P.I.W.O.3. Arkadiusz Zieliński Michał Wysocki Wojciech Sleńska. Pierwsza edycja

Transkrypt

1 P.I.W.O.3 Arkadiusz Zieliński Michał Wysocki Wojciech Sleńska Streszczenie: Reprezentujemy Studenckie Koło Naukowe MOS (Microsystems Oriented Society), działające przy Katedrze Metrologii Elektronicznej i Fotonicznej na Wydziale Elektroniki Politechniki Wrocławskiej. Projekt P.I.W.O to stworzony przez nas nietypowy system oświetlenia budynku. Projekt PIWO liczy sobie już trzy lata. Historia ta rozpoczęła się jednak jeszcze rok wcześniej. W 2006 roku, pewnego czerwcowego wieczoru kolega Filip Rus, ówczesny student specjalności Aparatura Elektroniczna na wydziale Elektroniki, wracając z zajęć, mijał osiedle studenckie na Wittigowie. Ponieważ słońce chyliło się już ku zachodowi, w części pokoi w akademikach było włączone światło. W sumie to nic nadzwyczajnego podobne obrazki mijamy bezrefleksyjnie każdego dnia. Potrzebny jest nieszablonowy umysł, by w przypadkowym układzie okien zobaczyć coś więcej. A gdyby tak móc panować nad światłem?. To był pomysł jeden z wielu, jakie zazwyczaj kotłowały się w jego głowie, ten jednak nie dał o sobie zapomnieć. Pierwsza edycja Rok później, w maju rozeszła się wśród studentów wieść, że coś ma się dziać na tekach. Po praz pierwszy pojawiała się nazwa P.I.W.O. Skrót ten, mający na celu prowokować uwagę statystycznego studenta, w rzeczywistości oznacza Potężny Indeksowany Wyświetlacz Oknowy. Potężny, ponieważ akademik T17, w który był instalowany projekt, ma całkiem spore gabaryty. Indeksowany, oznacza możliwość adresowania poszczególnych okien, w celu wyświetlania ruchomych obrazów. Wyświetlacz to oczywiste - celem projektu jest zamiana budynku w duży ekran. Oknowy, ponieważ piksel, czyli najmniejszy świecący punkt w naszym Potężnym Wyświetlaczu, to całe okno. Projekt rodził się w bólach, przede wszystkim z powodów finansowych. Kto przy zdrowych zmysłach zaufa zwykłemu studentowi i da pieniądze na tak dziwny pomysł, jak

2 24 Arkadiusz Zieliński, Michał Wysocki, Wojciech Sleńska zamiana budynku w wyświetlacz? Filip Rus miał jednak odwagę powalczyć o swoje marzenie. Pierwszy pokaz projektu, pomimo znikomej reklamy, zgromadził całkiem sporą publiczność. Studenci czekali z niecierpliwością zapowiadana godzina rozpoczęcia pokazu dawno już wybiła, a na akademiku wciąż nic się nie działo. Po godzinie, autor projektu musiał oznajmić publiczności, że z powodu problemów technicznych pokaz zostaje odwołany. Cóż za zawód dla zgromadzonej publiczności! Kolejna próba odbyła się tydzień później. Tym razem pokaz odbył się zgodnie z planem. Pewnych problemów Rys 1 Osiedle akademickie na Wittiga nie udało się jednak przeskoczyć komputer sterował oświetleniem sufitowym, jakie znajduje się w pokojach. W każdym z nich były jednak wkręcone inne żarówki, co powodowało znaczne różnice w jasności pomiędzy poszczególnymi pikselami. Druga edycja Rozpoczyna się rok akademicki 2007/08. Prezesurę w kole SKN MOS obejmuje Marcin Saj, również student Aparatury Elektronicznej. Ma sporo pomysłów na rozwój koła naukowego. Rozpoczyna się zakrojona na szeroką skalę rekrutacja wśród III roku. Koło pozyskuje wielu nowych ludzi i w sumie liczy około trzydziestu członków. Jego flagowym zadaniem staje się reaktywacja projekrys modułów oświetleniowych tu P.I.W.O. Toczy się gorąca dyskusja na temat jego kształtu. W okolicach luteprojektu P.I.WO.2 go krystalizuje się plan i przystępujemy do realizacji. Bazując na doświadczeniach z minionego roku, budujemy własne moduły oświetleniowe, które zapewnią jednakową jasność wszystkich okien. Moduł ma postać małego plastikowego pudełka z dwiema żarówkami. W środku znajduje się jedynie element wykonawczy w postaci triaka. Wszystkie moduły z danego piętra zostają podłączone do sterownika mikroprocesorowego (jeden na piętro), te zaś wpięte w jedną sieć, podłączoną do komputera. W tym celu musimy położyć w akademiku własną sieć w sumie wykorzystujemy aż 2 km kabla telefonicznego!

