do uso de SPI no Raspberry Pi.

http://forum.mysensors.org/topic/1151/tutorial-raspberry-pi-nrf24l01-direct-connection
Um exemplo de conexão do nRF24L01 a um Raspberry Pi, usando a biblioteca RF24

http://www.homautomation.org/2014/06/11/communicating-from-low-power-arduino-to-raspberry-pi-via-nrf24l01/
Outro exemplo de conexão do nRF24L01 a um Raspberry Pi, usando a biblioteca RF24, desta vez conversando com um Arduino.

https://www.raspberrypi.org/forums/viewtopic.php?f=45&t=85504
Falando um pouco no uso da pynrf24, no tempo em que ela ainda não suportava  o Raspberry Pi.
 
http://raspberrypi.stackexchange.com/questions/14293/connection-pi-arduino-through-nrf24l01-problem-with-integers Um pergunta simples, mas com um exemplo de uso da pynrf24 que funcionava com a versão da pynrf24 na época (março de 2014). Alterações posteriores da pynrf24 introduziram bugs e diferenças que impedem o funcionamento.

13/02/2016: Alterei as instruções de instalação para usar o meu fork.