SX1308 とは

http://www.suosemi.com/ 深圳市硕芯科技有限公司という会社のもの

オン抵抗 80mΩ パワーMOSFETがビルトインされている。

Wireshark

https://www.wireshark.org/

airportd sniff での結果は Wireshark で解析することができます。.cap ファイルを Wireshark の File → Open… から選択するだけです。

接続先が接続元の Mac アドレスでフィルタする場合、wlan.da == ff:ff:ff:ff:ff:ff や wlan.sa == ff:ff:ff:ff:ff:ff でできます。

該当するようなパケットが見つかっているなら、右クリックでフィルタとして適用とできるようになっています。

WPA2-PSK の解析

WiFi の経路は暗号化されているので、そのままだとIEEE802.11 フレームは読めますが、イーサネットフレームは読めません。しかしこれも Wireshark に適切に設定をすることで解析可能になります。

http://jorisvr.nl/wpapsk.html ここにSSIDとPassphrase を入れてでてくる16進数文字列をコピーしておきます。

Preferences… → Protocols → IEEE802.11 → Decryption Keys

type を wpa-psk として、Key にコピーした16進数文字列を入れます。

これで OK を押すと既存の解析結果も更新され、デコード可能ならデコードされます。

接続先は vdu.wellnesslink.jp

WiFi パケットの解析をしてみたところ、ちゃんと TLS を使っているようでした。なので透過プロキシやら何やらを挟むことはできません。

体重データは人によってはセンシティブな個人情報ですから、TLS を使うのは当然でしょう。

一方、サーバサイドのサービスが終了してしまったとき、このデバイスの WiFi 機能は完全にゴミになります。自分の所有するデバイスの管理を自分でできないわけですからちょっと気持ち悪いところがあります。

備考

リファレンスの IO#ioctl には以下のように書いてあるんだけど、意味がわからなかった……

節電モニター

(国内だと節電モニター「はやわかり」という商品名のもの)

500 Can't connect to lowreal.net:443 (certificate verify failed) のとき買って、設置をしてはいたものの、十分に活用していたとはいえない状態でした。電気使いすぎのときにアラートを鳴らしていて、ブレーカーが落ちる1歩手前で気付けるというのが現状では最大の活用でした。

しかし、せっかく USB 端子があってデータが読み出せるのだから、自動的にグラフ化したくなってきました。ちなみにこの製品には Windows 版のかなりデキの悪いソフトウェアが付属していますが、正直常用できるようなものではありません。

製品の詳細を調べる

この製品はどうやら、以下のものと同一のようです。

• http://www.theowl.com/energy-monitors/standalone-monitors/owl-usb/

USB 接続してシステムプロファイラでベンダIDなどを調べて検索すると、Silicon Labs の USB シリアル変換のチップのようでした。

実際プロトコルダンプして読みだしたりしている人がいます。

• http://www.meintechblog.de/2013/10/smart-metering-mit-owl-usb-und-fhem-live-tracking-des-stromverbrauchs/
  • Perl のコードがある
• http://sourceforge.net/projects/electricowl/
  • Python のコードがある (Perl とほぼ同じコードだけど、こっちが先っぽい？)
• http://douglass.customer.netspace.net.au/comms.html
  • スニファ結果

思ったより情報があったので簡単そうです。

Raspberry Pi で読みだす

ドライバの対応の関係上、Linux で読み出すのが一番簡単です。通常のドライバだと製品IDが登録されていないのですが、Linux の場合はこの製品のIDについても対応するドライバを使うようになっているので、特に苦労せずにシリアル通信ができます。

Raspberry Pi の場合、CP210x のドライバは最初から入っているようなので、特にインストールすることもなく、USB ケーブルを繋ぐだけでシリアルポートとして認識します。

