Приручение дикой зверушки: добавляем поддержку Homekit в «умную розетку» Redmond SkyPlug RSP-100S

Предыстория

Впервые про данную розетку я узнал из статьи Умная розетка Redmond SkyPlug RSP-100S Анализ конструкции и схемы электрической принципиальной. Выявление недостатков. Помню, что прочитав ее, в первую очередь заинтересовался схемой бестрансформаторного источника питания и тем, насколько компактно размещены элементы в корпусе розетки при том, что внутри полноценное реле, а не, скажем, симистор.

О каких-то попытках перепрограммировать Bluetooth-модуль и речи не было, тк программирование BLE устройств исторически было делом очень непростым. Вот пример: Разработка IoT устройств с использованием Bluetooth LE, явно не DIY уровень.

Однако, за прошедший год ситуация кардинальным образом изменилась…

Началось все с того, что индийский программист Sandeep Mistry (на фото)…


...портировал Wiring, он же Arduino framework, он же просто «ардуино» на чипы Nordic Semiconductor nRF51822 и nRF52832, написав до кучи еще и библиотеку BLEPeripheral для создания на вышеупомянутых чипах периферийных устройств с поддержкой BLE4.x

Потом компания Arduino AG (ex-arduino.org) вступила в коллаборацию с Nordic и выпустила плату Arduino Primo…


… основанную на чипе nrf52832. Интересно, как быстро вы найдете на плате собственно nRF52832 (подсказка: большой слева — это не он). Для совместимости с Ардуино плата использует код, созданный Сандипом, а самого его приняли в штат. Повторяется история с espressif, esp8266 и Иваном Грохотковым (igrr), где все так же начиналось с «народных» наработок.

Adafruit и Sparkfun вскоре тоже отметились выпуском плат на nRF52.



В общем, похоже, что семейство nRF5 (nRF51822 и nRF52832) сейчас самый «модный» чип среди всех мейджоров, которые определяют электронный DIY-рынок. Под «мейджорами» я имею в виду Arduino, Adafruit и Sparkfun. Азиаты в лице ITEAD или SEEED пока отстают, но, думаю, это ненадолго. По крайней мере, noname китайцы с Али вовсю штампуют модули на этих чипах, причем, если модули на nRF51822 были довольно несуразными, то модули на nRF52832 отличные.

Что же за чип такой примечательный и почему, судя по всему, у него есть большие шансы наконец-то заменить собой знаменитую atmega328 в DIY-поделках?

nRF5 SoC

Общее описание

nRF52832 — новая мощная, малопотребляющая и гибкая «система на кристалле» с поддержкой протоколов Bluetooth Smart, ANT и проприетарных стеков собственной разработки пользователя в частотном диапазоне 2.4GHz.

nRF52832 построен на 32-разрядном процессорном ядре ARM Cortex-M4F с 512kB Flash и 64kB RAM памяти. По протоколу работы nRF52832 полностью совместим с предыдущими сериями nRF51, nRF24L и nRF24AP производства Nordic Semiconductor.

Вот это тоже очень важно, например, у меня вся домашняя автоматизация сделана на nRF24L01 и такая обратная совместимость позволяет легко заменить комбинацию atmega328+nRf24 на один nRF5

Повышенная производительность процессора

nRF52832 содержит мощное процессорное ядро ARM Cortex-M4F, соответствующее требованиям многих требовательных к вычислительной производительности, но при этом компактных приложений, способных работать на одном кристалле. Ядро способно решать задачи цифровой обработки сигналов, выполнять операции с плавающей точкой, выполнять операции с мультиплексированием и накоплением в пределах одного рабочего цикла, аппаратно поддерживает энергетически эффективно реализованную операцию деления в вещественной и комплексной формах.

