Raspberry Pi und 1-Wire

Der Raspberry Pi, abgekürzt RPi ist ein Einplatinencomputer der Raspberry Pi Foundation, der unter Linux läuft und über eine Vielzahl von Anschlüssen verfügt.

FHEM läuft auf allen Modell des Raspberry Pi. Während hier die Installation von FHEM beschrieben wird, soll sich diese Seite nur mit dem Anschluss von 1-Wire Devices an den RPi befassen.

Hardware

Bereits von der Hardware her bietet der RPi verschiedene Möglichkeiten zum Anschluss von 1-Wire-Devices

USB-Port

Über einen der USB-Ports des RPi mit entsprechendem Adapter. Hierbei sollte, wenn es sich nicht nur um wenige 1-Wire-Devices handelt, ein USB-Hub mit eigener Stromversorgung zwischengeschaltet werden. Mit USB-Extendern lässt sich dies bequem auch bis zu 20m entfernt vom RPi bewerkstelligen.

Alle bekannten USB/1-Wire Adapter arbeiten mit dem RPi. Allerdings ist es möglicherweise (nur, wenn Fehler auftreten !) nötig, dafür ein Kernel-Update durchzuführen, da in manchen älteren Versionen des Linux-Kernels für den RPi Fehler im USB-Stack enthalten sind.

COC-Modul

Anschluss über ein COC-Modul des Herstellers busware.de. Siehe hierzu im Detail COC und 1-wire].

RPI2-Modul

Anschluss über ein RPI2-Modul des Herstellers Sheepwalk Electronics. Dieses Modul wird direkt auf den internen I2C-Bus des RPi aufgesteckt. Im Kaufzustand bietet es für den 1-Wire-Bus sowohl eine RJ45-Buchse, als auch einen Schraubklemmenanschluss. Diese sind leider beide so hoch, dass das Modul nicht mehr in das RPi-Gehäuse passt. Hier kann aber leicht abgeholfen werden (to be continued).

Zur Ansteuerung ist auf dem RPi zunächst das Starten zweier Kernelmodule nötig, dazu als root ausführen

modprobe i2c-bcm2708
modprobe i2c-dev

Der automatische Start dieser beiden Module kann in der Datei /etc/modules eingetragen werden.

Zudem muss beim aktuellen Raspbian noch die Datei /boot/config.txt angepasst werden:

dtparam=i2c_arm=on

Die oben genannten Schritte können auch über (sudo) raspi-config durchgeführt werden. Damit wird sichergestellt, dass die für die jeweilige Kernelversion notwendigen Schritte durchgeführt werden ('8 Advanced Options' -> 'A7 I2C').

Bei Vorhandensein des Paketes i2c-tools wird dann die korrekte Erkennung des Adapters mit dem Befehl

i2cdetect -y 1

überprüft, der 1-Wire-Busmaster DS2482-100 sollte als I2C-Device mit der ID 0x18 gefunden werden.

GPIO4-Port

1-wire-Komponenten können direkt an den GPIO-Port des RPi angeschlossen und in FHEM konfiguriert werden.

Software-Installation

Die Software-Installation des GPIO im RPi erfolgt je nach Kernelversion unterschiedlich:

vor 2015 bzw. Kernelversion 3.18.3

Zur Ansteuerung ist auf dem RPi zunächst das Starten zweier Kernelmodule nötig, dazu als root ausführen

modprobe w1-gpio pullup=1
modprobe w1-therm

Waren die Schritte erfolgreich, gibt es jetzt im Verzeichnis /sys/bus/w1/devices/ für jeden Sensor ein Unterverzeichnis mit seiner Kennung, z.B. 28-000004e147d6. Die dort stehende Datei w1_slave enthält das Ergebnis der Datenübertragung vom Sensor. Um die Module dauerhaft zu laden, sind sie noch in die Datei /etc/modules einzutragen:

# /etc/modules
w1-gpio pullup=1
w1-therm 

ab 2015 bzw. Kernelversion 3.18.3

Da sich mit Kernelversion 3.18.3 die Handhabung der Module geändert hat (vgl. #1-wire am GPIO4-Port funktioniert nicht mehr nach Systemupdate - die Datei /etc/modules wird im Prinzip garnicht mehr benötigt; Details s. #Links). Somit ist hier eine andere (einfachere) Konfiguration nötig:

