Das könnte dich auch interessieren: Textnachrichten mittels Lichtsignale senden

Eng mit diesem Artikel verbunden: Fehlererkennung bei der Datenübertragung

Ebenfalls relevant: Taktgeschwindigkeit für eine Datenübertragung festlegen in C

Liste der Bauteile

• 2x Raspberry Pi 4
• 2x 5V Solarzelle
• 2x 5V Laserdiode
• Jumper Kabel
• 3D Drucker
• Filament
• 2x 5V Lüfter
• NPN Transistor
• 2x ADC Board mit einem LM393

Verkabelung

Anders als bei der Verkabelung im letzten Artikel, in dem Textnachrichten mittels Lichtsignale von einem Pi zu einem Arduino gesendet wurden ( Link: https://nerd-corner.com/de/textnachrichten-mittels-lichtsignale-senden-pi-zu-arduino/ ), gibt es jetzt keinen definierten Empfänger und keinen definierten Sender. Es werden stattdessen zwei baugleiche Stationen aufgebaut, die sowohl Daten senden und empfangen können.

Aus diesem Grund werden die Raspberry Pi’s sowohl mit einem 5V Laser als auch mit einer 5V Solarzelle verbunden. Für den Laser wurde der GPIO18 Pin gewählt, welcher in der „wiringPi“ Library Pin 1 entspricht. Die „wiringPi“ Library wird im Programmcode verwendet. Direkt unter GPIO18 befindet sich ein Ground, welcher mit dem Minus Pol des Lasers verbunden wird.

Die Solarzelle liefert je nach Lichtintensität einen entsprechenden Spannungswert. Da die digitalen Pins des Raspberry Pi aber nur 1 und 0 erkennen können, muss mit Hilfe eines Komparators der analoge Wert der Solarzelle in einen digitalen Wert gewandelt werden. Der Vorgang wird genauer im Abschnitt „ADC Board mit einem LM393 Komparator“ erläutert. Für die Verkabelung wird der Plus und Minus Pol der Solarzelle mit den Plus und Minus Kontakten des ADC Boards verbunden. Anschließend wird der Ground des ADC Boards an einen Raspberry Pi Ground verbunden und für die Spannungsversorgung der Plus Pol des ADC Boards mit 5V des Pi verbunden. Der D0 Pin des ADC Boards liefert den digitalen Wert 0 oder 1, abhängig von der Lichtintensität der Solarzelle. Diesen Pin habe ich mit GPIO17, welcher in der „wiringPi“ Library Pin 0 entspricht, verbunden.

Da mir aufgefallen ist, dass der Pi im Betrieb sehr heiß wird, habe ich noch einen Lüfter angeschlossen. Damit der Lüfter sich nicht dauerhaft im Betrieb befindet, was sich negativ auf die Leistung des Lasers auswirken würde, kann der Lüfter durch einen NPN Transistor geschalten werden. Hierfür verbindet man den Plus Pol des Lüfters direkt mit einem 5V Pin des Raspberry Pi und den Minus Pol des Lüfters mit dem Emitter des NPN Transistors. Der Collector des Transistors wird mit einem Ground des Pi verbunden. Um nun den Lüfter über den Transistor ein- und ausschalten zu können wird die Transistor Basis mit einem GPIO Pin verbunden. Ich habe beispielsweise GPIO27 (entspricht in der „wiringPi“ Library Pin 2) gewählt. In der Nachfolgenden Tabelle werden die Pins des Pi der Nummerierung der „wiringPi“ Library gegenüber gestellt.

ADC Board mit einem LM393 Komparator

Die Solarzelle gibt abhängig von der Lichtintensität einen Spannungswert zurück. Leider hat der Raspberry Pi aber keine analogen Pins um diesen Spannungswert auszulesen. Daher muss das analoge Signal in ein digitales Signal umgewandelt werden. Mit Hilfe des LM393 Komparators ist das möglich. Dieser ist häufig auf ADC Boards verbaut. Hier habe ich einfach den ursprünglichen Sensor (es war ein Fotowiderstand) durch die Solarzelle ersetzt. Mit Hilfe eines Potentiometers kann der Komparator eingestellt werden. Das bedeutet, sobald der Spannungswert der Solarzelle, welcher von der Lichtintensität abhängt, den eingestellten Wert des Potentiometers übersteigt, wird eine digitale 1 gemessen, anderenfalls eine digitale 0.