シリアルフォーマット

ボーレート 250000 8bit stopbit 1 parity 0 となっており、ボーレートが特殊なので、場合によって工夫が必要です。

Ruby を使って読みだすことにしましたが、これのせいで自力で ioctl を呼ぶハメになっています。

データ形式

送られてくるのは常に、11バイト固定長で、こちらから送るのは \xA5 か \x5A だけです。解析結果のコードがあるので、その通り実装したらいいだけです。

ただ、フローコントロールをオフにせずに試していたところ、デフォルトだとソフトウェアフローコントロールが有効なようですが、データ欠けが発生して微妙に読みだせず4〜5時間ハマりました。どうやら必ずフローコントロールは完全にオフにする必要があるようです (ハードウェアフローコントロールだとデータ欠けは発生しないが、そもそも応答しなくなりました)

コード

という感じのを Ruby で実装しました。といっても、プロトコル解析はされているし、 Python 実装もあったのでたいしたコードにはなっていません。

https://github.com/cho45/CM160-rb

とにかくフローコントロールが最大のハマリどころでした。

備考

この製品は 315MHz帯の微弱電波機器 (免許・技適不要) となっていて、かなり電波が弱いです。うちはかなり狭い家(マンション)で、玄関上にある分電盤からリビングまで、10mもないと思いますが、これで電波がぎりぎり届きません。

なので、機器同士は比較的近くにおくようにして、Raspberry Pi などでネットに中継するほうが安定して便利そうです。広い家だとむしろ中継が必須な気がします。

とはいえ、そろそろスマートメータの設置もすすむので、こういうのも必要なくなるのかもしれません。

試作品の回路図

検討はあとに書きますがまず現段階の回路図です (といってもたいして見所はありませんが…)

ただし、

• ブレッドボードに実装しているのは 1ch のみでアナログスイッチなし
• 電源回路が回路図だと昇圧回路になっているが消費電力が多すぎるのでやめている

カレントセンサー

交流回路に微小抵抗を入れて直接測定するという手もありますが、これは危険が伴いますし、ちょうどいい微小抵抗の入手が難しいという問題があります。10mΩでも30A流したら抵抗だけで9W消費しますし、15Aでも2.25W消費します。

そうなると、やはりカレントトランスを使うほうが筋が良さそうです。ただカレントトランスもあまり入手性は良くないですし、価格もカットコアのものだとそれなりにします。

参考：http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-08960/

しかし ebay で検索してみると、ちょうど良さそうなカレントトランスが100円程度で売られています。カットコアではありませんが、実際のところカットコアのカレントランスが必要なのは分電盤のように絶対切断できない箇所かつホットとコールドが最初から分かれて配線されている部分だけなので、実質的にはあまり問題にならないでしょう。最終的にはこれを使えばよさそうです。

ただ、とりあえずは2000:1のカットコアのカレントトランスが手元にあるので、これを使います。

ADC部分

カレントセンサーが発生させる微小な電流を電圧に変換してデジタル化します。

MCU部分

今回は ESP8266 のみを使うことを考えました。

• ESP8266 は500円ぐらいで激安
• WiFi 接続できる MCU として単体でいける

というのが大きなメリットだと感じました。

コード的には MCP3425 から読みだして送信するだけです。省電力のため ESP-NOW という ESP8266 独自のAPIで通信を行っています。

• https://github.com/cho45/esp-wattmeter/blob/master/sensor/src/main.cpp

ESP-NOW は受信側が別途必要なので、受信用のデバイスのコードもあります。こちらは STA+AP で起動して、ESP-NOW で受けとったデータをグラフAPIに投げなおしています。

• https://github.com/cho45/esp-wattmeter/blob/master/hq/src/main.cpp

ただ、実際 ESP-NOW を使ってみると、少し離すと、想像以上にフレームが届かないことが多いです。WiFi バンドが混んでいるせいというのもあると思いますが、なかなか厳しく、再送を実装するか、もしくは諦めて普通にWiFi接続したほうがいい気がします。電源次第です…

