PRACA DYPLOMOWA INŻYNIERSKA

Transkrypt

1 AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE WYDZIAŁ INFORMATYKI, ELEKTRONIKI I TELEKOMUNIKACJI KATEDRA ELEKTRONIKI PRACA DYPLOMOWA INŻYNIERSKA BEZPRZEWODOWA SIEĆ KONTROLNO-STERUJĄCA Z INTERFEJSEM BLUETOOTH DLA URZĄDZEŃ MOBILNYCH Z SYSTEMEM ANDROID CONTROL AND COMMAND WIRELESS NETWORK WITH BLUETOOTH INTERFACE FOR MOBILE DEVICES WITH ANDROID SYSTEM Imię i nazwisko: Kierunek studiów: Opiekun pracy: Łukasz Tomaszowicz Elektronika i Telekomunikacja dr inż. Jacek Kołodziej Kraków, rok 2013

2 Oświadczam, świadomy odpowiedzialności karnej za poświadczenie nieprawdy, że niniejszą pracę dyplomową wykonałem osobiście i samodzielnie i że nie korzystałem ze źródeł innych niż wymienione w pracy. 2/53

3 Spis treści 1.Wstęp Cel i zakres pracy Założenia projektowe Charakterystyka warstwy sprzętowej modelu sieci Moduły kontrolno sterujące Blok centralny mikrokontroler ATmega8L Blok zasilania Przełącznik konfiguracyjny Blok komunikacji radiowej Wejścia analogowe oraz wyjścia przekaźnikowe Zewnętrzne złącza rozszerzające Blok serwisowy Projekt płytki drukowanej modułu kontrolno- sterującego Fizyczny wygląd modułów kontrolno-sterujących Moduł punktu dostępowego Blok centralny mikrokontroler ATmega32L Moduł komunikacji Bluetooth BTM Projekt płytki drukowanej punktu dostępowego Fizyczny wygląd punktu dostępowego Wykaz wykorzystanych elementów Oprogramowanie modułu kontrolno-sterującego, punktu dostępowego oraz aplikacja dla systemu Android Wspólne fragmenty kodu dla urządzeń kontrolno sterujących oraz punktu dostępowego Komunikacja radiowa 868MHz Ramki komunikacyjne Komendy komunikacyjne pomiędzy urządzeniami podrzędnymi a nadrzędnym Wejścia analogowe Wyjścia przekaźnikowe oraz diody statusowe Obsługa magistrali 1-wire Punkt dostępowy Algorytm wyszukiwania nowych i obsługi podłączonych urządzeń Obsługa komunikacji Bluetooth Komendy komunikacyjne pomiędzy urządzeniem nadrzędnym a aplikacją Android39 3/53

4 3.2.3 Algorytm działania urządzenia Moduły kontrolno- sterujące Obsługa przełącznika konfiguracyjnego Algorytm działania urządzenia Aplikacja użytkownika dla systemu Android Kilka słów o Androidzie Narzędzia niezbędne do pisania oprogramowania Koncepcja Aplikacji Podsumowanie i możliwości dalszego rozwoju projektu Bibliografia Dodatek A. Spis zawartości płyty DVD /53

5 1.Wstęp Szybki wzrosty liczby smartfonów, tabletów i innych urządzeń mobilnych, otwiera nowe możliwości zastosowania elektroniki. Bezpowrotnie minęły czasy, w których jedynym interfejsem użytkownika systemu mógł być skomplikowany zestaw przełączników i lampek. Smartfony są dziś powszechnym narzędziem ułatwiającym pracę, rozrywkę czy edukację, a jako urządzenia w pełni multimedialne są budowane w oparciu o duże ekrany dotykowe, co sprawia, iż doskonale nadają się do prezentacji graficznego interfejsu użytkownika zbudowanego systemu. Do bezprzewodowej komunikacji z innymi urządzeniami można wykorzystać interfejsy bezprzewodowe WLAN lub Bluetooth. Powoduję to, iż koszt budowy sytemu może zostać znacznie zmniejszony, gdyż sprzętowo nie jest już wymagany dodatkowy komputer z monitorem czy dedykowany wyświetlacz. Takim wyświetlaczem może być przecież tablet lub smartfon. Oczywiście sam smartfon, podobnie zresztą jak komputer, bez odpowiednich aplikacji jest bezużyteczny. Analizując udział w rynku poszczególnych mobilnych systemów operacyjnych okazuje się, iż ponad połowę rynku (50,9% [1]) zajmują urządzenia pracujące pod kontrolą systemu Android. Dlatego myśląc o napisaniu aplikacji na urządzenia mobilne w pierwszej kolejności należy skupić swoją uwagę na aplikacji uruchamianej na tych właśnie urządzeniach. 1.1 Cel i zakres pracy Celem pracy dyplomowej jest opracowanie i wykonanie prototypu bezprzewodowej sieci kontrolno-sterującej z interfejsem Bluetooth dla urządzeń mobilnych pracujących z systemem Android. Do zakresu pracy należy: rozpoznanie i analiza postawionego problemu, analiza możliwości rozwiązań, przygotowanie niezbędnych schematów ideowych elektroniki urządzeń, zaprojektowanie obwodów drukowanych urządzeń na podstawie schematów, produkcja obwodów drukowanych, przygotowanie, wg stworzonego projektu, odpowiedniej liczby urządzeń, wystarczającej do przetestowania zaproponowanego rozwiązania postawionego problemu, 5/53