• Am besten erst einmal ein ordentliches System-Update durchführen:

sudo apt-get update
sudo apt-get dist-upgrade -f
sudo rpi-update
sudo reboot

• Kernelversion kontrollieren (muss jetzt mind. v3.18.3 sein):

uname -r

• Dann fügt man den folgende Zeile in /boot/config.txt ein:

# activating 1-wire with pullup
dtoverlay=w1-gpio-pullup

• Und startet das System neu

sudo reboot

Zusätzlich kann man gleich eine Debugging-Funktion aktivieren:

• Dazu fügt man den folgende Zeile in /boot/config.txt ein:

# activating device tree debugging (use: sudo vcdbg log msg)
dtdebug=on

• Abrufen kann man die Debug-Informationen dann mit:

sudo vcdbg log msg

Elektrische Installation

Eine gute Einführung zum Thema geben die Links von RaspiProjekt.de (s. #Links).

Dazu wird im ersten Schritt der 1-Wire Bus (bzw. zum Test nur ein einzelner Sensor) mit dem GPIO-Port des RPi verbunden, und zwar

• 1-Wire GND an GND vom Pi (Pin 6)
• 1-Wire Datenleitung an GPIO04 (Pin 7)
• 1-Wire VDD an +3,3V vom Pi (Pin 1)
• Außerdem ist noch ein Pullup-Widerstand von z.B. 4,7kOhm zwischen Pin1 und Pin7 zu schalten.

Obwohl die nominale Spannung für 1-Wire Devices 5V beträgt, ist hier die verringerte Spannung nötig, weil die GPIO-Ports des RPi nur 3,3 V vertragen und durch höhere Spannungen zerstört werden. Als Alternative kann man den 1-Wire Bus auch 5V (Pin 2) anschließen, dann muss aber zwingend das Signal der 1-Wire Datenleitung durch einen Spannungsteiler (z.B. 10 kOhm und 6.8 kOhm) auf 3,3 V begrenzt werden. Besser man verwendet einen aktiven Pegelwandler der sich mit einem einfachen MOS-FET realisieren lässt : 1-Wire Pegelwandler

Konfiguration von 1-wire-Komponenten am GPIO

Im Folgenden sind für verschiedene 1-wire-Komponenten die grundlegenden FHEM-Konfigurationen beschrieben.

Konfiguration des Busmasters

Um den 1-Wire Bus in FHEM einzubinden, muss noch das Modul 58_GPIO4.pm aus dem Verzeichnis /opt/fhem/contrib in das Hauptverzeichnis /opt/fhem/FHEM/ kopiert werden und mit

define RPi GPIO4 BUSMASTER

bekannt gemacht werden. Nach einem Neustart von FHEM werden die Sensoren automatisch erkannt (FHEM-Forum-Beitrag Thema).

Das beschriebene Kernelmodul unterstützt momentan die IDs 10- (DS1820 u. DS18S20) sowie 28- (DS18B20). Im "Auslieferungszustand" können maximal 10 Sensoren angeschlossen werden. Unter [1] ist beschrieben, wie man die Anzahl erhöhen kann. Anschließend ist nur noch ein Neustart des RPi nötig.

Temperatursensor DS18B20

Ist der Temperatursensor richtig elektrisch installiert (vgl. #Links von RaspiProjekt.de), so wird automatisch ein eigenes Verzeichnis mit der ID des Sensors im 1-wire-Pfad des RPi angelegt:

# 1-wire-Pfad des RPi:
/sys/bus/w1/devices/

# Bsp.:
$ ls /sys/bus/w1/devices/
28-001451df14ff  # ID des Temperatursensors  
w1_bus_master1   # Standardeintrag des 1-wire-Bus

Am besten schliesst man mehrere Sensoren nacheinander an, damit man die ID dem richtigen Sensor zuordnen kann.