電源部分

ここが難しくて悩むところです。

もともとは電池駆動しようと思っていましたが、いろいろ実験した結果、電池駆動で半年程度もたせるにはかなりの低頻度のやりとりになることがわかりました。なので、この用途ではあまり筋が良くなさそうです。

一方でAC電源からとってくるのも割と面倒です。200mA 3.3V 程度だけとれる小型のAC/DCスイッチング電源なんて滅多に見ません。ACアダプタを改造するにせよ、そもそもACアダプタがそこそこ高価です。

ということで今のところ電源は保留にしています (モバイルバッテリ駆動しています)

ebay で探すと 3.3V 600mA の AC/DC 電源はすこしヒットしますので、買ってみて使えそうならこれでいい気がします。

現状

ブレッドボードで作業デスク付近のコンセントの電流を計ってみています。まぁまぁ面白いのですが、一箇所だけ計ってもあんまり面白くないです。

電源まわりをうまく解決する方法を考え中です。

その他

本来用途として WiFi は適切なプロトコルとはいえないですから、Bluetooth LE や ZigBee の安価なデバイスがあればそのほうが良いと思います。とはい現状 ZigBee 最安の TWE-Lite ですら ESP-WROOM-02 の3倍ぐらいの値段です。

コード

https://github.com/fdebrabander/Arduino-LiquidCrystal-I2C-library そのままでいけました。アドレスも一緒だったので想定している仕様が完全に一緒なのでしょう。

#include <Arduino.h>
#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);

void setup() {
	Serial.begin(9600);

	pinMode(13, OUTPUT);

	Serial.println("Initializing...");

	Wire.begin();

	lcd.begin();
	lcd.backlight();
	lcd.setCursor(0, 0);
	lcd.print("Hello, World");
	lcd.setCursor(0, 1);
	lcd.print("TEST");
}

void loop() {
	delay(1000);
	lcd.setCursor(0, 1);
	lcd.print(millis() / 1000);
}

備考

買ったものは、一旦動かして記録にしておかないと、あとあと「あれを使おう」と思ったとき二度手間です。

なお、16x2 でバックライト付きなのは国内でも aitendo とかがかなり安く売っているので、あんまり ebay 経由で買う必要はありません。

コード

以下のようなコードで試した。概要としては

• 2.5秒に1度起動する (それ以外は deep sleep)
• 起動時にデータをRTCメモリに書きむ (センサーデータ取得を想定)
• 4回に1度 WiFi に接続し、UDP でセンサーデータを送信する

というもの

実測

説明をいれると

約5秒でAPに接続できている。その後UDPで送信し、送信が終わるのをちょっと無駄に1秒待っている。

V: 31.72mA となっているのが画面内の平均だけど、WiFi 接続が2回起きているので、1サイクルの平均ではない。

1サイクル(約16秒)あたりは、WiFi に 80mA 6秒、スリープ 20uA 10秒とし平均30mA。

もし単三 NiMH 2400mAh 3本(公称1.2V * 3 = 3.6V)をLDOで3.3Vにして電源にしたとすると、バッテリ容量は2400mAh * 1.2V * 3 = 8640mWh。このケースのESP8266の平均消費電力は 3.6V * 30mA = 108mW (LDO損失こみ)。8640 / 108 = 80時間。

支配的なのは圧倒的にWiFi接続時間なので、とにかく周期を長くとれば、それだけ電池寿命は伸びる。実際のところ電池3本で実用的なのは5分以上かなあという気がする (5分間隔でも2ヶ月ぐらい)。

これよりも短い間隔でデータのやりとりをする場合、電池駆動は考えないほうがよさそう。どうしても電池駆動したい場合WiFi 使うのが間違っているので ZigBee とか使うべきなんだと思う。とはいえ ESP8266 が圧倒的に安すぎるので、なんでも WiFi でやりたくなってしまう。

経緯

メモ： ESP8266 での実測電流 | tech - 氾濫原 というのを書いたあと、WiFi のコネクションなしでもデータを適当に送信できたらいいのではないか？と考えました。