6 napisanie oprogramowania wbudowanego dla urządzeń, zapewniającego prawidłowe działanie sieci, napisanie oprogramowania dla systemu Android pozwalającego na pełną kontrolę nad zbudowaną siecią za pomocą urządzenia wyposażonego w interfejs Bluetooth, analiza zastosowanego rozwiązania oraz wnioski. 1.2 Założenia projektowe Przed przystąpieniem do praktycznej realizacji celu pracy dyplomowej, na podstawie wstępnej analizy problemu, określone zostały następujące założenie techniczne dotyczące projektu: Sieć kontrolno-sterująca będzie pracować w oparciu o model Master/Slave. Urządzeniami typu Slave będą moduły kontrolno-sterujące. Urządzeniem nadzorującym prace sieci, typu Master, będzie punkt dostępowy. Dostęp do modułów kontrolno-sterujących będzie możliwy tylko za pośrednictwem punktu dostępowego. Komunikacja między punktem dostępowym, a modułami kontrolno-sterującymi będzie odbywać się tylko drogą radiową na częstotliwości nośnej 868MHz. Komunikacja między punktem dostępowym, a urządzeniem mobilnym będzie odbywać się za pośrednictwem interfejsu Bluetooth (2,4GHz). Moduły kontrolno-sterujące zostaną wyposażone między innymi w: 2 wyjścia przekaźnikowe, 2 wejścia analogowe, interfejs 1-wire. W jednej sieci może pracować maksymalnie 8 modułów kontrolno-sterujących, rozróżnialnych na podstawie unikalnych nastaw przełącznika konfiguracyjnego. Wszystkie zaprojektowane urządzenia będą mogły być zasilane ze źródła napięcia stałego od 7 do 15V. Opracowane protokoły transmisyjne powinny zapewniać: możliwość sprawdzenia poprawności otrzymanej ramki (sumy kontrolne), retransmisję uszkodzonych ramek (pola sekwencyjne), oraz bezproblemową transmisję ramek o długości co najmniej 40 bajtów (licząc wraz z nagłówkiem i suma kontrolną). 6/53

7 Podczas konfiguracji sieci zmiana adresu urządzenia nie powinna wymagać restartu urządzenia kontrolno-sterującego. Interfejs użytkownika powinien posiadać: możliwość śledzenia aktualnego stanu wejść analogowych, wyjść przekaźnikowych oraz umożliwiać zmianę ich stanu. Aplikacja użytkownika zostanie napisana dla systemu Android. Aplikacja użytkownika powinna posiadać moduł umożliwiający wyszukiwanie i łączenie do urządzeń bluetooth. Zmiana stanu dowolnego wejścia analogowego lub wyjścia przekaźnikowego powinna być przekazana i zobrazowana na interfejsie użytkownika, w czasie nie dłuższym niż 3 sekundy od chwili wystąpienia wymuszenia. Zmiana stanu dowolnego wyjścia przekaźnikowego powinna nastąpić w czasie nie dłuższym niż 3 sekundy od momentu wydania polecenia zmiany stanu w interfejsie użytkownika, Rozłącznie lub podłączenie nowego urządzenia nie powinno wymagać rekonfiguracji istniejącej sieci, Rozłączenie lub podłączenie urządzenia do istniejącej sieci następuje automatycznie, bez ingerencji użytkownika systemu i jest sygnalizowane w interfejsie użytkownika w czasie nie przekraczającym 3 sekund. 7/53

8 2. Charakterystyka warstwy sprzętowej modelu sieci Realizacja całego projektu opiera się o 3 podstawowe elementy. Są to: moduły kontrolno-sterujące, moduł punktu dostępowego, oraz urządzenie z systemem operacyjnym Android. Punkt dostępowy oraz moduł kontrolno-sterujący został zaprojektowany w programie Altium Designer. Sercem tych urządzeń są popularne mikrokontrolery z 8-bitowej rodziny firmy Atmel, odpowiednio ATmega32 oraz Atmega8. Komunikacja pomiędzy omawianymi urządzeniami odbywa drogą radiową w oparciu o moduły nadawczo-odbiorcze firmy HopeRF - RFM12B [2]. Punkt dostępowy wyposażony jest dodatkowo w interfejs Bluetooth, umożliwiając komunikację z urządzeniami kontrolno-sterującymi poprzez dowolne urządzenie wyposażone w ten interfejs oraz odpowiednie oprogramowanie. W założeniach projektowych zdefiniowano, iż interfejs użytkownika całości systemu zostanie utworzony w systemie Android. Dlatego, jako urządzenie sterujące całością systemu zastosowano tablet Archos 101 G9 16GB [3], który zaopatrzony został w system Android 2.2. Należy jednak zwrócić uwagę na fakt, iż sprzętowo wymagane jest jedynie, aby urządzenie nadzorujące pracę sieci wyposażone było w interfejs komunikacyjny Bluetooth. W związku z tym może to być zarówno tablet, jak i telefon komórkowy czy nawet komputer, niezależnie od systemu operacyjnego, o ile zostanie przygotowane oprogramowanie pozwalające na obsługę protokołu komunikacyjnego omawianego systemu. Oznacza to, że rozwinięcie systemu o obsługę dodatkowych urządzeń z systemami ios, Symbian, Windows czy Linux jest stosunkowo proste i nie wymaga zmian w zaproponowanej strukturze sprzętowej przedstawionej na rysunku /53