3 Rys 3 Malowanie żarówek w czasie drugiej edycji projektu. P.I.W.O.3 25 Pokaz projektu został zaplanowany na 13 maja 2008 roku. Tego dnia, nasze centrum dowodzenia zostało ulokowane na wzniesieniu przed akademikiem. Stąd, za pomocą laptopa, mogliśmy sterować oświetleniem całego budynku. Trudno oszacować liczbę ludzi przybyłych na pokaz, ale był to spory tłum. Szczerze zaskoczyło nas tak duże zainteresowanie, zwłaszcza ze względu na skromną promocję. Jest godzina 21:02 - boisko do koszykówki w całości zapełniło się już publicznością żądną wrażeń. Pokaz miał się rozpocząć punktualnie o godzinie dziewiątej, ale pojawiły się niespodziewane problemy techniczne. W naszej ekipie poziom zdenerwowania rośnie. W końcu jednak udaje się zapanować nad złośliwą materią z głośników rozlega się sygnał syreny, a na akademiku wyświetlają się pierwsze sekwencje animacji. Publika reaguje żywo. Z naszego stanowiska na górce widzimy morze telefonów komórkowych wszystkie wycelowane w akademik. Trzecia edycja Na początku roku akademickiego 2008/09 odbyły się wybory nowych władz koła. W otwartym głosowaniu wybrano Arka Zielińskiego, Michała Wysockiego oraz Wojtka Sleńska. To ludzie, którzy nie widzą świata poza elektroniką. Tym razem nie było już wątpliwości wszyscy oczekiwali trzeciej edycji projektu! Studenci, ponieważ to doskonała rozrywka. Władze, bo to świetna okazja do promocji uczelni. Każda kolejna odsłona projektu przynosi nowe rozwiązania techniczne (dla widzów jest to bez znaczenia dla nas, przyszłych inżynierów, jest to kwestia kluczowa i powód do dumy). Przyjrzyjmy się zatem poszczególnym aspektom. Żarówki Rys 4 Po lewej stronie żarówka z drugiej edycji projektu (malowana spray-em), obok żarówka malowana nową techniką Jednym z większych problemów przy projekcie Potężnego Wyświetlacza był dobór odpowiednich źródeł światła. W pierwszej edycji wykorzystaliśmy żyrandole znajdujące się w każdym pokoju wyświetlacz był jednokolorowy. W drugiej edycji użyliśmy własnych modułów oświetleniowych oraz zwykłych żarówek 100W, z czego połowa była pomalowana przez nas na czerwono farbą do szkła w sprayu. Taka farba nie była przystosowana do wysokich temperatur.

