Arduinoで電波時計補正 2012/09/01

電波時計を買ったものの、部屋の中で受信できず、たまに窓際やベランダで陰干し、ないし天日干しが必要なことってないですか? これってハイテクなのか、ローテクなのか、デジタルなのかアナログなのか、しょっぱい気分になっちゃいますよね。

それに加えて、日本に2つしかない送信所のうち、東日本担当の福島の送信所が3.11のとき、40日程度止まってしまうということもあり、電波時計を補正する電波を自前で作る方法が紹介されていました。

-標準電波の代わりにPCで電波時計の時刻を合わせる「電波時計用JJYシミュレータ」

-Arduinoで電波時計を合わせよう

そのうち作ってみたいなとおもってたのですが、Arduino の IDE がバージョンアップして、2011年12月には1.0, 2012年5月には1.0.1となり、以前のスケッチ(プログラム)がそのままで動かない模様だったので、しばらく手を出さずにいたのです。

ふと、思い立って手を付けてみると、意外と簡単に出来上がってしまいました。

まず、ArduinoのTimeライブラリを入手。これが、不完全ながらもIDE 1.0に対応している。この中からTimeSerialとTimeRTCSetを読む。それと、標準添付になってるEthernetのサンプルスケッチUdpNtpClientを読む。あとは、肝心の電波発信方法が書かれたArduinoで電波時計を合わせようを加えればできあがり。

RTCは、SparkFunのリアルタイムクロック・モジュールを使用していますが、なければ、Timeライブラリが自分で多少精度が落ちますが時間計算してくれます。

ちなみに、時刻表示のために、ストロベリーリナックスの7セグメントLED表示キットを使用してPin5と6をソフトウエアーシリアルで使用しています。

104b8ccaf70045b09eaacadbcf24d210.jpeg

配線は、Arduino UNO に Ethernetシールドを乗せ、その上にバニラシールドを重ねて以下の通り。左上から5メートル程度の線を巻いたアンテナへ。その下のコネクタは、7セグメントLED表示キットに接続します。

スケッチは、元のコードを合体させただけなので、整理してません。概要としては、最初にインターネットに接続してNTPから時間を取得してセット。その後インターネットは使用していないので、アンテナ横のLEDがちかちかして電波を発信しだしたら、ネットケーブルは外してOK(つけたままでもいいが)。RTCを使わない場合は、#define USE_RTC DS1307 をコメントアウトしてください。

#highlight(){
/*

 Udp NTP Client
 
 Get the time from a Network Time Protocol (NTP) time server
 Demonstrates use of UDP sendPacket and ReceivePacket 
 For more on NTP time servers and the messages needed to communicate with them, 
 see http://en.wikipedia.org/wiki/Network_Time_Protocol
 
 created 4 Sep 2010 
 by Michael Margolis
 modified 9 Apr 2012
 by Tom Igoe
 
 This code is in the public domain.

 */

#include <SPI.h>         
#include <Ethernet.h>
#include <EthernetUdp.h>
#include <SoftwareSerial.h>
#include <Time.h>  
#include <Wire.h>  
#include <DS1307RTC.h>  // a basic DS1307 library that returns time as a time_t
#define TIME_REQUEST  7    // ASCII bell character requests a time sync message 
#define USE_RTC  DS1307 // no RTC_DS1307, comment out this

// bit set / clear
#ifndef cbi
#define cbi(PORT, BIT) (_SFR_BYTE(PORT) &= ~_BV(BIT))
#endif
#ifndef sbi
#define sbi(PORT, BIT) (_SFR_BYTE(PORT) |= _BV(BIT))
#endif

// Enter a MAC address for your controller below.
// Newer Ethernet shields have a MAC address printed on a sticker on the shield
byte mac[] = {  0xXX, 0xXX, 0xXX, 0xXX, 0xXX, 0xXX }; // XXは自分のEthernetシールドに合わせて

unsigned int localPort = 8888;      // local port to listen for UDP packets

//IPAddress timeServer(192, 43, 244, 18); // time.nist.gov NTP server
IPAddress timeServer(133, 243, 238, 164); // ntp.nict.jp NTP server

const int NTP_PACKET_SIZE= 48; // NTP time stamp is in the first 48 bytes of the message

byte packetBuffer[ NTP_PACKET_SIZE]; //buffer to hold incoming and outgoing packets 

// A UDP instance to let us send and receive packets over UDP
EthernetUDP Udp;