9 Rysunek 2.1. Schemat sieci modułów kontrolno-sterujących 2.1 Moduły kontrolno sterujące Moduły te są elementem znajdującym się najdalej od użytkownika w hierarchicznej strukturze przedstawianego projektu. Jednak są bardzo ważnym jego elementem. Na rysunku 2.1 został przedstawiony schemat blokowy urządzenia, który zostanie omówiony w kolejnych podpunktach tego podrozdziału. Rysunek 2.2. Schemat blokowy urządzenia kontrolno-sterujące Blok centralny mikrokontroler ATmega8L Najważniejszym elementem urządzenia kontrolno-sterującego jest 8-bitowy mikrokontroler ATmega8L [4] pozwalający zapisywać w nielotnej pamięci FLASH program o rozmiarze nie przekraczającym 8kB. 9/53

10 Tabela 2.1. Uzupełniająca specyfikacja kontrolera ATmega8 Typ układu scalonego mikrokontroler AVR Organizacja pamięci Flash 8kx8bit Pojemność pamięci EEPROM 512B Pojemność pamięci SRAM 1024B Obudowa TQFP32 Częstotliwość taktowania 16MHz Liczba wejść/wyjść 23 Liczba kanałów PWM 3 Liczba timerów 8-bit 2 Liczba timerów 16-bit 1 Montaż SMD Napięcie pracy V Mikrokontroler ten został wykorzystany, ponieważ oferowane przez niego możliwości (np. wielkość pamięci Flash, ilość wejść/wyjść, obecność sprzętowego portu szeregowego) są wystarczające do realizacji zadania określonego przez wymagania projektowe, a jednocześnie jest on układem tanim i powszechnie dostępnym. Rysunek 2.3 przedstawia schemat ideowy całego urządzenia. Jest on uproszczony poprzez przedstawienie niektórych elementów, jako samodzielnych bloków funkcjonalnych podłączonych do kontrolera. Dla przejrzystości bloki, o których mowa zaznaczone zostały kolorem zielonym, znajdują one odzwierciedlenie w rysunku 2.2 i zostaną szerzej umówione na kolejnych stronach niniejszego opracowania. Urządzenie zawiera złącze ISP pozwalające na programowanie mikrokontrolera. 10/53

11 Rysunek 2.3. Schemat ideowy urządzenia kontrolno- sterującego Blok zasilania Urządzenie kontrolno-sterujące wymaga zasilania 12V DC o wydajności prądowej nie mniejszej niż 200mA. Dlatego w przedstawianym projekcie każde z nich zostało wyposażone w zewnętrzny zasilacz impulsowy, podłączany bezpośrednio do sieci energetycznej ~230V AC, który na wyjściu zapewnia 12V DC. Aby możliwe stało się zasilanie innych urządzeń (np. oświetlenia LED) z tego samego zasilacza jego 11/53

12 wydajność prądowa znacznie przekracza wspomniane 200mA i wynosi 1,5A. Blok zasilania został przedstawiony na rysunku 2.4. Rysunek 2.4. Schemat ideowy bloku zasilania urządzenia kontrolno-sterujące Krzemowa dioda prostownicza GL1B (ZAS_D1) na wejściu zabezpiecza urządzenie przed odwrotną polaryzacją. Dzielnik napięcia, zrealizowany na rezystorach (ZAS:R1 oraz ZAS:R2) pozwala zmierzyć napięcie zasilania na jednym z kanałów ADC mikrokontrolera, aby możliwe było przekazanie informacji o za wysokim lub zbyt niskim napięciu do interfejsu użytkownika. Jak łatwo zauważyć stosunek podziału tego dzielnika wynosi 10/1. Głównym elementem bloku zasilającego jest nieregulowany stabilizator napięcia LDO (Low-dropout) LD1117 (ZAS:U1) w wariancie zapewniającym na wyjściu napięcie w zakresie 3,235V do 3,365V o maksymalnej wydajności prądowej do 800mA [5]. Układ ten posiada wewnętrzne zabezpieczenie termiczne oraz prądowe, chroniące go przed uszkodzeniem w razie nadmiernego obciążenia. Na wejściu oraz na wyjściu stabilizatora zastosowane zostały elektrolityczne kondensatory filtrujące. Poprawne działanie bloku zasilania sygnalizowane jest zieloną diodą LED (ZAS:D2). 12/53

