TinkerForge: Einstieg mit Master Brick 2.1, WIFI Master Extension 2.0 und Voltage/Current Bricklet 2.0

TinkerForge ist eine deutsche Firma aus Schloß Holte-Stukenbrock, die sich seit 2011 bemüht, die Arbeit mit eingebetteten Systemen zu vereinfachen. Ein Stecksystem erübrigt den Griff zum Lötkolben und  detaillierte Kenntnisse in Elektronik werden überflüssig. In diesem Artikel möchte ich testen, in wie weit dies gelungen ist und meine persönliche Erfahrung beschreiben.

Einführung

TinkerForge setzt konsequent auf den Open Source Gedanken und veröffentlicht den Quellcode und weitere Informationen zu den einzelnen Produkten im Firmenaccount auf Github in aktuell 178 Repositories.

Um das Ziel der Vereinfachung zu erreichen, setzt TinkerForge auf ein Baukastensystem aus Bricks, Bricklets und Master Extensions.

Bricks und Master Extensions besitzen eine einheitliche Grundfläche von 4x4cm und werden über den Stack Connector zu Stapeln verbunden. Der wichtigste Brick ist dabei der Master Brick, dieser erfüllt mehrere Aufgaben. Zum einen ermöglicht er den Anschluss von bis zu 4 Bricklets,  bietet die direkte Kommunikation via USB zu einem PC und dienst als Master der Kontrolle des Stapels (nur der Master Brick, um unteren Ende des Stapels dient als tatsächlicher Master, die anderen bieten dann nur  den Anschluss von weiteren maximal 4  Bricklets). Weitere Bricks erlauben den direkten Anschluss von Gleichstrommotoren, Modellbauservos und Schrittmotoren oder dienen als 9-Achsen Lagesensor (IMU Brick). In der Dokumentation findet sich eine Liste der Bricks neben einer Liste der Master Extension.

Bei den Bricklets wird bewusst auf ein einheitliches Format verzichtet, da so ganz unterschiedliche Sensoren, Aktoren, Konverter zu anderen Bussystemen und verschiedenen Mensch-Maschine-Schnittstellen verbunden werden können. Eine vollumfängliche Liste der Bricklets findet man sich in der Bricklet-Dokumentation. Verbunden werden die Bricklets mit vorkonfektionierten Kabeln unterschiedlicher Längen von 6cm bis zu 2m.

Allen Modulen gemein ist ein Raster der Befestigungslöcher von 5mm, zur Befestigung bietet Tinkerforge Montageplatten für den schnellen Aufbau auf dem Schreibtisch an.

Tinkerforge bietet aktuell für 14 Sprachen (davon 3 als spezielle Ausprägungen für mobile Geräte) fertig APIs an. Diese basieren alle auf dem TCP/IP Protokoll, deshalb sollte eine Adaption für weitere Sprachen durchführbar sein (Swift fehlt zum Beispiel in der Liste der unterstützten Sprachen bisher).

Persönliche Erfahrung

Für den Einstieg entschied ich mich für folgende 3 Module:

Das Ziel ist die kombinierte Messung der von einer Solarzelle gelieferten Spannungs- und Stromwerte und der Transfer in ein Grafana.

Bestellt habe ich direkt bei TinkerForge, geliefert wurde ohne Aufschlag bereits am nächsten Tag.

Installation des Brick Daemon (brickd)

Der Brick Daemon abstrahiert als Systemdienst die Kommunikation zwischen den APIs und dem Master Brick über USB. Den Quellcode findet man im brickd-Repository und Pakete für Debian-artige Distributionen zum Download auf tinkerforge.com.

Allerdings ist die Standardkonfiguration des suboptimal, da auf allen IP Adressen des Rechners ohne Authentifizierung gelauscht wird. Hier sollte man sich doch eher auf localhost 127.0.0.1 beschränken. Dies kann nachträglich in der Datei /etc/brickd.conf mit der Option listen.address angepasst werden. Zusaetzlich habe ich einen Pull-Request erstellt, der das Default anpasst.

Nach der Einrichtung der WIFI Master Extension kann jedoch direkt deren IP Verbindung genutzt werden und der brickd wird obsolet.

Installation des Brick Viewer (brickv)

Der Brick Viewer ermöglicht den Zugriff auf auf lokal angeschlossene Bricks über USB und auch per IP auf entfernte Bricks. Auch hier ist der Quellcode im entsprechenden brickv-Repository zu finden, deb-Pakete finden sich als Downloads auf tinkerforge.com.