SoftwareSerial mySerial(5,6); // RX, TX
int rwPin = 3;
int localoffset = 2; // ntp の返答をセットするときのずれ
byte timecode[60];
unsigned long lastNTPTime = 0;

void setup() 
{
 // Open serial communications and wait for port to open:
  Serial.begin(9600);
   while (!Serial) {
    ; // wait for serial port to connect. Needed for Leonardo only
  }
  mySerial.begin(9600);
  
#ifdef USE_RTC
  setSyncProvider(RTC.get);   // the function to get the time from the RTC

  if(timeStatus()!= timeSet) 
     Serial.println("Unable to sync with the RTC");
  else
     Serial.println("RTC has set the system time");      
#else
  // for internal clock
  setSyncProvider( requestSync);  //set function to call when sync required
  Serial.println("RTC is not used."); 
#endif

  // start Ethernet and UDP
  if (Ethernet.begin(mac) != 0) {
      Udp.begin(localPort);
      ntpRequest();
      Udp.stop();
  } else {
    Serial.println("Failed to configure Ethernet using DHCP");
  }
  
  setupTimeCode();
}

void loop()
{
  digitalClockDisplay();
  
  int wait_start = second();
  while (wait_start == second()); // wait until time is corrected
  unsigned long startTime = millis();

  // generate 40khz from 3 pin using PWM
  pinMode(rwPin, OUTPUT);
  digitalWrite(rwPin, LOW);
  TCCR2A = _BV(WGM20);
  TCCR2B = _BV(WGM22) | _BV(CS20);
  OCR2A = F_CPU / 2 / 40000/*hz*/;
  OCR2B = OCR2A / 2; /* 50% duty */
  sbi(TCCR2A,COM2B1);
  
    // calc signal duration (ms)
  int ms = calcTimeCodeDuration();

  // wait ms and stop PWM
  while (millis() - startTime < ms);
  cbi(TCCR2A,COM2B1);
}

time_t requestSync()
{
  Serial.write(TIME_REQUEST);  
  return 0; // the time will be sent later in response to serial mesg
}

void ntpRequest() {  
  sendNTPpacket(timeServer); // send an NTP packet to a time server

    // wait to see if a reply is available
  delay(1000);  
  if ( Udp.parsePacket() ) {  
    // We've received a packet, read the data from it
    Udp.read(packetBuffer,NTP_PACKET_SIZE);  // read the packet into the buffer

    //the timestamp starts at byte 40 of the received packet and is four bytes,
    // or two words, long. First, esxtract the two words:

    unsigned long highWord = word(packetBuffer[40], packetBuffer[41]);
    unsigned long lowWord = word(packetBuffer[42], packetBuffer[43]);  
    // combine the four bytes (two words) into a long integer
    // this is NTP time (seconds since Jan 1 1900):
    unsigned long secsSince1900 = highWord << 16 | lowWord;  
  
    //Serial.print("Seconds since Jan 1 1900 = " );
    //Serial.println(secsSince1900);               

    // now convert NTP time into everyday time:
    //Serial.print("Unix time = ");
    // Unix time starts on Jan 1 1970. In seconds, that's 2208988800:
    const unsigned long seventyYears = 2208988800UL;     
    // subtract seventy years:
    unsigned long epoch = secsSince1900 - seventyYears;  
    // print Unix time:
    //Serial.println(epoch);                               

    // print the hour, minute and second:
    //Serial.print("The UTC time is ");       // UTC is the time at Greenwich Meridian (GMT)
    epoch = epoch + (9 * 60 * 60) + localoffset;
    RTC.set(epoch);
    setTime(epoch);
    
    Serial.print("JST is ");
    Serial.print((epoch  % 86400L) / 3600); // print the hour (86400 equals secs per day)
    Serial.print(':');  
    if ( ((epoch % 3600) / 60) < 10 ) {
      // In the first 10 minutes of each hour, we'll want a leading '0'
      Serial.print('0');
    }
    Serial.print((epoch  % 3600) / 60); // print the minute (3600 equals secs per minute)
    Serial.print(':'); 
    if ( (epoch % 60) < 10 ) {
      // In the first 10 seconds of each minute, we'll want a leading '0'
      Serial.print('0');
    }
    Serial.println(epoch %60); // print the second

    digitalClockDisplay();
  }
  // wait ten seconds before asking for the time again
}