具体的には SSID などをビーコン情報としてコネクションレスでブロードキャストしているのだから、これにセンサーデータをつけてしまえばいいだろう、というアイデアです。

ということで ESP8266 の API を調べてみましたが、どうやら WiFi のフレームを生で扱うようなAPIはないようでした。じゃあSSID にデータを入れて softap としてビーコンを発射すればとも思いましたが、さすがに邪悪すぎます。

もうちょっとAPIを眺めていると ESP-NOW というのがあることに気付きました。独自拡張のような形でIEEE802.11のフレームを飛ばしてWiFiコネクションレスで送受信できるもののようです。これを使えば前述のような邪悪なことをしなくても同じようなことができそうです。

ESP-NOW の概念

常時データを受けとるスレーブと、必要なときにデータを送信するコントローラに分かれます (送受信はどちらもできる)。スレーブは常時チャンネルを受信していなければならないので、基本的に固定の電源が必要です。コントローラはデータを投げるだけなのでバッテリ駆動できます。

送受信するまえにお互いの Mac アドレスを知っている必要があります。ESP-NOW としては、お互いに一旦 softap となって BSSID (Macアドレス) を公開してペアリングすることを想定しているようです。

なお、(おそらく)フレームをそのまま送信しているだけなので、確実に到達する保証はなく、もし要求されるならACKみたいなものは自力で実装する必要もあります。

暗号化のサポートもあるようですがそこまでとりあえずは調べていません。

実装

スレーブとコントローラいずれも ESP8266 である必要があるので (ローレベルなIEEE802.11のフレームを扱えるなら互換デバイスは作れそうですが)、ESP8266 は2台必要です。

ペアリング部分はめんどうなので、肝心のところだけ試しに実装して試してみました。

#include <Arduino.h>
#include <ESP8266WiFi.h>
extern "C" {
	#include <espnow.h>
	#include <user_interface.h>
}

#define WIFI_DEFAULT_CHANNEL 1

uint8_t mac[] = {0x5C,0xCF,0x7F,0x8,0x37,0xC7};

void printMacAddress(uint8_t* macaddr) {
	Serial.print("{");
	for (int i = 0; i < 6; i++) {
		Serial.print("0x");
		Serial.print(macaddr[i], HEX);
		if (i < 5) Serial.print(',');
	}
	Serial.println("}");
}

void setup() {
	pinMode(13, OUTPUT);

	Serial.begin(74880);
	Serial.println("Initializing...");

	WiFi.mode(WIFI_AP);
	WiFi.softAP("foobar", "12345678", 1, 0);

	uint8_t macaddr[6];
	wifi_get_macaddr(STATION_IF, macaddr);
	Serial.print("mac address (STATION_IF): ");
	printMacAddress(macaddr);

	wifi_get_macaddr(SOFTAP_IF, macaddr);
	Serial.print("mac address (SOFTAP_IF): ");
	printMacAddress(macaddr);

	if (esp_now_init() == 0) {
		Serial.println("init");
	} else {
		Serial.println("init failed");
		ESP.restart();
		return;
	}

	esp_now_set_self_role(ESP_NOW_ROLE_SLAVE);
	esp_now_register_recv_cb([](uint8_t *macaddr, uint8_t *data, uint8_t len) {
		Serial.println("recv_cb");

		Serial.print("mac address: ");
		printMacAddress(macaddr);

		Serial.print("data: ");
		for (int i = 0; i < len; i++) {
			Serial.print(" 0x");
			Serial.print(data[i], HEX);
		}
		Serial.println("");
	});
	esp_now_register_send_cb([](uint8_t* macaddr, uint8_t status) {
		Serial.println("send_cb");

		Serial.print("mac address: ");
		printMacAddress(macaddr);

		Serial.print("status = "); Serial.println(status);
	});

	int res = esp_now_add_peer(mac, (uint8_t)ESP_NOW_ROLE_CONTROLLER,(uint8_t)WIFI_DEFAULT_CHANNEL, NULL, 0);