Aufbau des Datenframes

Der Datenframe für das Versenden der Textnachrichten mittels visueller Lichtkommunikation (Link: https://nerd-corner.com/de/textnachrichten-mittels-lichtsignale-senden-pi-zu-arduino/ ) bestand aus einer Preamble, der Länge der Textnachricht, dem Textinhalt und der zyklischen Redundanzprüfung. Um aber statt Textnachrichten alle möglichen Arten von Daten verschicken zu können muss anstelle der Länge der Textnachricht der Dateiname, die Dateiendung, die Gesamtzahl der Pakete und die Nummer des aktuellen Pakets angegeben werden. Anschließend kann der Dateninhalt und der Code der zyklischen Redundanzprüfung angefügt werden.

Softwarecode für Datentransfer mittels VLC

Im Grunde wurden die Empfänger- und Senderskripte aus dem vorherigen Projekt zum Senden von Textnachrichten mittels visueller Lichtkommunikation (Link: https://nerd-corner.com/de/textnachrichten-mittels-lichtsignale-senden-pi-zu-arduino/ ) weiterentwickelt und zu einem gemeinsamen Skript zusammengefasst. Welches auf beiden Raspberry Pi’s Anwendung findet. Es wurde beispielsweise eine „ReadFile“ und „WriteFile“ Funktion ergänzt, welche Dateien einlesen und empfangene Datenpakete zu einer Datei zusammenfassen und abspeichern können. Das Programm wurde wieder in C geschrieben, da eine hohe Geschwindigkeit bei der Datenübertragung erreicht werden soll. Details zur präzisen Programmierung in C für eine schnelle Datenübertragung in diesem Beitrag: https://nerd-corner.com/de/wie-programmiert-man-einen-praezisen-timer-in-c-fuer-linux/

Der gesamte Softwarecode zum Datentransfer mittels VLC kann am Ende des Artikels heruntergeladen werden. Der Kern des Programms ist wieder eine State Maschine mit Hilfe derer ausgewählt werden kann, ob Daten gesendet oder empfangen werden sollen. Außerdem schaltet das Programm automatisch den Lüfter an, wenn keine Datenübertragung stattfindet. Wichtig: Beim Kompilieren bitte nicht die „wiringPi“ Bibliothek und die „math.h“ Bibliothek vergessen! Der Befehl lautet: „gcc -o transceiver transceiver.c -lwiringPi -lm“

while(1)
    {
        digitalWrite (2, HIGH);
        printf("Press the R button for Receiver Mode or any other key for Sender Mode\n");
        scanf(" %c",&mode);
        
        if (mode=='R'||mode=='r')
        {
            digitalWrite(2,LOW);
            modeReceiver=true;
        }
        
        if (mode!='R'&&mode!='r')
        {
            digitalWrite(2,LOW);
            modeReceiver=false;
            
            char dataName[NAME_MAX];
            char dataExtension[NAME_MAX];
            
               
            printf("\n Name of file WITHOUT extension: ");
            scanf("%s",dataName);

            printf("\n Extension: ");
            scanf("%s",dataExtension);

            if (read_file(dataName, dataExtension, file_content) != OK)
            {
                printf("File read error, size exceeds array size\n");
                return -1;
            }
            BuildDataFrame(dataName, dataExtension, file_content);
        }
        
        
        
        while(modeReceiver)
        {
            gettimeofday(&tval_after, NULL);
            timersub(&tval_after, &tval_before, &tval_result);
            double time_elapsed = (double)tval_result.tv_sec + ((double)tval_result.tv_usec/1000000.0f);
            
            while(time_elapsed < 0.001)
            {
                gettimeofday(&tval_after, NULL);
                timersub(&tval_after, &tval_before, &tval_result);
                time_elapsed = (double)tval_result.tv_sec + ((double)tval_result.tv_usec/1000000.0f);
            }
            gettimeofday(&tval_before, NULL);
            
            int data = digitalRead(0);
            