Leerer Master Brick
Setup-Reiter eines Master Brick ohne weitere Module

Der Brick Viewer zeigt bei einem einzelnen Master Brick natürlich noch nicht viele Informationen an:

Update Dialog
Dialog zum Aktualisieren der Firmwares

Allerdings ist schon jetzt eine Verbindung via USB möglich und es kann zum Beispiel ein Update der Firmware vorgenommen werden (Changelog).

Schließt man nun den Voltage/Current Bricklet 2.0 an einen beliebigen Port des Master Bricks an, so wird dieser automatisch erkannt.

Master Brick mit Voltage/Current Bricklet 2.0
Setup-Reiter eines Master Brick mit angeschlossenem Voltage/Current Bricklet 2.0

Hat man nun der Beschriftung des Bricklets entsprechend die Stromquelle und den Verbraucher angeschlossen, so kann man auf dem entsprechendem Reiter sofort mit der Messung beginnen.

Erste Messung
Einfache Graphen im Brick Viewer

Über die Funktion “Data Logger” im Setup-Reiter kann bereits jetzt mit einer dauerhaften Aufzeichnung von Daten in eine CSV-Datei begonnen werden. Allerdings ist eine USB Verbindung für eine Messung am Fenster (mit der Solarzelle) nicht praktikabel.

Eine Möglichkeit wäre eine der vielen Bastelplatinen mit USB und WLAN zu verwenden oder man greift zur WIFI Master Extension 2.0. Diese ersetzt die USB-Verbindung und den lokalen Brick Daemon durch ein WLAN Modul.

Aufbau des Stapels

Die Bricks und Master Extensions werden über die mitbestellten Befestigungskits verschraubt, nachdem die Module korrekt ausgerichtet worden (man beachte die weiß markierten Ecken!).

Master Brick und WIFI Master Extension 2.0
Stapel aus Master Brick und WIFI Master Extension 2.0

Auch die WIFI Master Extension wird direkt im Brick Viewer erkannt:

WIFI Konfiguration
Konfiguration der WIFI Master Extension 2.0 im Brick Viewer

Nach der Konfiguration als WLAN-Client (General und Mode) muss noch das richtige WLAN ausgewählt werden. Anschließend kann über “Show Status” geprüft werden, ob die WLAN Einrichtung erfolgreich war und welche IP der Stapel bekommen hat. Die kann man dann zur Kommunikation zwischen Brick Viewer und dem Stapel verwenden.

Nutzung der Python API

Das Modul installiert man einfach mit pip:

pip install --user tinkerforge

Folgendes Skript öffnet zunächst eine IPConnection zu dem aufgebauten Stapel über die WIFI Master Extension. Anschließend wird auf das angeschlossene Bricklet zugegriffen und sekündlich die Werte für Spannung, Stromstärke und Leistung ausgegeben.

HOST = "192.168.178.203"
PORT = 4223
UID = "FKC"

from tinkerforge.ip_connection \
    import IPConnection
from tinkerforge.bricklet_voltage_current_v2 \
    import BrickletVoltageCurrentV2
from time import sleep

if __name__ == "__main__":
    ipcon = IPConnection() 
    ipcon.connect(HOST, PORT) 

    vc = BrickletVoltageCurrentV2(UID, ipcon) 

    while True:
        voltage = vc.get_voltage()/1000.
        current = vc.get_current()/1000.
        power = vc.get_power()/1000.

        print(str(voltage) + " V " + \
              str(current) + " A " + \
              str(power) + " W")
        sleep(1)

Weitere Dokumentation zur API findet sich auf der Webseite von Tinkerforge.

Fazit

Mit den Bricks und Bricklets von TinkerForge erhält man ein einfach zu verwendendes Modulsystem. Die Verarbeitung der Module wirkt qualitativ hochwertig. Dies und die einfache Handhabung durch die unterstützende Software rechtfertig in meinen Augen den leicht höheren Preis. Auch die Auswahl der bereits jetzt existierenden Module lädt zu weiteren Experimenten ein.

Cubieboard 3 und HDMI

Nachdem ich mein Cubieboard 3 aka Cubietruck noch mal an meinen TV per HDMI anschließen wollte, habe ich fest gestellt, dass zwar auf dem VGA Port ein Bild ausgegeben wurde, nicht aber auf dem HDMI Port.

Nach ein bisschen Suchen im Internet nach “cubietruck hdmi not working” findet man recht schnell eine Seite mit Informationen zum Cubietruck und der Bildausgabe. Die genauen Werte für die Aktivierung des HDMI Ports findet man im FEX Guide.