4 26 Arkadiusz Zieliński, Michał Wysocki, Wojciech Sleńska Rys 5 Porównanie czasu zapalenia i wygaszenia żarówek o dwóch różnych mocach Eksperymenty praktyczne wykazały jednak, że choć pomalowane żarówki trochę dymią, to bez problemu wytrzymują godzinny pokaz. Ktoś mógłby spytać, dlaczego nie zastosowaliśmy fabrycznych żarówek? Okazuje się, że na rynku nie ma kolorowych żarówek o większej mocy (jest parę wyjątków, ale ich ceny są bardzo wysokie). Z drugiej strony, pomalowanie 120 żarówek (po jednej na pokój) we własnym zakresie nie stanowi aż takiego wyzwania. Przygotowując się do trzeciej edycji, zastanawialiśmy się, czym można by zastąpić żarówki. Diody LED wydają się najlepszym rozwiązaniem, ale ich cena jest dla nas zaporowa. Braliśmy także pod uwagę świetlówki. Przy sterowaniu za pomocą zimnego zapłonu świetlówki mogłyby pracować przy częstotliwości ok 10Hz (mniejsza częstotliwość pracy powodowałaby duże smużenia np. podczas przewijania tekstu na budynku). Metoda ta wymagałby jednak gruntownych eksperymentów, a na to nie mieliśmy już czasu. W ten sposób wróciliśmy do leciwych żarówek. Postanowiliśmy przynajmniej wyeliminować problemy, jakie objawiły się podczas drugiej edycji. Pierwszym problemem było smużenie przy szybkich animacjach. Żarówka po podłączeniu napięcia nie rozbłyska natychmiast pełnią mocy zimne włókno żarówki potrzebuje trochę czasu, by się rozgrzać. Podobnie przy odłączeniu napięcia włoko chwilę stygnie. Przeprowadziliśmy eksperyment, który miał na celu pomiar czasów zapalania i wygaszania typowych żarówek o różnych mocach. Układ pomiarowy składał się

5 Rys 6 Żarówki zostały ufundowane przez firmę Philips Lighting Poland P.I.W.O.3 27 z fotorezystora w układzie dzielnika napięciowego, oddalonego o 10cm od żarówki. Przebieg zmian natężenia światła rejestrowany był cyfrowym oscyloskopem. Punkt wyzwolenia pochodził z zakłócenia wywołanego zwarciem lub rozwarciem przełącznika sieciowego żarówki. Testy wykazały, że żarówki posiadają podobne czasy zapalania, jednak żarówka o mocy 100W ma dwa razy dłuższy czas gaśnięcia, w stosunku do żarówki 60W. To nas skłoniło do zastosowania dwóch żarówek 60W na kanał (jeden kolor). Co więcej: myśląc nad tym, czym zaskoczyć widzów przy trzeciej edycji, uznaliśmy, że potrzebujemy większej liczby kolorów najlepiej czterech. Jak łatwo policzyć: 120 pikseli 4 kolory 2 żarówki na kolor = 960 żarówek. To już spory wydatek. Choć projekt był w całości finansowany przez Politechnikę Wrocławską, chcieliśmy jej trochę ulżyć. Zwróciliśmy się więc z prośbą o sponsoring do firmy Philips Lighting Poland, będącej czołowym producentem oświetlenia w Polsce. Ta duża i poważna firma zainteresowała się naszym studenckim projektem, dostarczając nam 1050 sztuk żarówek o mocy 60W (by na wypadek awarii mieć pewien zapas). Rys 7 W trakcie malowania żarówek P.I.W.O.3 Mieliśmy już żarówki w dużej ilości tylko jak je teraz pomalować? Byliśmy zdeterminowani, by opracować jakąś nową technikę taką, która byłaby szybsza i dawała lepsze rezultaty. Poszukiwania doprowadziły nas do chemika, który zajmuje się m. in. produkcją farb do malowania zniczy. Zaoferował on farbę na bazie bezbarwnej bazy silikonowej, dedykowanej dla temperatur do 600 C, zmieszanej z odpowiednim barwnikiem. Wypadkowo miało to dać dopuszczalną temperaturę pracy na poziomie 160 C (do tylu stopni rozgrzewa się żarówka). Niedługo po tym otrzymaliśmy cztery puszki z farbą w kolorze czerwonym, niebieskim, zielonym i żółtym. Przystąpiliśmy do opracowania techniki malowania. Okazało się, ze świetne rezultaty daje malowanie przez zamoczenie. Żarówka jest zamaczana w farbie i wyciągana. Następnie podłączana jest do prądu na 3 minuty wysoka temperatura powoduje szybkie schnięcie farby. Po następnych trzech minutach można ją zapakować z powrotem do kartonika.

