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@nextEDGE-aeroTAP(aeroTAP nextEDGE)

NANOPI NEO3 GPIOでDHT11を接続

Posted at

NANOPI NEO3 GPIOにDHT11を接続してみた

はじめに

ここ数か月、空き時間を見ながら調べていたが、やっと動いたので同じことを探している人に役立つかと思い、記録しておきます。
NANOPI NEO3、いくら検索しても情報が少ない。これまでRaspberry Piを参考に解決してきたが、DHT11となると、何も情報がない!
WiringNPも動かない、gpiodも動かない。RPi.GPIO_NPも動かない、どうする?

ChatGTPさんの助けをかりた

次のような基本的な提案がいくつかあった。、

gpiodを使った pythonサンプル, cサンプル...一緒に考えてくれた...そして...解決!

環境

NANOPI NEO3
イメージ: rk3328-sd-friendlycore-lite-focal-5.10-arm64-20210830.img

Distributor ID: Ubuntu
Description: Ubuntu 20.04.6 LTS
Release: 20.04
Codename: focal

必要なパッケージ

gpiodなどは不要。開発環境のみインストール

sudo apt-get update
sudo apt-get install build-essential
sudo apt-get install gdb
sudo apt-get install rt-tests

DHT11の接続方法

接続方法は、以下の様にした。

PIN 2 5V
PIN 6 GND
PIN 7 DATA

NENOPI.jpg

GPIO.jpg

悪戦苦闘

この接続の場合、Linux GPIO66, GPIOチップ名: gpiochip2, GPIOピン番号: 2（gpiochip2内の相対番号）でgpiod で動くはずだがDHT11が全く応答していない。
DHT22やI2C式センサーなら動くよ、との提案もあったが、DHT22が入手困難 (EOL)

gpiodよりmmap

chatGPTさんからの提案で

mmap + C言語で直接GPIO制御する場合
NanoPi NEO3のGPIO2のレジスタベースは 0xFF780000（RK3328の場合）ですが、GPIO2_A2がピン2に対応するなら
GPIO_PIN = 2 （bit 2 を操作）
で問題ありません。

ときたので、gpiodを諦めmmapでアクセスすることにした。サンプルコードを作成してもらう。
コンパイルして、実行したが動かない。

GPIOベースアドレスとピン番号の確認

指示とおりに確認してみた。

pi@NanoPi-NEO3:~/.vscode-server$ sudo cat /proc/iomem | grep gpio
ff210000-ff2100ff : ff210000.gpio gpio@ff210000
ff220000-ff2200ff : ff220000.gpio gpio@ff220000
ff230000-ff2300ff : ff230000.gpio gpio@ff230000
ff240000-ff2400ff : ff240000.gpio gpio@ff240000

サンプルコードの値を正しく修正
修正前

#define RK3328_GPIO2_BASE 0xFF780000

修正後

#define RK3328_GPIO2_BASE 0xFF230000  // GPIO2 base address corrected

GPIOが動作した

HDT11は、まだ動かない。ただ、初期のGPIO信号の書き込みが成功して、信号がHIGHになったことを確認した。
のでDEBUGの手段として、GPIOのみ確認するよう提案があった。
プログラムは、以下のとおり。

gpio.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <unistd.h>
#include <time.h>

#define RK3328_GPIO2_BASE 0xFF230000  

//#define GPIO_MEM_SIZE     0x10000     // 64KB
#define GPIO_MEM_SIZE 0x100
#define GPIO_PIN          2           // GPIO2_A2 = GPIO66
#define DATA_BITS         40
#define DELAY         30
#define TiMEOUT         2500

#define GET_BIT(value, bit) (((value) >> (bit)) & 1)

volatile uint32_t *gpio_base = NULL;

void delay_us(unsigned int us) {
    struct timespec ts_start, ts_now;
    clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC_RAW, &ts_start);
    do {
        clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC_RAW, &ts_now);
    } while (((ts_now.tv_sec - ts_start.tv_sec) * 1000000 +
             (ts_now.tv_nsec - ts_start.tv_nsec) / 1000) < us);
}