Mit der ID wird der Sensor jetzt im FHEM konfiguriert:

define EG_Balkon GPIO4 28-001451df14ff
attr EG_Balkon model DS18B20
attr EG_Balkon room GPIO-Devices
attr EG_Balkon group 1-wire

define FileLog_EG_Balkon FileLog ./log/EG_Balkon-%Y-%W.log EG_Balkon
attr FileLog_EG_Balkon logtype text

Den zugehörigen Plot erstellt man am einfachsten über die WebGUI des FHEM:

• ggf. FHEM neu starten (falls die Komponente und der FileLog nicht auftauchen)
• FileLog aufrufen
• "Create SVG Plot" auswählen
• ggf. Einstellungen anpassen (geht auch im Nachhinein)
• "Write .gplot file" auswählen
• weiter unten attr SVG_FileLog_EG_Balkon room Balkon eingeben

UART-Schnittstelle

Der RPi verfügt auch über eine UART-Schnittstelle, an diese kann direkt ein Serielles 1-Wire Interface angeschlossen werden (IN VORBEREITUNG)

Die Vorbereitung der UART-Schnittstelle ist in Raspberry Pi beschrieben. An dieser Stelle sollten auch zukünftig nur Besonderheiten und Abweichungen stehen!

Software

Die Ansteuerung des 1-Wire Bus auf dem RPi kann durch unterschiedliche Software-Systeme erfolgen. Verbreitet mit FHEM sind

• OWX sowie die zugehörigen Frontendmodule OWAD, OWCOUNT, OWID, OWLCD, OWMULTI, OWSWITCH und OWTHERM. Das OWX-Modul operiert direkt auf der jeweiligen Hardware (USB bzw. Seriell) oder liest die Daten über Netzwerk (COC/CUNO/Arduino) und reicht sie an spezialisierte Frontendmodule weiter.
• OWServer, ein Modul, welches die vorhergehende Installation des Softwarepaketes OWFS erfordert. OWFS startet einen speziellen Server, der die Kommunikation mit der Hardware übernimmt und die Daten dann an OWServer weiterleitet. Die Installation bzw Kompilierung vom OWServer auf dem Rasperry ist unter owfs Pakete installieren beschrieben. Zu OWServer passt ein generisches Frontendmodul OWDevice, siehe OWServer & OWDevice.

Nachfolgend ist die Kompatibilität dieser Softwaresysteme mit den einzelnen Hardware-Möglichkeiten aufgeführt.

Anschluss	Gerät	Unterstützte 1-Wire Devices	Besonderheit	Stromversorgung 1-Wire Bus
Direkt an USB	DS9490 Adapter		funktioniert (DS9490R) auf dem Raspi mit OWServer (Thema) funktioniert nicht mit OWX, weil der enthaltene Chip DS2490 derzeit nur über libusb ansteuerbar ist. Abhilfe ist in Arbeit.	??
Direkt an USB	USB9097 Adapter	Alle von OWX unterstützten Devices, d.h. DS18x20, DS1822 Temperatursensor DS2406, DS2408, DS2413 Schalter DS2423 Zähler DS2438 Multisensor DS2450 4 Kanal ADC LCD-Controller von Louis Swart Alle anderen 1-Wire Devices: Nur ID	funktioniert auf der FB7390, das Kernelmodul ch341.ko findet man hier	Ja, 5V
Direkt an USB	Eigenbau, mit FT232RL und DS2480 Bus-Master		funktioniert, Fertiggeräte eventuell bei EBay erhältlich, siehe auch Interfaces für 1-Wire	Ja, 5V
Direkt an USB	LinkUSBi Adapter		funktioniert, verwendet das FTDI Kernelmodul. Achtung: Es kann zu Timing-Problemem kommen. Erhältlich z.B. hier	Ja, 5V an Pin2 (limited to 50mA)
Über USB-zu-Seriell-Konverter 9- oder 25-polig mit Winchiphead CH341-Chip	Konverter + DS9097U-(009/S09, E25)		funktioniert auf der FB7390, das Kernelmodul ch341.ko findet man hier	Nur bei den 25-poligen Modellen als Standard, bei den 9-poligen Modellen externe Versorgung oder Modifikation des DS9097 nötig
Über USB-zu-Seriell-Konverter 9- oder 25-polig mit Prolific PL2303-Chip	Konverter + DS9097U-(009/S09, E25)		funktioniert auf der FB7390, das Kernelmodul pl2303.ko findet man hier	Nur bei den 25-poligen Modellen als Standard, bei den 9-poligen Modellen externe Versorgung oder Modifikation des DS9097 nötig
Über USB-zu-Seriell-Konverter 9- oder 25-polig mit FTDI RL232-Chip	Konverter + DS9097U-(009/S09, E25)		funktioniert auf der FB7390, das Kernelmodul ftdi_sio.ko ist auf der FritzBox vorhanden	Nur bei den 25-poligen Modellen als Standard, bei den 9-poligen Modellen externe Versorgung oder Modifikation des DS9097 nötig
Direct an USB	Arduino mit USB-Anschluss (UNO, Mega, Nano...)		1-Wire Bus direkt am Arduino (reine Softwarelösung) oder (stabiler im Betrieb) in Verbindung mit DS2482-Busmaster (am I2C des Arduinos). Mit DS2482-100 ist 1 1-Wire-Bus (optional mit Strong-pullup über externen MosFET), mit DS2482-800 sind 8 busse (nur mit internem Strong-pullup) an 1 Arduino gleichzeitig möglich.	Ja, 3,3V oder 5V je nach Arduino-modell.
Über Netzwerk	Arduino mit Ethernetshield, Arduino mit ENC28J60-shield, Arduino Ethernet
Über Netzwerk und CUNO	CUNO	Mit OWX: Alle von OWX unterstützten Devices Ohne OWX: Nur DS18x20, DS1822 Temperatursensor	funktioniert mit gewissen Einschränkungen, siehe CUNO und 1-wire	Ja, aber nur 3,3 V. Kann allerdings zu 5V modifiziert werden
Über Netzwerk und Ethersex-Gerät	AVR-Net-IO oder ähnliches	DS18x20, DS1822 Temperatursensor DS2502 EEPROM DS2450 4 Kanal ADC	funktioniert, siehe FHEM und 1-Wireund AVR-NET-IO	??