            
            switch (state)
            {
                case 0:
                    //looking for preamble pattern
                    synchro_Done=false;
                    LookForSynchro(data);
                    
                    if (synchro_Done==true)
                    {
                        state=1;
                    }
                    break;
                    
                case 1:
                    //receive the actual data
                    receiveData_Done=false;
                    senderState=false;
                    ReceiveData(data);
                    
                    if(receiveData_Done&&senderState==false)
                    {
                        state=0;
                    }
                    if(senderState==true){
                        senderState=false;
                        state=0;
                        modeReceiver=false;
                        }
                    break;
                  
            }
            
        }
    }

Gehäuse

Um die Komponenten an Ort und Stelle fixieren zu können, wurde im CAD ein Gehäuse konstruiert. Dies hat auch den Vorteil, dass keine komplizierte Ausrichtung der Laser und der Solarzellen für die Datenübertragung notwendig ist. Für Anfänger eignet sich TinkerCAD zum Gehäuse design. TinkerCAD ist kostenlos und kann direkt im Browser benutzt werden. Alternativ können die STL Files für den 3D Drucker auch hier heruntergeladen werden.

Das Gehäuse zum Datentransfer mittels VLC besitzt eine Öffnung für die Solarzelle und den Laser. Außerdem wurde ein Abluftschacht für den Lüfter konstruiert und zusätzlich Platz für ein Raspberry Pi Gehäuse frei gelassen. Im nachfolgenden Bild wird der Einbau der Komponenten dargestellt.

Fazit zum Datentransfer mittels VLC

Es wurde das bereits bestehende System zum Senden von Textnachrichten mittels visueller Lichtsignale weiterentwickelt, sodass jetzt alle Arten von Daten gesendet und empfangen werden können. Das System funktioniert erstaunlich erfolgreich. Es ist sehr robust und erreicht eine Datenrate von 1 kBit/s bis 10 kBit/s. Alle ankommenden Datenpakete können durch den intelligenten Aufbau des Datenframes direkt zugeordnet werden. Lediglich ein Acknowledgement Signal wäre noch eine sinnvolle Ergänzung. Ein solches Signal wäre eine Rückmeldung vom Empfänger an den Sender um dem Sender mitzuteilen, dass alle Pakete angekommen sind, oder eventuell ein bestimmtes Paket fehlerhaft war und erneut gesendet werden muss.

Ebenfalls interessant für die Zukunft wäre andere Modulationsarten auszuprobieren. Besonders das speziell für visuelle Lichtkommunikation erdachte Colour Shift Keying würde ich gerne näher untersuchen und die daraus resultierenden Datenraten vergleichen.

Dateien herunterladen:

• Softwarecode Transceiver
• STL files housing
• Pi Case with free pins (Creative Common License from Thingiverse)

The post Upgrade: Datentransfer mittels VLC und LiFi – Pi zu Pi Übertragung appeared first on Nerd Corner.

Zunächst möchte ich nur einzelne Textnachrichten in eine Richtung übertragen. In einem nächsten Schritt kann dies dann ausgeweitet werden um ganze Dateien bidirektional zu übertragen. Zum Empfangen der Nachrichten habe ich einen Ardunio ausgewählt, da dieser im Gegensatz zum Raspberry Pi analoge Eingänge besitzt und somit leicht mit analogen Sensoren verbunden werden kann. Zum Senden eignet sich ein Raspberry Pi, da hier nur digitale Pins benötigt werden und ein Pi allgemein leistungsfähiger bzw. schneller Daten übertragen kann. Das wurde bereits in den vorrangegangenen Posts zum Definieren einer Taktfrequenz beim Arduino und beim Raspberry Pi getestet. Alle Skripte zum Betrieb der VLC Kommunikation können am Ende des Artikels heruntergeladen werden. Die folgenden drei Blogposts stehen in direktem Zusammenhang zu diesem Projekt:

UPGRADE: ALLE ARTEN VON DATEN MITTELS VISUELLER LICHTKUMMUNIKATION ÜBERTRAGEN

So programmiert man die Taktfrequenz des Arduino: Timer Interrupts nutzen als Taktfrequenz.