13 2.1.3 Przełącznik konfiguracyjny Założenia projektowe wymuszają konieczność zastosowania w omawianym urządzeniu przełącznika konfiguracyjnego. Przełącznik zapewnia między innymi możliwość określenia unikalnego, dla danej sieci modułów, adresu urządzenia. Rysunek 2.5. Schemat ideowy przełącznika konfiguracyjnego Jak można zaobserwować na rysunku 2.5 przełącznik (DIP:U1) z jednej strony podłączony jest do masy natomiast z drugiej do linii sygnałowych. Dzięki rezystorom podciągającym (DIP:R1-R4), w przypadku, gdy przełącznik ma rozwarte styki, linia sygnałowa znajduje się w stanie logicznej 1. Jeśli natomiast jeden ze styków przełącznika zostanie zwarty to odpowiadająca mu linia sygnałowa zmieni stan na logiczne 0. Linie sygnałowe są podłączone bezpośrednio do wejść cyfrowych mikrokontrolera Blok komunikacji radiowej Urządzenie zostało wyposażone w blok komunikacji radiowej, którego głównym elementem jest wyprodukowany przez firmę HopeRF moduł RFM12B. Można wybrać układ w jednej z czterech wersji częstotliwości 315, 433, 868 oraz 13/53

14 915MHz. W omawianym projekcie został wykorzystany ten o częstotliwości 868MHz. Do podstawowych zalet RFM12B zaliczyć należy [2]: małe wymiary 16x16x4,2 mm, brak konieczności stosowania dodatkowych elementów zewnętrznych, interfejs komunikacyjny SPI, możliwość pracy z szybkością maksymalną bodów, minimalne napięcie zasilania 2,2V, możliwość zastosowanie tam gdzie wymagane jest zasilanie bateryjne, dzięki dwóm specjalnym trybom pracy: Sleep oraz Wake-up timer. Zbadany doświadczalnie zasięg uzyskany na antenach w postaci 8cm odcinków przewodów wyniósł około 100 metrów w otwartej przestrzeni. Natomiast w badanej przestrzeni zamkniętej nie stwierdzono problemów z komunikacją. Należy jednak dodać, iż jako przestrzeń zamknięta rozumieć należy jednorodzinny dom zbudowany w oparciu o 2 żelbetowe płyty o grubości 12 centymetrów i ściany wykonane z cegły ceramicznej. Rysunek 2.6. Blok komunikacji radiowej Jak zostało pokazane na rysunku 2.6 do komunikacji mikrokontrolera z torem radiowym zostały wykorzystane 4 linie interfejsu SPI (SDO, SDI, SCK, SEL) oraz linia przerwania IRQ. Układ zasilany jest napięciem 3,3V, podobnie jak mikrokontroler, dlatego nie są wymagane dodatkowe elementy dopasowujące poziomy napięć poszczególnych linii interfejsu SPI. 14/53

15 Rysunek 2.7. Wygląd modułu RFM12B w wersji SMD Rysunek 2.8. Topologia wyprowadzeń modułu RFM12B w wersji SMD Tabela 2.2 Opis wyprowadzeń modułu RFM12B Nazwa wyprowadzenia Pełniona funkcja nint/vdi Przerwanie zewnętrzne VDD Zasilanie SDI Dane wejściowe SPI SCK Zegar SPI nsel Wybór układu SPI SDO Dane wyjściowe SPI nirq Żądanie przerwania FSK/DATA/nFFS Dane wejściowe (FSK)/odbiór danych (FSK)/wybór FIFO DCLK/CFIL/FFIT Wyjście zegara/ kondensatory filtrujące (tryb analogowy)/ przerwanie zapełnienia buforu FIFO CLK Wyjście sygnału taktującego dla innego układu nres Reset GND Masa Wejścia analogowe oraz wyjścia przekaźnikowe Kolejnym blokiem niezbędnym w zaprojektowanym urządzeniu jest moduł wejść analogowych. Został on zaprojektowany w taki sposób, aby możliwe było wykrywanie poziomu dołączonej rezystancji. Jest to cecha pożądana z punktu widzenia możliwości wykorzystania, jako wejść czujek SSWIN (system sygnalizacji napadu i włamania). Oczywiście do wejść analogowych można podłączyć także zwykłe przyciski mono lub bistabilne będą one wykrywane jako zerowa lub nieskończona 15/53