// GPIO register macros (RK3328)
#define GPIO_SWPORTA_DR      0x00
#define GPIO_SWPORTA_DDR     0x04
#define GPIO_EXT_PORTA       0x50

void set_gpio_output() {
    uint32_t val = gpio_base[GPIO_SWPORTA_DDR / 4];
    val |= (1 << GPIO_PIN);
    gpio_base[GPIO_SWPORTA_DDR / 4] = val;
}

void set_gpio_input() {
    uint32_t val = gpio_base[GPIO_SWPORTA_DDR / 4];
    val &= ~(1 << GPIO_PIN);
    gpio_base[GPIO_SWPORTA_DDR / 4] = val;
}

void gpio_write(int val) {
    uint32_t reg = gpio_base[GPIO_SWPORTA_DR / 4];
    if (val)
        reg |= (1 << GPIO_PIN);
    else
        reg &= ~(1 << GPIO_PIN);
    gpio_base[GPIO_SWPORTA_DR / 4] = reg;
}

int gpio_read() {
    return (gpio_base[GPIO_EXT_PORTA / 4] & (1 << GPIO_PIN)) != 0;
}


int main() {
    int fd = open("/dev/mem", O_RDWR | O_SYNC);
    gpio_base = mmap(NULL, GPIO_MEM_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE,
                     MAP_SHARED, fd, RK3328_GPIO2_BASE);

    set_gpio_output();

    while (1) {
        gpio_write(0);  // LOW
        printf("write 0\n");
        usleep(500000);
        gpio_write(1);  // HIGH
        printf("write 1\n");
        usleep(500000);
    }
}

ビルド

$gcc -O2 -o gpio gpio.c

実行

pi@NanoPi-NEO3:~/.vscode-server$ sudo ./gpio
write 0
write 1
write 0
write 1
write 0
write 1
write 0
write 1
write 0
write 1

この間、PIN 7をテスターで確認するとLOW/HIGHが切り替わっていることを確認!
GPIOのLOW/HIGH切り替えが正しく動いているのが確認できた。

DHT11信号タイミングの概要

恐らく、信号のタイミングの問題ではないかとの推測がchatGPTさんからあった。

スタート信号
MCUがDATAラインをLOWにして18ms以上保持 → DHT11が応答を返す準備
DHT11応答
80μs LOW
80μs HIGH
データ送信（40ビット）
1ビットはLOWで始まり、その後のHIGHの長さで0か1か判別
LOWは約50μs固定
HIGHの長さ
約26〜28μs → 0
約70μs → 1

DEBUGメッセージを入れて確認すると、DHT11からの読み取りが40バイト前にタイムアウトしてしまうことが分かった。

mmapサイズを256に小さくする。もとは 0xFF230000

#define GPIO_MEM_SIZE 0x100

完成!

何度かタイミングの修正の提案を反映しながらテストしていると、あれ？　動いた!


pi@NanoPi-NEO3:~/.vscode-server$ sudo ./dht11_mmap 
成功: 湿度 50%, 温度 26°C

だた、何度も実行するとエラー、成功と安定しない。最終的には、リトライを入れて対応
以下が、コードです。

dht11_mmap.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <unistd.h>
#include <time.h>
#include <string.h>

// GPIO2 Base アドレス（GPIO2_Ax）
#define RK3328_GPIO2_BASE 0xFF230000
#define GPIO_MEM_SIZE     0x100
#define GPIO_PIN          2  // GPIO2_A2 = GPIO66
#define DATA_BITS         40

volatile uint32_t *gpio_base = NULL;

// GPIO レジスタ
#define GPIO_SWPORTA_DR   0x00
#define GPIO_SWPORTA_DDR  0x04
#define GPIO_EXT_PORTA    0x50

void delay_us(unsigned int us) {
    struct timespec ts_start, ts_now;
    clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC_RAW, &ts_start);
    do {
        clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC_RAW, &ts_now);
    } while (((ts_now.tv_sec - ts_start.tv_sec) * 1000000 +
             (ts_now.tv_nsec - ts_start.tv_nsec) / 1000) < us);
}

void set_gpio_output() {
    uint32_t val = gpio_base[GPIO_SWPORTA_DDR / 4];
    val |= (1 << GPIO_PIN);
    gpio_base[GPIO_SWPORTA_DDR / 4] = val;
}