Installiert werden die benötigten Tools bin2fex und fex2bin unter Debian mit

apt-get install sunxi-tools

Anschließend kann man mit

bin2fex /boot/script.bin > /root/script.fex

die .bin Datei in eine les- und editbare .fex-Datei umwandeln. Nun kann man die Datei nach den eigenen Wünschen und Bedürfnissen angepasst werden. In meinem Fall wird mit screen1_output_type=1 und screen1_output_mode=10 die Bildausgabe per HDMI in 1080p60 aktiviert:

[disp_init]
disp_init_enable = 1
disp_mode = 1
screen0_output_type = 4
screen0_output_mode = 4
screen1_output_type = 3
screen1_output_mode = 10

Anschließend mit

fex2bin /root/script.fex > /boot/script.bin

die .bin-Datei mit den Änderungen neu erzeugen und neu starten. Nun sollte das Bild per HDMI dargestellt werden.

Symlinks für Geräte mit udev erstellen

USB Geräte, die in irgendeiner Form RS232 sprechen oder so tun als ob, bekommen normalerweise Einträge im dev-Verzeichnis wie

  • /dev/ttyUSB* oder
  • /dev/ttyACM*

Leider ist eine eindeutige Zuordnung (Gerät X bekommt immer /dev/ttyACM5 o.ä.) nicht gegeben. Man musst also immer erst einmal “nachsehen” (dmesg oder lsusb).

Eine Alternative bietet udev an. Dazu erstellt man udev-Regeln, am besten in einer eigenen Datei im Verzeichnis /etc/udev/rules.d.

Beispiel für einen Adapter USB auf RS232 mit einem pl2302 von Prolific Technology Inc. Dieser hat Vendor-ID 067b und Product-ID 2303.

SUBSYSTEM=="tty",ATTRS{idVendor}=="067b",ATTRS{idProduct}=="2303",SYMLINK+="pl2303"

Man erhält mit einem ls -hal /dev/ folgende Ausgabe:

lrwxrwxrwx 1 root root 7 Nov 21 18:19 /dev/pl2303 -> ttyUSB1

Man kann nun statt /dev/ttyUSB1 (wechselndes Device) immer den Symlink /dev/pl2302 (konstant) verwenden. Das lästige Suchen entfällt somit.

(Dieser Beitrag basiert auf diesem Blog und wurde natürlich angepasst)

AM2302/DHT22 auf RS232 Adapter

Um der Arietta G25 einen praktischen Nutzen zu verleihen, soll sie als Logger für Temperatur und Feuchtigkeit benutzt werden. Hierzu soll der Sensor AM2302/DHT22 über UART angebunden werden.

Als Adapter habe ich mich für einen minimalistischen ATTINY45 (den hatte ich noch) entschieden.

Das entsprechende Projekt findet man auf GitHub: https://github.com/shing19m/AM2302-ATTINY45-RS232

 

Arietta G25 und das WPA-WLAN

Das Arietta G25 ist ein Embedded Linux Board mit:

  • 400Mhz ARM-9 CPU Atmel AT91SAM9G25
  • 128 oder 256 MByte DDR2 RAM
  • MicroSD Karten Slot für bis zu 64 GB
  • Debug-Port für optionales Debug-Modul
  • 3 USB Ports (1 Port für optionales WLAN reserviert)
  • 20×2 Pin Header im 2,54 mm für
    • I2C
    • USB
    • UART
    • PWM

Die komplette Liste der Ausstattung findet man auf der Herstellerseite.Das WLAN Modul WIFI-2-IA mit RaLink RT5370N kann fest auf die Basisplatine gelötet werden und belegt dann einen der 3 USB-Ports.

Anschließend kann man sich auf der Arietta einloggen (entweder per ssh über USB-LAN oder über serielle Konsole und den Debug-Port). In beiden Fällen ist das voreingestellte Passwort für den root-Nutzer “acmesystems”.

Mit wpa_passphrase SSID PASSWORT kann man sich den notwendigen Wert für die Konfiguration in /etc/network/interfaces berechnen lassen. Als Ergebnis erhält man:

network={
        ssid="SSID-WERT"
        psk=PSK-WERT
}

Daraus ergibt sich für WLAN0 folgendes:

auto wlan0
iface wlan0 inet dhcp 
        wpa-ssid "SSID-WERT"
        wpa-psk PSK-WERT

Dabei sind die Anführungszeichen zu beachten. Mit ifup wlan0 kann die Schnittstelle aktiviert werden und sollte sich dann per DHCP eine IP-Adresse und Default-Route erhalten.