現在、福島第１原子力発電所の事故の影響で、東日本で電波時計の基準となる福島の送信所からの標準電波(JJY)の運用が止まっています。このため、電波時計の自動調整が行えなくなっています。（西日本は九州からの電波があるため問題ありません。）
このJJYを模擬した出力を、NTPを使って取得した時刻をもとにArduinoを使って発信*1して、電波時計を合わせるのに挑戦してみました。
PCのオーディオ端子を駆使して、同じことをするWindows用ソフトがあり、こちらに触発されて作ってみました。
- JJYシミュレータ : http://www.starstonesoft.com/JJY_Simulator.htm
JJYのフォーマットについては、下に詳しく説明があります。40kHzの電波のON/OFF時間により、1秒に1bitずつ、60bitの信号を1分かけて送信します。
標準電波の出し方
ハードウェアはこんなかんじ。
Arduinoの3pinに送信確認用LEDのアノードを接続し、カソードには適当にリード線を繋ぎます。リード線は、少しくるくる巻いておき、もう片方をGNDに繋ぎます。このリード線がアンテナの役割をします。信号は1mも飛ばないので、すぐ近くに電波時計を置きます。*2
電源を入れると、Ethernetシールドを使ってNTPで正確な時刻を取得します。取得に成功すると、0秒（正分）になったところから信号の送信が開始され、LEDがいろいろな長さで点滅しはじめます。（時刻やNTPの取得状況はシリアル出力を見ると分かります。）
送信が始まったら、合わせたい電波時計を強制受信モードにして、時刻を合わせるのがよいと思います。（なおArduino側は10分に1度NTPで時刻を再取得して時刻を補正しています。）
ソフトウェア的な工夫として、Arduinoからの40kHzの信号を出力するために、今回はPWM出力を使ってみました。AVRのレジスタを直接操作してPWMの周波数を40kHzに変更し、これをJJYのフォーマットに合わせてON/OFFしています。
ちなみにNTPのコードはIDE付属のEthernetライブラリのサンプルを改良してNTPと秒以下まで同期するようにしたものです。
以下、スケッチの内容です。Arduino IDE 0019以降用です。MACアドレスやEthernetの設定などは、お使いの環境に合わせて変更して下さい。
また、下記からダウンロードできるArduino用のTimeライブラリをインストールしておく必要があります。
http://www.arduino.cc/playground/Code/Time
※updated at 3/29 - 日付計算に一部誤りがあったのを修正しました。
#include <SPI.h> #include <Ethernet.h> #include <UDP.h> #include <Time.h> // 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 // Circuit // pin3 - LED -------- GND byte timeServer[] = { 133,243,238,164 }; // ntp.nict.jp NTP server const unsigned int localPort = 8888; // local UDP port const int NTP_PACKET_SIZE= 48; byte packetBuffer[NTP_PACKET_SIZE]; byte timecode[60]; unsigned long lastNTPTime = 0; void setup() { Serial.begin(9600); // Ethernet settings byte mac[] = { 0xDE,0xAD,0xBE,0xEF,0xFE,0xED }; byte ip[] = { 192,168,0,177 }; byte gateway[] = { 192,168,0,1 }; byte subnet[] = { 255,255,255,0 }; Ethernet.begin(mac, ip, gateway, subnet); delay(1000); Udp.begin(localPort); NTPSetTime(); setupTimeCode(); } void loop() { 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(3, OUTPUT); digitalWrite(3, LOW); TCCR2A = _BV(WGM20); TCCR2B = _BV(WGM22) | _BV(CS20); OCR2A = F_CPU / 2 / 40000/*hz*/; OCR2B = OCR2A / 2; /* 50% duty */ sbi(TCCR2A,COM2B1); // print out current time Serial.print(year()); Serial.print('/'); Serial.print(month()); Serial.print('/'); Serial.print(day()); Serial.print(' '); Serial.print(hour()); Serial.print(':'); Serial.print(minute()); Serial.print(':'); Serial.print(second()); Serial.print('('); Serial.print(weekday()); Serial.print(')'); Serial.println(dayOfYear()); // calc signal duration (ms) int ms = calcTimeCodeDuration(); // wait ms and stop PWM while (millis() - startTime < ms); cbi(TCCR2A,COM2B1); if (millis() - lastNTPTime > 10*60*1000L) { NTPSetTime(); lastNTPTime = millis(); } } //=========================== NTP =========================== void NTPSetTime() { sendNTPpacket(timeServer); Serial.println("Waiting NTP response ..."); delay(100); // wait 100 ms to ensure the packet is sent if (!Udp.available()) { } // wait the reply packet Udp.readPacket(packetBuffer,NTP_PACKET_SIZE); unsigned long highWord = word(packetBuffer[40], packetBuffer[41]); unsigned long lowWord = word(packetBuffer[42], packetBuffer[43]); unsigned long secsSince1900 = highWord << 16 | lowWord; unsigned int fraction_hi = word(packetBuffer[44], packetBuffer[45]); // Unix time starts on Jan 1 1970, v.s. NTP ans is since Jan 1 1900. const unsigned long seventyYears = 2208988800UL; unsigned long epoch = secsSince1900 - seventyYears; // wait until next sencod delay(900 - fraction_hi / (65536/1000)); // Set current time in JST (GMT+0900) setTime(epoch + 1 + 9*60*60); Serial.print("localtime = "); Serial.println(epoch); } unsigned long sendNTPpacket(byte *address) { memset(packetBuffer, 0, NTP_PACKET_SIZE); // Initialize values needed to form NTP request 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; //send NTP request packet (port 123) Udp.sendPacket( packetBuffer,NTP_PACKET_SIZE, address, 123); } //=========================== JJY =========================== 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; }