6 28 Arkadiusz Zieliński, Michał Wysocki, Wojciech Sleńska Aby przyśpieszyć proces, zbudowaliśmy proste urządzenie, składające się z deski, czterech oprawek na żarówki oraz timera na małym AVR-ku (8-bitowym mikrokontrolerze firmy Atmel), który włącza żarówki na określony czas, a następnie sygnalizuje zakończenie procesu malowania poprzez miganie diodą. Moduł oświetleniowy Rys 8 Moduł oświetleniowy projektu P.I.W.O.3 Z uwagi na cztery kolory, zdecydowaliśmy, że każdy moduł oświetleniowy będzie posiadał własną logikę sterującą. Każdy z modułów został więc wyposażony w mikrokontroler odpowiedzialny na sterowanie żarówkami oraz komunikację w sieci. Część układu zasilana napięciem 230V jest izolowana optycznie, co zapewnia bezpieczeństwo i niweluje ryzyko przebicia do sieci sterującej. Poprawność pracy oraz obecność w sieci może zostać zdalnie sprawdzona poprzez specjalną komendę ping, co znacznie ułatwia testowanie sieci. Rys 9 Hub z podpiętym patchcord-em i dwoma terminatorami Wbrew pozorom nie Ethernet Mimo zastosowania widocznych na zdjęciach gniazd RJ45, moduły oświetleniowe wykorzystują komunikację w przemysłowym standardzie RS485 FullDuplex. Gotowe przewody sieciowe typu patchcord (skrętka) ze względu na szeroką dostępność i niską cenę są idealnym medium transmisyjnym, a standard RS485 zapewnia niski koszt wytworzenia modułów. Zastosowanie Ethernetu podniosłoby koszt w sposób nieadekwatny do uzyskanych korzyści. Standard RS485 jest popularnym sposobem przesyłania danych, wykorzystywanym głównie przy długich liniach transmisyjnych (5 1000m). Dzięki różnicowemu przesyłaniu sygnałów łącze zapewnia dobrą odporność na zakłócenie zewnętrzne i prędkości transmisji do 1 2Mbps.

7 P.I.W.O.3 29 Rys 10 Schemat blokowy sieci projektu P.I.W.O.3 Struktura sieci sterującej Sieci w standardzie RS485 wymagają topologii magistrali zakończonej terminatorami. Ponieważ sieć, która powstała w budynku, ma charakter dwuwymiarowy, a maksymalna ilość urządzeń w jednej gałęzi wynosi tylko 32, konieczne było stworzenie koncentratorów. Każdy z nich posiada jeden port wejściowy oraz pięć wyjściowych. Huby nie wpływają na treść przesyłanych informacji regenerują jedynie sygnał i rozsyłają otrzymane pakiety na wszystkie porty wyjściowe. Sieć posiada jednego zarządcę komputer PC. Żadne urządzenie poza nim nie ma prawa rozpocząć nadawania, chyba że odpowiada na pytanie zarządcy. Sieć jest w pełni skalowalna, a huby mogą zostać wpięte w praktycznie dowolnym miejscu, także między modułami oświetleniowymi. Programator modułów oświetleniowych Rys 11 Programator modułów oświetleniowych Każdy ze 120 modułów oświetleniowych posiada mikrokontroler, w związku z czym potrzebne jest narzędzie do szybkiego i wygodnego programowania. Co prawda do programowania pamięci flash można wykorzystać laptopa, jednak w takim przypadku kłopot stanowi programowanie pamięci EEPROM, w której zapisany jest indywidualny adres każdego modułu. Kłopot polega