16 rezystancja. W przypadku wykorzystania przycisków przed wykrywaniem drgań jego styków podczas zmiany stanu zabezpiecza kondensator (IN1C1 oraz IN2C1) włączony równolegle z zabezpieczającą diodą Zenera (IN1_DZ1 oraz IN2_DZ1). Dioda chroni pin mikrokontrolera przed dołączeniem do niego zbyt wysokiego potencjału dodatniego (powyżej 3,6V) i ujemnego (większego niż -0,7V). Urządzenie zostało wyposażone w dwa identyczne, ale niezależne obwody wejściowe podłączone do dwóch różnych kanałów przetwornika ADC mikrokontrolera. Rysunek 2.9. Wejścia analogowe Urządzenie kontrolno-sterujące zostało wyposażone w dwa przekaźniki (OUT1_PK1 oraz OUT2_PK1), w których cewki są zasilane napięciem 12V. Do jej zasilana wykorzystano tranzystor typu NPN-BC846 (OUT1_T1 oraz OUT2_T1). Rozłączenie obwodów indukcyjnych w chwili rozwarcia cewki generuje szpilkę napięciową związaną z mechanizmem samoindukcji [6]. Aby wyeliminować ewentualne skutki tego zjawiska została do uzwojeń cewki przekaźnika włączona dioda prostownicza GL1B (OUT1_D1 oraz OUT2_D1). Istnieje możliwość wybrania wyjściowych styków przekaźnika jak normalnie otwartych (NO) lub jako normalnie zamkniętych (NC). O aktualnym stanie każdego z przekaźników informuje odpowiednia dla każdego wyjścia dioda LED (OUT1_D2 oraz OUT2_D2). 16/53

17 Rysunek 2.10.Wyjścia przekaźnikowe Zewnętrzne złącza rozszerzające W celu rozszerzenia funkcjonalności prezentowanego urządzenia został wyprowadzony interfejs 1-wire umożliwiający podłączenie innych niewielkich urządzeń jak np. termometr cyfrowy. Rysunek Zewnętrzne złącza rozszerzające W celu zaprezentowania takiej możliwości omawiane urządzenie zostało wyposażone w popularny termometr cyfrowy DS18B20, co nie zostało pokazane na rysunku 2.11, ponieważ jest to jedynie przykład wykorzystania wyprowadzonego interfejsu. W stosunkowo prosty sposób można do urządzenia podłączyć także inne, np. rezystancyjne, czujniki wykorzystując w tym celu interfejs analogowy. Warto dodać, iż interfejs ten to zwykły dzielnik napięciowy, w którym istnieje możliwość uzależnienia jednej z rezystancji od mierzonego przez czujnik parametru. Pełne wykorzystanie 17/53

18 spektrum zmian rezystancji takiego czujnika może wymagać zmiany wartości rezystancji (R_AN_IN) w bloku omawianego interfejsu. Jak wspomniano, do interfejsu 1-wire, jako przykład zastosowania, dołączono termometr cyfrowy DS18B20. W programie mikrokontrolera został natomiast przygotowany odpowiedni zestaw procedur (o czym będzie mowa w kolejnym rozdziale) pozwalający na obsługę tego urządzenia. DS18B20 jest cyfrowym czujnikiem temperatury pozwalającym na zaprogramowanie rozdzielczości pomiaru. Jego podstawowe cechy to [7]: komunikacja za pomocą interfejsu 1-wire, każdy odbiornik posiada unikalny 64 bitowy kod umieszczony w wewnętrznej pamięci ROM układu, maksymalnie uproszczony sposób odczytu temperatury, nie potrzebuje żadnych zewnętrznych komponentów, może być zasilany z linii danych, zasilanie od 3V do 5,5V, dokładność 0,5 C dla zakresu -10 C 85 C możliwość ustawienia rozdzielczości od 9 do 12 bitów, konwersja 12 bitowego słowa maksymalnie 750ms. Rysunek 2.12 przedstawia budowę logiczną układu DS18B20. Pamięć ROM 64-bitowa zawiera unikalny adres układu. Scratchpad (notatnik) zawiera 2 bajtowy rejestr z wartością temperatury dostarczoną cyfrowo z czujnika. W dodatku scratchpad zapewnia dostęp do jedno-bajtowego rejestru porównań (TH i TL) oraz do jednobajtowego rejestru konfiguracyjnego. Rejestr konfiguracyjny pozwala na ustawienie rozdzielczości konwersji temperatury (9, 10, 11 lub 12 bitów). TH, TL oraz rejestry konfiguracyjne są typu EEPROM, dlatego ich zawartość nie zmienia się po wyłączeniu zasilania. 18/53

19 Rysunek Schemat blokowy układu DS18B20 [8] Rysunek Topologia wyprowadzeń układu DS18B20 [8] Blok serwisowy W celu monitorowania poprawności wykonywania programu mikrokontrolera został wprowadzony blok serwisowy. Pozwala on w łatwy sposób zdiagnozować ewentualne błędy w oprogramowaniu. Wykorzystany został interfejs komunikacyjny UART mikrokontrolera. Aby możliwe było bezpośrednie podłączenie urządzenia do komputera za pomocą portu RS-232 wykorzystano konwerter MAX3232 [9], który jest jednym z wielu wariantów popularnego układu MAX232 [10]. Podstawowa różnica między układami jest taka, iż MAX3232 pozwala na pracę już od napięcia na poziomie 3,3V, a także wykorzystanie kondensatorów o mniejszej pojemności 100nF. Omawiane złącze posiada pin zasilający (3,3 V) umożliwiający zasilenie konwertera (np. RS232-USB), jeśli taki byłby wymagany. Na rysunku 2.14 został przedstawiony blok serwisowy urządzenia. 19/53