So programmiert man die Taktfrequenz des Pi: Präzise Timer Funktion in C für den Pi.

So verhinderst man Fehler in der Datenübertragung: Mit CRC fehlerhafte Pakete erkennen.

Liste der Bauteile

• Arduino Uno
• Raspberry Pi 4
• 5V Solarzelle
• 5V Laserdiode
• Jumper Kabel

Verkabelung für die Visuelle Lichtkommunikation

Die Verkabelung gestaltet sich eher simpel. Die 5V Solarzelle ist sehr gut geeignet um Lichtsignale zu detektieren. Daher wird die Solarzelle mit dem Empfänger, also dem Arduino verbunden. Der Ground der Solarzelle wird mit einem Ground des Arduinos verbunden. Die Plusleitung der Solarzelle wird mit einem analogen Pin des Arduinos verbunden. Hier eignet sich beispielsweise A0.

Vom Raspberry Pi aus werden die Nachrichten über Lichtsignale des Lasers an den Arduino übermittelt. Hierfür wird der Ground einer Laserdiode (5V) mit einen Ground Pin des Pi verbunden (siehe Grafik). Anschließend wird die Plusleitung der Laserdiode mit einer der digitalen Pins des Raspberry Pis verbunden. Hier habe ich den GPIO17 Pin gewählt, welcher in der „wiringPi“ Library Pin 0 entspricht (siehe Grafik).

Als Alternative zu dem Laser und der Solarzellen Kombination kann auch eine LED und ein Photowiderstand genutzt werden. Allerdings eignet sich ein Laser besser für schnellere und präzisere Datenübertragung. Dazu bietet eine Solarzelle eine große Fläche um die Laserstrahlen zu detektieren.

Modulationsmethode On-Off-Keying

Die Textnachrichten werden im Binärcode als „1“ oder „0“ übertragen. Es gibt verschiedene Möglichkeiten diese Daten zu modulieren. Eine der einfachsten Möglichkeiten ist es eine identische Taktfrequenz für den Sender und Empfänger festzulegen. Dann wird in jedem Takt entweder eine „1“ oder eine „0“ übertragen.

Die Vorgehensweise nennt sich Aplituden-Shift-Keying. Wenn die Laserdiode besonders stark die Solarplatte anleuchtet wird das vom Empfänger als binäre „1“ detektiert. Wenn aber die Laserdiode nur schwach leuchtet wird das als binäre „0“ detektiert.

Tatsächlich macht es aber Sinn die Laserdiode gar nicht leuchten zu lassen für eine binäre „0“. Dann spricht man von On-Off-Keying. Das ist sozusagen eine Vereinfachung des Amplituden-Shift-Keyings. Die nachfolgende Grafik verdeutlicht den Unterschied zwischen Amplituden-Shift-Keying und On-Off-Keying.

Das bedeutet, immer wenn die Solarzelle Licht detektiert, wird ein entsprechender Spannungswert an den analogen Pin des Arduino übergeben. Wenn dieser Spannungswert einen vordefinierten Wert übersteigt, registriert der Arduino es als eine binäre „1“, ansonsten als binäre „0“. Es macht durchaus Sinn den vordefinierten Wert an das Tageslicht anzupassen. Eventuell mit Hilfe eines zusätzlichen Lichtsensors.

Arduino Code zum Nachrichten empfangen

//This is the "real" loop function
  switch (state)
  {
    case 0:
      //looking for synchronization sequence
      synchro_Done=false;
      lookForSynchro(data);

      if (synchro_Done== true)
      {
        state=1;
      }
      break;
    case 1:
      //receive Data
      receiveData_Done =false;
      receiveData(data);

      if (receiveData_Done==true)
      {
        state=0; 
      }
      break;
  }

Die Software des Arduino ist im Prinzip als State Machine aufgebaut. Es gibt zwei States. Ein State für die Synchronisierung und einer für das Auslesen der Textnachricht. Im State Synchronisierung wartet der Empfänger auf eine festgelegte Bitsequenz (Preambel) beispielsweise „10101010101111111111“. Diese Sequenz bedeutet, dass der Empfänger jetzt zuhören muss, weil eine Textnachricht folgt. Der vollständige Arduino Code kann am Ende des Artikels heruntergeladen werden. Die nachfolgende Grafik zeigt den genauen Aufbau der Datenpakete.