Problembehebung

1-wire am GPIO4-Port funktioniert nicht mehr nach Systemupdate

Problem

Es kann passieren, dass nach einem Systemupdate (apt-get update oder apt-get dist-upgrade) die 1-wire-Geräte am GPIO4-Port plötzlich nicht mehr funktionieren. Dies hat dann aller Wahrscheinlichkeit die Ursache, dass ein Kernel-Upgrade von "vor 3.18.3" auf "danach" gemacht wurde. Mit Kernelversion 3.18.3 ist die Handhabung der Kernelmodule umgestellt worden (vgl. auch #GPIO4-Port):

• vor v3.18.3: hier wurden Module in die /etc/modules eingetragen. Dieses Vorgehen ist fast überall beschrieben.
• ab v3.18.3: jetzt wurde das sog. Device-Tree-Verfahren eingeführt, das anders arbeitet - und erst einmal die alte Konfiguration blockiert (!). (Details s. unter #Links)

Auch ein Aufruf von sudo rpi-update hilft allein nicht weiter (ist aber immer sinnvoll).

Lösung

Die "korrekte" Lösung wäre die Umstellung auf Device-Tree-Konfiguration:

• Dazu fügt man die folgende Zeile in /boot/config.txt ein:

# activating 1-wire with pullup
dtoverlay=w1-gpio-pullup

• Entfernt die Module w1-gpio und w1-therm aus das /etc/modules (oder kommentiert sie aus)
• Und startet das System neu

Zusätzlich kann man gleich eine Debugging-Funktion aktivieren:

• Dazu fügt man die folgende Zeile in /boot/config.txt ein:

# activating device tree debugging (use: sudo vcdbg log msg)
dtdebug=on

• Abrufen kann man die Debug-Informationen dann mit:

sudo vcdbg log msg

Alternativer Workaround

Alternativ zur "korrekten" Lösung kann man die Device-Tree-Funktionalität auch einfach deaktivieren - dann bleibt alles wie bisher.

• Dazu fügt man den folgende Zeile in /boot/config.txt ein:

# disabling device tree functionality:
device_tree=

• Und startet das System neu.

Links

Zu GPIO:

• Beispiel zur Nutzung von 1-wire am GPIO-Port & eines Eigenbau-Adapters
• RaspiProjekt.de - GPIO-Grundlagen
• RaspberryPi.org - GPIO-Grundlagen
• Pin-Belegungen des Raspi
• RaspiProjekt.de - Anbindung von Temperatursensoren

Zu Device-Tree:

• RaspiProjekt.de - Neuer Kernel neues Glück
• RaspberryPi.org - Device Trees, Overlays and Parameters
• RaspiProjekt.de - Gerätetreiber und Device Tree
• Liste aller verfügbaren Device-Tree Module