void set_gpio_input() {
    uint32_t val = gpio_base[GPIO_SWPORTA_DDR / 4];
    val &= ~(1 << GPIO_PIN);
    gpio_base[GPIO_SWPORTA_DDR / 4] = val;
}

void gpio_write(int val) {
    uint32_t reg = gpio_base[GPIO_SWPORTA_DR / 4];
    if (val)
        reg |= (1 << GPIO_PIN);
    else
        reg &= ~(1 << GPIO_PIN);
    gpio_base[GPIO_SWPORTA_DR / 4] = reg;
}

int gpio_read() {
    return (gpio_base[GPIO_EXT_PORTA / 4] & (1 << GPIO_PIN)) != 0;
}

int read_dht11_data(int *humidity, int *temperature) {
    uint8_t data[5] = {0};

    // スタートシーケンス
    set_gpio_output();
    gpio_write(0);
    delay_us(20000);  // 20ms
    gpio_write(1);
    delay_us(40);     // 40us
    set_gpio_input();

    // 応答待ち: LOW → HIGH
    int timeout = 0;
    while (gpio_read()) {
        delay_us(1);
        if (++timeout > 100) {
            printf("Timeout waiting for LOW (start)\n");
            return -1;
        }
    }

    timeout = 0;
    while (!gpio_read()) {
        delay_us(1);
        if (++timeout > 100) {
            printf("Timeout waiting for HIGH (response)\n");
            return -1;
        }
    }

    timeout = 0;
    while (gpio_read()) {
        delay_us(1);
        if (++timeout > 100) {
            printf("Timeout waiting for LOW (data start)\n");
            return -1;
        }
    }

    // ビット読み取り（40ビット = 5バイト）
    for (int i = 0; i < 40; i++) {
        // LOW: 開始ビット (約50us)
        timeout = 0;
        while (!gpio_read()) {
            delay_us(1);
            if (++timeout > 100) {
                printf("Timeout waiting for HIGH at bit %d\n", i);
                return -1;
            }
        }

        // HIGHパルス長で0/1を判別
        delay_us(35);  // 約26〜28us: 0, 70us: 1

        if (gpio_read()) {
            data[i / 8] |= (1 << (7 - (i % 8)));
        }

        // HIGHが続く場合、LOWに戻るまで待つ
        timeout = 0;
        while (gpio_read()) {
            delay_us(1);
            if (++timeout > 100) break;
        }
    }

    // チェックサム確認
    uint8_t sum = data[0] + data[1] + data[2] + data[3];
    if (data[4] != sum) {
        printf("Checksum error: got %d, expected %d\n", data[4], sum);
        return -1;
    }

    *humidity = data[0];
    *temperature = data[2];
    return 0;
}

int main() {
    int fd = open("/dev/mem", O_RDWR | O_SYNC);
    if (fd < 0) {
        perror("open");
        return 1;
    }

    gpio_base = (uint32_t *)mmap(NULL, GPIO_MEM_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE,
                                 MAP_SHARED, fd, RK3328_GPIO2_BASE);
    if (gpio_base == MAP_FAILED) {
        perror("mmap");
        close(fd);
        return 1;
    }

    int humidity = 0, temperature = 0;
    int retries = 5;
    while (retries-- > 0) {
        if (read_dht11_data(&humidity, &temperature) == 0) {
            printf("成功: 湿度 %d%%, 温度 %d°C\n", humidity, temperature);
            break;
        }
        printf("再試行中...\n");
        sleep(1); // DHT11の仕様では1秒以上空ける必要あり
    }

    munmap((void *)gpio_base, GPIO_MEM_SIZE);
    close(fd);
    return 0;
}

ビルドと実行

$gcc -O2 -o dht11_mmap dht11_mmap.c
$sudo ./dht11_mmap

終わりに

chatGPTさん、すごいな。もう無理かと思っていたことで解決できたことに感謝!
NANOPI NEO3でDHT11が使えること分かったし、そもそも GPIOが制御できなかったのみ、これで解決した。

フルソースは、GitHubに置きました。お役に立てれば幸いです。

あとがき

そして、これが現在のNANOPI NEO3です。まだまだ拡張できるかな?

USB3.0 aeroTAP 3D USB GSカメラ
USB2.0 WiFi
GPIO DHT11
LAN Gigabit LAN
裏にヒートシンク

SmartSensor.jpg

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