20 Rysunek Blok serwisowy urządzenia kontrolno-sterującego Projekt płytki drukowanej modułu kontrolno- sterującego Przedstawione powyżej schematy są efektem analizy postawionego problemu, próby jego rozwiązania, a także opracowania 2 płytek prototypowych. Ostatecznie wersja płytki została przedstawiona na rysunkach 2.15, 2.16, oraz Kształt obrysu płytki, a także otworów montażowych został zaprojektowany tak, aby urządzenie mogło zostać umieszczone w standardowej obudowie na szynę DIN - Z102 [11]. Rysunek Projekt płytki drukowanej warstwa TOP 20/53

21 Przedstawiona płytka drukowana została wykonana na podstawie przygotowanej dokumentacji technicznej w formacie GERBER, przez firmę SATLAND Prototype z Gdańska [12]. Dwuwarstwowy obwód drukowany został zaprojektowany w taki sposób, aby możliwe było osadzenie wszystkich elementów SMD tylko na jednej stronie laminatu. Ma to duże znaczenie z uwagi na koszt seryjnej produkcji urządzeń elektronicznych. Na potrzeby pracy dyplomowej zostały wykonane 3 identyczne urządzenia tak, aby możliwe stało się stosunkowo łatwe pokazanie rozwiązania postawionego problemu. Płyta drukowana posiada wymiary 83x48[mm]. Rysunek Projekt płytki drukowanej warstwa BOTTOM Rysunek Projekt płytki drukowanej warstwa TOP oraz BOTTOM 21/53

22 2.1.9 Fizyczny wygląd modułów kontrolno-sterujących Na rysunku 2.18 przedstawiony został wygląd zmontowanego urządzenia. Rysunek Moduł kontrolno sterujący rzeczywisty wygląd urządzenia 2.2 Moduł punktu dostępowego Punkt dostępowy to urządzenie nadzorujące pracę urządzeń kontrolnosterujących. Jego schemat blokowy został zamieszczony na rysunku Rysunek Schemat blokowy urządzenia kontrolno-sterującego 22/53

23 Jak widać punkt dostępowy zaprojektowany został jako urządzenie nieznacznie różniące się od przedstawionego już urządzenia kontrolno-sterującego. Podstawowe różnice w schemacie blokowym to: - brak bloku serwisowego, - brak przełącznika konfiguracyjnego, - dodatkowy blok komunikacyjny Bluetooth, - mikrokontroler ATmega32L. W kolejnych podpunktach niniejszego opracowania postaram się omówić tylko nowe elementy, ponieważ pozostałe bloki są identyczne, jak w przypadku modułów kontrolno-sterujących Blok centralny mikrokontroler ATmega32L Sercem modułu punktu dostępowego jest mikrokontroler ATmega32L [13]. Dzięki zastosowaniu tego układu programista otrzymuje do dyspozycji aż 32kB nielotnej pamięci Flash. Biorąc pod uwagę zadania, jakie będzie wykonywał punkt dostępowy, taka ilość pamięci wydaje się być niezbędna. Omawiany mikrokontroler posiada także 2kB wewnętrznej statycznej pamięci RAM. Tabela 2.3. Uzupełniająca specyfikacja kontrolera ATmega32L Typ układu scalonego mikrokontroler AVR Organizacja pamięci Flash 8kx8bit Pojemność pamięci EEPROM 1024B Pojemność pamięci SRAM 2048B Obudowa TQFP44 Częstotliwość taktowania 16MHz Liczba wejść/wyjść 32 Liczba kanałów PWM 4 Liczba timerów 8-bit 2 Liczba timerów 16-bit 1 Montaż SMD Napięcie pracy V Dodatkowymi parametrami przemawiającymi za wyborem mikrokontrolera ATmega32L niewątpliwie były jego dostępność oraz cena (aktualnie poniżej 10 zł). Na rysunku 2.20 zaprezentowany został schemat ideowy urządzenia, w którym dla uproszczenia na zielono zaznaczono bloki: zasilania, wejść/wyjść oraz komunikacji radiowej. Moduł Bluetooth zastał dołączany do punktu dostępowego za pomocą 5- pinowego złącza, jako dodatkowe urządzenia. Więcej szczegółów znaleźć można w kolejnym podpunkcie. 23/53