//	esp_now_unregister_recv_cb();
//	esp_now_deinit();
}

void loop() {
}

#include <Arduino.h>
#include <ESP8266WiFi.h>
extern "C" {
	#include <espnow.h>
	#include <user_interface.h>
}

#define WIFI_DEFAULT_CHANNEL 1

uint8_t mac[] = {0x1A,0xFE,0x34,0xEE,0x84,0x88};

void printMacAddress(uint8_t* macaddr) {
	Serial.print("{");
	for (int i = 0; i < 6; i++) {
		Serial.print("0x");
		Serial.print(macaddr[i], HEX);
		if (i < 5) Serial.print(',');
	}
	Serial.println("}");
}

void setup() {
	pinMode(13, OUTPUT);

	Serial.begin(74880);
	Serial.println("Initializing...");
	WiFi.mode(WIFI_STA);

	uint8_t macaddr[6];
	wifi_get_macaddr(STATION_IF, macaddr);
	Serial.print("mac address (STATION_IF): ");
	printMacAddress(macaddr);

	wifi_get_macaddr(SOFTAP_IF, macaddr);
	Serial.print("mac address (SOFTAP_IF): ");
	printMacAddress(macaddr);

	if (esp_now_init()==0) {
		Serial.println("direct link  init ok");
	} else {
		Serial.println("dl init failed");
		ESP.restart();
		return;
	}

	esp_now_set_self_role(ESP_NOW_ROLE_CONTROLLER);
	esp_now_register_recv_cb([](uint8_t *macaddr, uint8_t *data, uint8_t len) {
		Serial.println("recv_cb");

		Serial.print("mac address: ");
		printMacAddress(macaddr);

		Serial.print("data: ");
		for (int i = 0; i < len; i++) {
			Serial.print(data[i], HEX);
		}
		Serial.println("");
	});
	esp_now_register_send_cb([](uint8_t* macaddr, uint8_t status) {
		Serial.println("send_cb");

		Serial.print("mac address: ");
		printMacAddress(macaddr);

		Serial.print("status = "); Serial.println(status);
	});

	int res = esp_now_add_peer(mac, (uint8_t)ESP_NOW_ROLE_SLAVE,(uint8_t)WIFI_DEFAULT_CHANNEL, NULL, 0);

	uint8_t message[] = { 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06, 0x08 };
	esp_now_send(mac, message, sizeof(message));
	ESP.deepSleep(2.5e6, WAKE_RF_DEFAULT);

//	esp_now_unregister_recv_cb();
//	esp_now_deinit();
}

void loop() {
}

動作と消費電力

こんな普通に簡単な実装を書いてみたら普通に動きました。

スレーブ側のシリアル出力

コントローラの電流値の推移

この実装だと 2.5秒ごとに毎回送信しているので割と平均消費も大きいです。しかしそれでも、前回の16秒ごとのWiFi接続の30mAの半分以下です。

コントローラの別実装

ということで、2.5秒おきに deep sleep から復帰して値を RTC メモリ書きつつ、4回に1度はWiFiで送信するようなサンプルも書いてみました。これは前回のWiFiコネクション+UDPの部分をESP-NOWを使うように置き換えたものになります。

• https://github.com/cho45/esp8266-esp-now-sample/blob/master/controller2/src/main.cpp

エントリ冒頭の画像はこれの横軸を広げたものです。

平均で6.8mAぐらいです。

備考

この実装ではフレームの再送などはしていないので、データが欠落する可能性があります。とはいえ UDP の実装でも同じことがいえるので、これが原因だからダメということにはならないでしょう。

しかしこの実装だとMacアドレス以外一切何も確認していないので、もし悪意のある人が近くにいれば変なデータを送りこむのは容易です。

ESP8266 を使ってできる無線通信ではこれ以上の省電力化は難しそうな気がします。あとは送信出力を下げるぐらいしかなさそうです。