System sterowania oświetleniem Philips Hue z użyciem środowiska Zerynth oraz języka Python (1)

System sterowania oświetleniem Philips Hue z użyciem środowiska Zerynth oraz języka Python (1)
Pobierz PDF Download icon

Programowanie systemów wbudowanych już od dobrych kilku lat nie jest wyłącznie domeną miłośników assemblera, czy niskopoziomowych operacji na rejestrach mikrokontrolera. Dynamiczny rozwój Internetu Rzeczy spowodował, że znaczna część programistów języków wysokiego poziomu, przeniosła swoje zainteresowania zawodowe z obszaru wysokowydajnych komputerów klasy PC, w kierunku małych mikroprocesorów i mikrokontrolerów. Trend ten nie pozostał niezauważony przez producentów sprzętu i oprogramowania, którzy udostępniają deweloperom gotowe rozwiązania, pozwalające szybko, a przede wszystkim wysokopoziomowo, przygotować kompletny projekt sprzętowo-programowy.

W artykule zaprezentujemy prosty system sterowania żarówkami z serii Philips Hue zbudowany przy użyciu zintegrowanego modułu wyświetlacza Riverdi IoT Display oraz dedykowanego środowiska programistycznego Zerynth – umożliwiającego łatwe i szybkie tworzenie aplikacji z użyciem języka Python.

Warstwa sprzętowa – moduł wyświetlacza oraz system Philips Hue

Zagadnienia związane z przygotowaniem projektu od strony sprzętowej ograniczono do minimum, dlatego do jego realizacji zastosowano gotowy moduł Riverdi IoT Display [1] – zintegrowany system wyświetlacza LCD (o przekątnej 5 cali i rozdzielczości ekranu 800×480), kontrolera graficznego Bridgetek BT81x [2] oraz dobrze znanego mikroprocesora ESP32.

Głównym zadaniem stawianym modułowi wyświetlacza, będzie nawiązanie komunikacji z systemem Philips Hue [3] oraz zapewnienie możliwości sterowania oświetleniem, poprzez prosty, graficzny interfejs użytkownika. W opisywanym przypadku, w skład systemu oświetlenia wchodzą dwie żarówki ze sterowaniem włącz/wyłącz oraz jedna żarówka RGB, sterowana poprzez określenie parametrów barwy, jasności oraz nasycenia koloru.

Rysunek 1. Schemat blokowy projektowanego systemu sterowania oświetleniem

Serce systemu stanowi Philips Hue Bridge, podłączony do sieci lokalnej za pomocą przewodu Ethernet i komunikujący się z żarówkami, z użyciem protokołu ZigBee. Blokowy schemat istniejącej konfiguracji, oraz jej planowej rozbudowy o moduł inteligentnego panelu sterującego, pokazuje rysunek 1.

Przygotowanie aplikacji w środowisku Zerynth

Zastosowanie gotowego rozwiązania sprzętowego pozwala nam dość szybko przejść do zagadnień związanych bezpośrednio z oprogramowaniem. Pracę nad projektem rozpoczynamy od pobrania zintegrowanego i wieloplatformowego (udostępnionego dla systemów Windows, Linux oraz macOS) środowiska programistycznego Zerynth SDK [4]. Całość procesu instalacji przebiega w sposób standardowy dla wybranego systemu operacyjnego. Przy pierwszym uruchomieniu instalatora, użytkownik zostanie poproszony o zaakceptowanie umowy licencyjnej oraz wybór sposobu instalacji (instalacja online lub offline – o ile użytkownik uprzednio pobrał repozytoria bibliotek). Ostatnim krokiem w procesie instalacji, jest wybór wersji oprogramowania (w momencie tworzenia artykułu, ostatnią dostępną wersją jest r2.6.0). Po podłączeniu modułu wyświetlacza oraz zarejestrowaniu nowego urządzenia w Zerynth SDK, nasze środowisko jest już gotowe do pracy.