24 Rysunek Schemat ideowy urządzenia kontrolno- sterującego 24/53

25 2.2.2 Moduł komunikacji Bluetooth BTM112 Do komunikacji punktu dostępowego z urządzeniem mobilnym za pomocą interfejsu Bluetooth wykorzystany został moduł BTM112. Od strony punktu dostępowego wymaga on jedynie odpowiedniego podłączenia pinów RX oraz TX interfejsu UART. Z tego powodu bazując na BTM112 został stworzony mały moduł Bluetooth, działający jako niezależnie urządzenie, posiadający 5 wyprowadzeń o następującym znaczeniu: ANT Antena VCC Napięcie zasilania (5..15 V) GND Masa RX Odbiór danych UART TX Nadawanie danych UART Rysunek 2.21 Wygląd BTM112 [14] Rysunek 2.22 Schemat ideowy modułu Bluetooth Rysunek 2.23 Wygląd jednowarstwowej płytki drukowanej modułu bluetooth 25/53

26 BTM-112 jest zintegrowanym układem Bluetooth klasy 2 o stosunkowo niewielkim rozmiarze (25x14.5x2.2mm), pracującym zgodnie ze standardem Bluetooth 2.0 EDR [15]. Posiada on wyprowadzenia USB oraz UART. Potrafi pracować w trybie SPP (Serial Port Profile). Dzięki obsłudze komend AT jego odpowiednia konfiguracja jest prosta. Do poprawnej pracy wymaga napięcia zasilania w przedziale od 3 do 3,6V. Nadajnik o mocy 2,5mW pozwala uzyskać zasięg do 10 metrów. Na potrzeby omawianego projektu za pomocą komend AT zostały zmienione następujące parametry: LocalEcho OFF, BaudRate bps, DeviceName: PD_AGH_BLUETOOTH. Warto dodać, iż parametry te zostały zmienione za pomocą komputera jeden raz i nie są ustawiane przez punkt dostępowy przy starcie urządzenia. Ewentualna zmiana modułu Bluetooth na inny musi zostać poprzedzona odpowiednią jego konfiguracją Projekt płytki drukowanej punktu dostępowego Na podstawie zaprezentowanych schematów ideowych została przygotowana kolejna płytka drukowana. Jej wygląd został przedstawiony na rysunkach Rysunek 2.24 Projekt płytki drukowanej warstwa TOP 26/53

27 Rysunek 2.25 Projekt płytki drukowanej warstwa Bottom Rysunek 2.26 Projekt płytki drukowanej warstwy TOP oraz Bottom 27/53

28 2.2.4 Fizyczny wygląd punktu dostępowego Na rysunku 2.27 przedstawiony został wygląd zmontowanego urządzenia w obudowie Z-100. Rysunek 2.27 Punkt dostępowy rzeczywisty wygląd urządzenia 28/53

29 2.3 Wykaz wykorzystanych elementów Tabela 2.4 przedstawia pełną listę elementów niezbędnych do produkcji punktu dostępowego i modułu kontrolno-sterującego. Tabela 2.4. Zestawienie elementów Nazwa Rodzaj Ilość Punkt dostępowy JRC23 Przekaźnik 2 LD1117S33TR Stabilizator 3,3V 1 BTM_MODULE Moduł Bluetooth 1 ATmega32-16AI Mikrokontroler 1 GL1B Dioda prostownicza 3 DZ3V6 Dioda zenera 2 100µF/16V Kondensator elektrolityczny 2 100nF Kondensator mlcc 2 LED_B Dioda LED niebieska 1 LED_R Dioda LED czerwona 1 LED_G Dioda LED zielona 5 BC846 Tranzystor NPN 2 470R Rezystor 5 2k Rezystor 2 4k7 Rezystor 1 10k Rezystor 5 1k1 Rezystor 4 10R Rezystor 2 120R Rezystor 2 RFM12B Moduł radiowy 1 DG P11 Listwa zaciskowa; 3,5mm; tory:2; 2 DG P11 Listwa zaciskowa; 3,5mm; tory:3; 2 Moduł kontrolno sterujący JRC23 Przekaźnik 2 LD1117S33TR Stabilizator 3,3V 1 DIP_SW_4 Przełącznik konfiguracyjny 1 MAX3232 Układ scalony 1 ATmega8L-8AC Mikrokontroler 1 GL1B Dioda prostownicza 3 DZ3V6 Dioda zenera 3 100µF/16V Kondensator elektrolityczny 2 100nF Kondensator mlcc 8 LED_B Dioda LED niebieska 1 LED_R Dioda LED czerwona 1 LED_G Dioda LED zielona 3 BC846 Tranzystor NPN 2 2k Rezystor 2 10k Rezystor 10 1k1 Rezystor 3 430R Rezystor 1 470R Rezystor 2 270R Rezystor 2 4k7 Rezystor 1 10R Rezystor 2 120R Rezystor 2 RFM12B Moduł radiowy 1 DG P11 Listwa zaciskowa; 3,5mm; tory:2; 2 DG P11 Listwa zaciskowa; 3,5mm; tory:3; 2 29/53