Мультипротокольная радио часть

Радиочасть 2.4 ГГц совместима со стеками протоколов Bluetooth Smart, ANT и любыми проприетарными стеками. Радио имеет встроенный регистр RSSI высокого разрешения с возможностью автоматической работы в режиме EasyDMA для прямого доступа к памяти в момент приема и передачи данных по радиоканалу. Nordic предоставляет стеки протоколов Bluetooth Smart, ANT и Gazel (2.4GHz) в качестве загружаемого контента на своем официальном веб-сайте.

Стек Bluetooth в версии Nordic называется SoftDevice, запомните это слово, оно нам сегодня еще встретится.

Энергетическая эффективность

nRF52832 является сверхмалопотребляющей системой на кристалле, способной использовать питание в диапазоне от 1.7В до 3.6В. Вся периферия и тактовые генераторы могут оперативно отключаться в автоматическом режиме с целью сведения энергопотребления до минимального уровня. Встроенное процессорное ядро имеет автоматизированную адаптивную систему управления энергопотреблением. Энергопотребление автоматически регулируется в зависимости от операций, выполняемых в данный момент процессорным ядром при обращении к периферийным устройствам таким образом, чтобы работали только те составные части системы, которые необходимы для выполнения текущей задачи.

Добавлю: возможность переназначения пинов, поддержка до 8 прерываний и прочая, прочая, прочая. Практически идеальный чип :)

Превращение начинается

Но вернемся к нашей розетке. Как выяснилось, она идеально приспособлена для DIY, не хуже, чем культовые модули Sonoff от ITEAD. Разъем для программирования любезно вынесен и обозначен как XP1:



Порядок пинов, естественно не подписан, но это не беда, ведь у нас есть схема. В ней есть одна маленькая неточность, правильный порядок пинов такой (слева направо):

• vcc
• swdio
• swdclk
• gnd

Отладочный интерфейс — SWD. Итак, поехали:

• В Arduino IDE заходим в Preferences и добавляем url sandeepmistry.github.io/arduino-nRF5/package_nRF5_boards_index.json в поле «Additional Board Manager URL»
  
  
• Устанавливаем поддержку nRF5 через Board Manager
  
  
• Устанавливаем библиотеку BLE Peripheral либо через Sketch|Libraries|Manage Libraries:
  
  
  
  Либо через скачивание и добавление через Add .zip library
  
  
• Выбираем плату Generic nRF51 и вариант 16kB RAM, 256kB flash (xxaa)
  
  
• Выбираем Softdevice: «S110»
  
  
• Кликаем на пункт меню nRf5 Flash SoftDevice (это достаточно сделать один раз, в дальнейшем можно заливать разные скетчи, не перепрошивая SoftDevice) Как вы помните, SoftDevice — это закрытый BLE-стек от самой Nordic, который обеспечивает высокоуровневый api для работы с Bluetooth
• Выбираем Low Frequency Clock:«RC Oscillator»
  
  
• Заливаем скетч
  
  
  Скетч

  #include <SPI.h>
  #include <BLEPeripheral.h>
  
  // LED pin
  #define LED_PIN 3
  #define ON_PIN 2
  #define AUTH_PIN 1
  
  BLEPeripheral blePeripheral = BLEPeripheral();
  
  BLEService ledService = BLEService(«19b10000e8f2537e4f6cd104768a1214»);
  BLECharCharacteristic switchCharacteristic = BLECharCharacteristic(«19b10001e8f2537e4f6cd104768a1214», BLERead | BLEWrite);
  
  void setup() {
  // set LED pin to output mode
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
  //pinMode(ON_PIN, OUTPUT);
  //pinMode(AUTH_PIN, OUTPUT);
  //pinMode(0, INPUT_PULLUP);
  
  blePeripheral.setLocalName(«LED»);
  blePeripheral.setAdvertisedServiceUuid(ledService.uuid());
  
  blePeripheral.addAttribute(ledService);
  blePeripheral.addAttribute(switchCharacteristic);
  
  blePeripheral.begin();
  }
  
  void loop() {
  BLECentral central = blePeripheral.central();
  