void digitalClockDisplay(){
  // digital clock display of the time
  /*
  Serial.print(hour());
  printDigits(minute());
  printDigits(second());
  Serial.print(" ");
  Serial.print(day());
  Serial.print(" ");
  Serial.print(month());
  Serial.print(" ");
  Serial.print(year()); 
  Serial.println(); 
  */
  mySerial.write(0x08);
  mySerial.print(String(hour() / 10) + String(hour() % 10) + " ");
  mySerial.print(String(minute() / 10) + String(minute() % 10) + " ");
  mySerial.println(String(second() / 10) + String(second() % 10));
}
void printDigits(int digits){
  // utility function for digital clock display: prints preceding colon and leading 0
  Serial.print(":");
  if(digits < 10)
    Serial.print('0');
  Serial.print(digits);
}

// send an NTP request to the time server at the given address 
unsigned long sendNTPpacket(IPAddress& address)
{
  // set all bytes in the buffer to 0
  memset(packetBuffer, 0, NTP_PACKET_SIZE); 
  // Initialize values needed to form NTP request
  // (see URL above for details on the packets)
  packetBuffer[0] = 0b11100011;   // LI, Version, Mode
  packetBuffer[1] = 0;     // Stratum, or type of clock
  packetBuffer[2] = 6;     // Polling Interval
  packetBuffer[3] = 0xEC;  // Peer Clock Precision
  // 8 bytes of zero for Root Delay & Root Dispersion
  packetBuffer[12]  = 49; 
  packetBuffer[13]  = 0x4E;
  packetBuffer[14]  = 49;
  packetBuffer[15]  = 52;

  // all NTP fields have been given values, now
  // you can send a packet requesting a timestamp: 		   
  Udp.beginPacket(address, 123); //NTP requests are to port 123
  Udp.write(packetBuffer,NTP_PACKET_SIZE);
  Udp.endPacket(); 
}

//=============== http://d.hatena.ne.jp/NeoCat/20110328/1301256560 

unsigned int calcTimeCodeDuration()
{
  int s = second();
  if (s == 0)
    setupTimeCode();
  return timecode[s] * 100;
}

void setupTimeCode()
{
  int i;
  memset(timecode, 8, sizeof(timecode));

  setupTimeCode100(minute(), 0);
  timecode[0] = 2;

  setupTimeCode100(hour(), 10);

  int d = dayOfYear();
  setupTimeCode100(d/10, 20);
  setupTimeCode100(d%10*10, 30);

  int parity1 = 0, parity2 = 0;
  for (i = 12; i < 20; i++) parity1 ^= timecode[i] == 5;
  for (i =  1; i < 10; i++) parity2 ^= timecode[i] == 5;
  timecode[36] = parity1 ? 5 : 8;
  timecode[37] = parity2 ? 5 : 8;

  setupTimeCode100(year()%100, 40);
  for (i = 44; i > 40; i--)
    timecode[i] = timecode[i-1];
  timecode[40] = 8;

  int w = weekday() - 1;
  timecode[50] = (w & 4) ? 5 : 8;
  timecode[51] = (w & 2) ? 5 : 8;
  timecode[52] = (w & 1) ? 5 : 8;
  timecode[59] = 2;
  
  /* dump */
  for (i = 0; i < 60; i++) {
    Serial.print(timecode[i], DEC);
    Serial.print(i % 10 == 9 ? "\r\n" : " ");
  }
}

void setupTimeCode100(int m, int i)
{
  timecode[i+0] = ((m/10) & 8) ? 5 : 8;
  timecode[i+1] = ((m/10) & 4) ? 5 : 8;
  timecode[i+2] = ((m/10) & 2) ? 5 : 8;
  timecode[i+3] = ((m/10) & 1) ? 5 : 8;
  timecode[i+4] = 8;
  timecode[i+5] = ((m%10) & 8) ? 5 : 8;
  timecode[i+6] = ((m%10) & 4) ? 5 : 8;
  timecode[i+7] = ((m%10) & 2) ? 5 : 8;
  timecode[i+8] = ((m%10) & 1) ? 5 : 8;
  timecode[i+9] = 2;
}

int dayOfYear()
{
  tmElements_t tm = {0, 0, 0, 0, 1, 1, CalendarYrToTm(year())};
  time_t t = makeTime(tm);
  return (now() - t) / SECS_PER_DAY + 1;
}
}
arduinoで電波時計補正_電波時計補正.txt · 最終更新: 2014/10/14 16:55 by spumoni