30 3. Oprogramowanie modułu kontrolnosterującego, punktu dostępowego oraz aplikacja dla systemu Android Kontrolę nad zaprojektowanymi urządzeniami sprawują 8-bitowe mikrokontrolery AVR firmy Atmel. Do kompilacji napisanego kodu użyto WinAVR (AVR-GCC dla Windows), natomiast pracę z kodem źródłowym ułatwiło dedykowane środowisko IDE o nazwie AVR Studio w wersji 4. Do zapisania kodów źródłowych do procesorów użyto programatora zgodnego z STK200/300. W kolejnych podrozdziałach omówione zostały zagadnienia związane z oprogramowaniem wspomnianych urządzeń, a także aplikacji użytkownika działającej w systemie Android. 3.1 Wspólne fragmenty kodu dla urządzeń kontrolno sterujących oraz punktu dostępowego Na podstawie rozdziału drugiego niniejszego opracowania można wysnuć słuszny wniosek, iż urządzenia są sprzętowo w wysokim stopniu podobne. Oczywistym jest zatem fakt, że wiele fragmentów kodu lub nawet całe biblioteki mogą być z powodzeniem wykorzystane w programie zarówno jednego, jak i drugiego urządzenia, dlatego w pierwszej kolejności omówione zostaną te właśnie fragmenty. Natomiast w podpunktach 3.2 oraz 3.3 tylko te, które nie zostały omówione z podpunkcie Komunikacja radiowa 868MHz Jak wcześniej wspomniano, w obu urządzeniach komunikacja radiowa została oparta o ten sam układ (RFM12B), dlatego została stworzona biblioteka do jego obsługi. Do komunikacji z radiowym układem nadawczo-odbiorczym niezbędny jest szeregowy interfejs urządzeń peryferyjnych SPI, dlatego została opracowana funkcja RFM_write_Cmd, pozwalająca wysłać oraz odebrać 16 bitowe dane. Do poprawnej inicjalizacji urządzenia wystarczy wywołać funkcję RFM_Init, która wyśle ciąg instrukcji konfiguracyjnych, w tym np.: częstotliwość pracy bloku radiowego, szybkość transmisji, wartość bajtów synchronizacji oraz opcje związane z zarządzeniem energią. Do odbioru danych z RMF12B służy funkcja RFM_Recv, natomiast do ich wysłania funkcja RMF_Send, która w pierwszej kolejności uaktywnia nadajnik, następnie wysyła 4 bajtową preambułę (0xAA). W kolejnym kroku wysyłany 30/53

31 jest kod synchronizacji (dla wszystkich urządzeń w projekcie są to bajty 0xD2D4, ponieważ adresowanie realizowane jest na wyższej warstwie protokołu transmisyjnego) Następnie wysłany jest bajt zawierający ilość bajtów ramki. Taka sekwencja (preambuła, kod synchronizacji oraz ilość bajtów) wysyłana jest przed każdą ramką komunikacyjną. Komunikacja pomiędzy urządzeniami wymaga określania pewnych podstawowych zasad, według których urządzenia będą się komunikować miedzy sobą. 1. Urządzenie nadrzędne, nadzorujące prace pozostałych urządzeń, to punkt dostępowy. 2. Urządzeniami podrzędnym są moduły kontrolno-sterujące. 3. Tylko urządzenie nadrzędne może zainicjalizować wymianę informacji, czyli żadne z urządzeń podrzędnych samo z siebie nie wyśle żadnych danych, dopóki nie zostanie o to poproszone odpowiednią komendą. 4. Moduły kontrolno-sterujące nie mogą się komunikować bezpośrednio między sobą Ramki komunikacyjne Przesłanie jakiekolwiek informacji pomiędzy modułem kontrolno-sterującym a punktem dostępowym i odwrotnie, wymaga stworzenia odpowiedniej ramki komunikacyjnej. Strukturę dwóch podstawowych typów ramek przedstawiono poniżej - ramka do przesyłania komend (do modułów kontrolno- sterujących) 0xE1 (SOP) Adres (0x00..0x08) Seq (0..255) Kod komendy Dane B0 Dane B1 Dane Bn CRC16 B1 CRC16 B2 0xE2 (EOP) - ramki do przesyłania odpowiedzi na komendy (z modułów kontrolno- sterujących) 0xE1 (SOP) Adres (0x81..0x88) Seq (0..255) Dane B0 Dane B1 Dane Bn CRC16 B1 CRC16 B2 0xE2 (EOP) Znaki specjalne to: 0xE1 (SOP) początek ramki transmisyjnej, 0xE2 (EOP) koniec ramki transmisyjnej, 0xE3 (ESC) w przypadku, gdy którykolwiek z bajtów ramki równy jest jednemu ze znaków specjalnych, nadawany jest bajt ESC oraz zanegowany bajt specjalny. Znaczenie poszczególnych pól ramki transmisyjnej: Dzięki bajtom SOP oraz EOP możliwe jest rozpoznanie startu/końca ramki danych oraz transmisja dowolnych bajtów danych. Każdy bajt wysłany przed SOP oraz po EOP jest ignorowany, 31/53