8 30 Arkadiusz Zieliński, Michał Wysocki, Wojciech Sleńska na tym, że adres jest przydzielany i wgrywany dopiero w trakcie instalacji modułu w danym pokoju. Dlatego zaprojektowaliśmy i zbudowaliśmy kilka sztuk mobilnych programatorów. Posiadają one wyświetlacz LCD 4x16, klawiaturę numeryczną oraz dwa gniazda RJ25. Jedno z nich służy do podłączenia modułu oświetleniowego. Umożliwia ono zaprogramowanie modułu oraz uruchomienie programu diagnostycznego. Montaż Rys 12 W czasie montażu morale w drużynie było wysokie Projekt P.I.W.O.3 to duże wyzwanie przede wszystkim pod względem logistycznym. W najbardziej gorącym okresie, odbieraliśmy dziennie po dwie, trzy paczki kurierskie z podzespołami elektronicznymi i częściami mechanicznymi. Do właściwego montażu modułów oświetleniowych przystąpiliśmy w majowy weekend. Było to kilka dni intensywnej pracy od rana do wieczora. Na prace produkcyjne składało się między innymi: wywiercenie otworów pod żarówki za pomocą otwornicy, wywiercenie otworów montażowych do przykręcenia oprawek i elektroniki, lutowanie płytek z elektroniką, skręcenie wszystkich elementów w całość, przetestowanie gotowego modułu. 8 maja nasza ekipa wyruszyła do akademika w celu położenia sieci piwnej (dużo prostszej, niż rok temu).w kolejnych dniach instalowaliśmy moduły oświetleniowe w pokojach. Sieć została w pełni uruchomiona (łącznie z eliminacją uszkodzonych pikseli) dopiero w dniu pokazu, czyli 12 maja. Mimo braku czasu, atmosfera wśród nas była spokojna. Znaliśmy się już wystarczająco dobrze, by móc na sobie polegać. Rys 13 Produkcja modułów oświetleniowych wymagała cięższego sprzętu

9 P.I.W.O.3 31 Rys 14 Tuż przed pokazem - ostatnie przygotowania Pokaz Tradycyjnie w dniu pokazu rozłożyliśmy się na wzniesieniu przed akademikiem T16. W okolicy przybywało grillów, a my z mozołem usuwaliśmy ostatnie usterki techniczne. Imprezę w naszym imieniu poprowadził Tomek Tyczyński z Akademickiego Radia LUZ. Znakomicie spisał się w tej roli. Nam bardziej do twarzy było z lutownicą, niż z mikrofonem. Transmisję na żywo, poprzez internet zapewniała TeRys 15 Gwiazdą specjalną na pokazie lewizja Studencka STYK. Przed rozpobył sam Król Popu Michael Jackson! częciem właściwego pokazu, na ścianie sąsiedniego akademika została wyświetlona krótka, acz dynamiczna, filmowa zapowiedź projektu P.I.W.O.3, wyprodukowana przez Akademicki Klub Realizatorów Filmowych FOSA przy współpracy ze stowarzyszeniem Parkour Wrocław.

10 32 Arkadiusz Zieliński, Michał Wysocki, Wojciech Sleńska Rys 16 SKN MOS ludzie odpowiedzialni za projekt P.I.W.O.3 Intro otwierające pokaz rozpoczęło się o godzinie Świetlne przedstawienie trwało ok 50 minut i składało się z 55 animacji, w większości nadesłanych na konkurs i wyselekcjonowanych przez naszego wirtuoza małych rozdzielczości, Krzyśka Birowskiego. Słów kilka na zakończenie Projekt P.I.W.O.3 udowodnił, że grupa zdeterminowanych ludzi może naprawdę wiele. Pokazaliśmy, że w polskich studentach drzemie spory potencjał i na tym polu nie mamy się czego wstydzić. Kolejnym bardzo pozytywnym aspektem jest fakt, że jeden projekt potrafił zjednoczyć wiele organizacji studenckich, które z powodzeniem współpracowały ze sobą. Projekt to także niezła gratka dla zwolenników mikrokontrolerów AVR: 120 sztuk pracujących jednocześnie w imię wspaniałej świetlnej idei. Co będzie dalej? Jeszcze jest za wcześnie, by o tym mówić. Zobaczymy, co przyniesie przyszłość. Linki 1. Strona projektu: 2. Strona SKN MOS:

11 P.I.W.O.3 33 Porównanie wpływu przypadkowych zakłóceń dla dwóch interfejsów szere- Rys 17 gowych Rys 18 Schemat blokowy modułu

12 34 Arkadiusz Zieliński, Michał Wysocki, Wojciech Sleńska Rys 19 Programator jest zasilany wprost z modułu oświetleniowego