  if (central) {
  while (central.connected()) {
  if (switchCharacteristic.written()) {
  // central wrote new value to characteristic, update LED
  if (switchCharacteristic.value()) {
  // Serial.println(F(«LED on»));
  digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
  //digitalWrite(ON_PIN, HIGH);
  //digitalWrite(AUTH_PIN, HIGH);
  }
  else {
  //Serial.println(F(«LED off»));
  digitalWrite(LED_PIN, LOW);
  //digitalWrite(ON_PIN, LOW);
  //digitalWrite(AUTH_PIN, LOW);
  }
  }
  }
  
  }
  }
  
  
  
  Используя любой программатор с поддержкой SWD, например, SEGGER J-Link. Я использовал J-Link, встроенный в отладочную плату nrf52 Development Kit, он позволяет прошивать не только сам development kit, но и внешние платы.
  
  

На этом программирование собственно розетки можно считать законченным и она УЖЕ работает. Как это проверить?

• скачиваем программу BLEScanner
  
  
  
  → Ссылка для iOS:
  
  → Ссылка для Android
• В списке устройств находим Arduino и нажимаем Connect
  
  
• Далее кликаем на поле Custom Service
  
  
• И потом на поле Write Value. Теперь, если записать 01, реле включится, 00 — выключится.
  
  

Часть вторая Добавляем поддержку Homekit

К сожалению, пока не существует общедоступного способа прикрутить поддержку Homekit к BLE устройству напрямую. Это требует сертификации от Apple по программе Mfi, поэтому поддержка возможна только через прокладку в виде Homekit-сервер'a, самым известным из которых является Homebridge.

Устанавливаем сам homebridge

У меня успешно работает homebridge на Raspberry pi 2, но для целей данной публикации, я поставил еще один на Raspberry Pi Zero W (в подробности вдаваться не буду, если интересно, готов ответить на вопросы в комментариях)

sudo apt-get install npm
sudo npm install -g --unsafe-perm homebridge node-gyp

Устанавливаем BLE плагин

1) Ставим javascript библиотеку NOBLE от уже известного нам Сандипа Мистри, он и тут отметился:

sudo apt-get install bluetooth bluez libbluetooth-dev libudev-dev
sudo npm install -g noble

2) Ставим собственно плагин

sudo npm install -g homebridge-bluetooth

Конфигурируем Homebridge

Редактируем config.json в папке .homebridge. Если у вас Raspberry Pi 2, то она находится в домашней директории /home/pi

nano /home/pi/.homebridge/config.json

И заменяем его содержимое на


Запускаем homebridge в отладочном режиме (ключ -D, буква ПРОПИСНАЯ):

sudo homebridge -D

внимательно следим за сообщениями. Находим строчку “LED — Ignored” и выписываем оттуда BLE адрес нашей розетки (аналог MAC-адреса).

Альтернативный вариант: запускаем hcitool (утилита для работы с BLE-устройствами)

sudo hcitool lescan

и находим адрес в списке устройств.

Выходим, нажимая Ctrl-C. Меняем адрес в config.json на корректный:

nano /home/pi/.homebridge/config.json

Снова запускаем homebridge. В этот раз все должно быть ОК, и Homebridge с радостью распознает нашу розетку.

Заключение

Писать, как добавить новое устройство в Homekit, думаю, смысла, нет, об этом написано много, включая информацию на сайте самой Apple. Скажу только, что для этого удобнее пользоваться программой Elgato Eve, а не нативным приложением Home.

Использованные материалы:

1. Умная розетка Redmond SkyPlug RSP-100S Анализ конструкции и схемы электрической принципиальной. Выявление недостатков
2. Arduino Core for Nordic Semiconductor nRF5 based boards
3. homebridge-bluetooth plugin
4. noble A Node.js BLE (Bluetooth Low Energy) central module.
5. Решение nRF52832 Bluetooth smart