Sobald die Preambel erkannt wurde, wechselt der Empfänger automatisch in den zweiten State und empfangt die eigentliche Nachricht. Wobei jedoch die ersten 16 Bits der Textnachricht einer Dezimalzahl entsprechen, die dem Empfänger mitteilt, wie viele Zeichen die ankommende Textnachricht umfasst. Sobald diese Zahl erreicht wurde, wird der Text im Serial Monitor des Arduino ausgegeben und der State wechselt wieder zurück. Jetzt wird erneut auf die Synchronisierungsequenz gewartet. Der vollständige Softwarecode kann am Ende des Blog Artikels heruntergeladen werden. Zur Verbesserung der Übertragungsqualität kann noch eine zyklische Redundanzprüfung durchgeführt werden wie in der nachfolgenden Grafik.

Raspberry Pi Code zum Nachrichten senden

//Read message
        char msg[3000]; 
        int len, k, length;
       
        printf("\n Enter the Message: ");
        scanf("%[^'\n']",msg);
        
        len=strlen(msg);
        
        
        int2bin(len*8, 16); //len*8, because 8 bits are one byte
        
        for(k=0;k<len;k++)
        {
                chartobin(msg[k]);            
        }

Der Programmcode des Raspberry Pi muss in C geschrieben werden. Python wäre zu langsam und würde keine stabile Taktfrequenz zum Senden der Daten erreichen. Der vollständige Programmcode kann am Ende der Artikels heruntergeladen werden. Damit der Pi die Laserdiode steuern kann wird die „wiringPi.h“ library benötigt. Über „digitalWrite(0, HIGH)“ kann so die Diode eingeschalten werden und mittels „digitalWrite(0, LOW)“ wieder aus. Wichtig: Beim Kompilieren bitte nicht die „wiringPi“ library vergessen! Der Befehl lautet: „gcc -o simpleLaser simpleLaser.c -lwiringPi“

Am Anfang fordert das Programm mittels printf Funktion eine Textnachricht einzugeben. Diese wird mittels scanf Funktion eingelesen und gespeichert. Anschließend wird jeder Buchstabe in Binärcode umgewandelt und in einem Array abgespeichert. Die Umwandlung wird in der nachfolgenden Grafik gezeigt. Am Ende wird in einem festgelegten Takt der Binärcode aus dem Array übermittelt. Für eine binäre „1“ wird die Laserdiode eingeschaltet und für eine binäre „0“ wieder aus.

Fazit zum Projekt Visuelle Lichtkommunikation

Die Übertragung der Textnachrichten mittels Visuelle Lichtkommunikation funktioniert hervorragend. Dank der zyklischen Redundanzprüfung auch absolut fehlerfrei. Allerdings ist der Nutzen einer eindimensionalen Nachrichtenkommunikation eher gering. Es wäre besser, wenn jegliche Art von Dateien übertragen werden könnte und das in beiden Richtungen. Hier wird wohl bald ein Update folgen.

Dateien zum Herunterladen

• Arduino Code VLC to receive text messages
• Raspberry Pi code to send text messages with VLC

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Nachfolgend eine Erklärung wieso die Library „sys/time.h“ genutzt wurde, sowie ein Codebeispiel mit anschließender Erläuterung. Dieses Codebeispiel eignet sich sehr gut für bitweise Datenübertragung in der Kommunikationstechnik.

Das könnte Sie ebenfalls interessieren: Präzise Timer Interrupts für den Arduino programmieren!

Liste der Komponenten

• Linux Betriebssystem (zum Beispiel Raspberry Pi)
• Editor für C – Programmierung

Die Library „sys/time.h“

Funktionen wie „usleep()“ oder „nanosleep()“ würden das komplette Programm anhalten. Für einfache Anwendungen mag das vielleicht ausreichen, allerdings war das für meine Zwecke zu ungenau. Ich wollte einen Timer, der wirklich exakt im 1 ms Takt bzw. 0,1 ms Takt arbeitet. Deswegen wurde anstelle von „usleep()“ oder „nanosleep()“ eine andere Lösung gewählt. Die Library „sys/time.h“. Diese kann die aktuelle „System Clock Time“ (System Uhrzeit) auslesen und vergleichen.

Codebeispiel für präzisen Timer in C

#include <sys/time.h>

int main()
{
    struct timeval tval_before, tval_after, tval_result;
    int counter=0;
    bool stop=false;
   
    gettimeofday(&tval_before, NULL);
    while(stop!=true)
    {
        gettimeofday(&tval_after, NULL);
        timersub(&tval_after, &tval_before, &tval_result);
        double time_elapsed = (double)tval_result.tv_sec + ((double)tval_result.tv_usec/1000000.0f);
        
        while(time_elapsed < 0.001)  //1ms; you can change your desired time interval here
        {
            gettimeofday(&tval_after, NULL);
            timersub(&tval_after, &tval_before, &tval_result);
            time_elapsed = (double)tval_result.tv_sec + ((double)tval_result.tv_usec/1000000.0f);
        }
        gettimeofday(&tval_before, NULL);
        
        if (counter==10000)
        {
            stop=true;
        }
            
        else 
        {
            counter++;
        }
    }
    return 0;
}

Erklärung zum Codebeispiel:

Eine Funktion „gettimeofday“ schreibt die aktuelle System Uhrzeit in die Variable „tval_before“. Eine While Schleife wird anschließend solange ausgeführt bis die eigentliche Aufgabe erledigt ist.

Innerhalb der While Schleife wird als Erstes erneut die System Uhrzeit in eine Variable „tval_after“ abgespeichert. Anschließend wird die zeitliche Differenz zwischen „tval_after“ und „tval_before“ gemessen und in „tval_result“ abgespeichert.

Der nächste Schritt des Timers in C erschließt sich nicht sofort auf den ersten Blick: „tv_result“ besteht per Definition aus 2 Teilen. Zum einen ein Sekunden Anteil „.tv_sec“ und zum anderen ein Mikrosekunden Anteil „.tv_usec“. Eben dieser Mikrosekundenanteil muss erst noch durch eine Million geteilt werden, damit man den Wert in Sekunden erhält. Anschließend, kann der Mikrosekundenanteil zum Sekundenanteil addiert werden.

Der addierte Wert wird im Code als „time_elapsed“ bezeichnet. Falls dieser Wert kleiner als eine Millisekunde ist, wird eine weitere innere While Schleife geöffnet, die solange den Wert für „time_elapsed“ neu berechnet, bis exakt 1 ms vergangen ist. Anschließend wird mittels der „gettimeofday“ Funktion der Wert für „tval_before“ neu festgelegt.

Da zu diesem Zeitpunkt exakt 1 ms vergangen ist, kann der Timer nun seinen eigentlichen Arbeitsschritt ausführen. In diesem einfachen Codebeispiel wird lediglich eine Variable „counter“ um 1 erhöht. Das bedeutet für jeden Intervallschritt (im Codebeispiel 1 ms) erhöht sich der counter um 1. Sobald ein festgelegter Wert für counter erreicht wurde stoppt das Programm. In diesem Fall ist der festgelegte Wert 10000. Anschließend wird die While Schleife beendet. Aber dieser Teil des Codes kann natürlich problemlos für die eigenen Zwecke angepasst werden.

Meine Messungen mit dem Oszilloskop haben eine exakte Frequenz von 1 ms gemessen, sogar 0,1 ms wurde exakt gemessen. Dieses Codebeispiel eignet sich deswegen auch sehr gut für eine exakte Datenübertragung in der Kommunikationstechnik.

Dateien herunterladen

• Downloadfile Timer in C

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