Rysunek 2. Schemat blokowy prezentujący poszczególne etapy działania projektowanej aplikacji

Zanim jednak przystąpimy do omówienia pierwszych linii kodu, warto krótko przeanalizować poszczególne etapy działania projektowanej aplikacji. Jak pokazuje rysunek 2, działanie aplikacji rozpoczynamy od skonfigurowania wyświetlacza oraz wyświetlenia prostego logo, które pozwoli nam upewnić się, że proces pierwszej konfiguracji przebiegł prawidłowo. W kolejnym kroku nawiązujemy połączenie ze zdefiniowaną w programie siecią Wi-Fi (zapisanie identyfikatora SSID sieci oraz hasła dostępu nie jest najbezpieczniejszym rozwiązaniem, jednak na potrzeby testowego uruchomienia systemu w pełni wystarczającym). Po ustanowieniu połączenia, użytkownik systemu zostanie poproszony o wpisanie adresu IP urządzenia Philips Hue Bridge. Poprawność wpisanego adresu IP jest weryfikowana poprzez próbę odczytu statusu urządzenia. Przedostatnim krokiem – przed wyświetleniem głównego interfejsu aplikacji – jest proces utworzenia nowego użytkownika systemu oraz jego autoryzacja, które poprawnie zakończone, pozwolą nam przejść do ostatniego poziomu menu, jakim jest wyświetlenie panelu sterującego. Ponieważ istniejący system oświetlenia składa się wyłącznie z trzech żarówek (w tym jednej z możliwością sterowania kolorem), panel kontrolny może zostać zrealizowany w postaci jednego ekranu, co pokazuje fotografia 1.

Fotografia 1. Główne menu sterowania oświetleniem Philips Hue

Proces przygotowania aplikacji rozpoczynamy od utworzenia nowego projektu w Zerynth Studio. Zgodnie z przyjętym schematem blokowym z rysunku 2, pierwszym zadaniem aplikacji będzie konfiguracja wyświetlacza oraz wyświetlenie prostego logo. W module Riverdi IoT Display, rolę silnika graficznego pełni układ BT815 firmy Bridgetek, który stanowi jednocześnie „most” pomiędzy wyświetlaczem LCD (podłączonym do układu BT815 za pomocą 24-bitowego interfejsu RGB), a mikrokontrolerem (komunikującym się poprzez interfejs SPI/QSPI). Typową aplikację układu BT815 ilustruje rysunek 3.

Rysunek 3. Typowa aplikacja układu BT81x (źródło: https://bit.ly/3qOiK7m)

Dzięki zastosowaniu układu BT815, aplikacja użytkownika jest zwolniona z obowiązku utworzenia bufora ramki w obszarze pamięci RAM, oraz zaimplementowania niskopoziomowych funkcji związanych z rysowaniem interfejsu. Układ BT815 definiuje szereg prostych obiektów graficznych (przyciski, przełączniki, suwaki itp.), umożliwiających szybkie tworzenie aplikacji, oraz bardziej złożone funkcje, związane z kompresją grafiki, czy odtwarzaniem multimediów. Kompletna dokumentacja układu jest dostępna pod adresem: https://bit.ly/2JU2ReW.

Wraz z zapewnieniem wsparcia dla modułu Riverdi IoT Display, programiści środowiska Zerynth przygotowali API dla układów BT81x, umożliwiające tworzenie interfejsu z użyciem kilku prostych funkcji – https://bit.ly/3a1hZlt. Korzystając z dostarczonej dokumentacji, przystępuję do wprowadzenia pierwszych zmian w domyślnie utworzonym pliku main.py. Edycję rozpoczynamy od zaimportowania modułów bibliotek dla układów BT81x oraz 5-calowego wyświetlacza Riverdi:

from bridgetek.bt81x import bt81x
from riverdi.displays.bt81x import ctp50

W kolejnym kroku inicjalizujemy wyświetlacz i komunikację, poprzez wybrany interfejs SPI, określając dodatkowo przypisanie linii Chip Select, Interrupt, Power Down:

bt81x.init(SPI0, D4, D33, D34)

Po poprawnej inicjalizacji układu możemy przystąpić do wyświetlenia prostego logo. W tym celu wybrana grafika musi zostać uprzednio załadowana do wewnętrznej pamięci GRAM kontrolera BT81x. Aby już na pierwszym etapie prac zadbać o odpowiednią strukturę kodu, funkcję loadImage() umieśćmy w wydzielonym pliku gui.py:

def loadImage(image):
bt81x.load_image(0, 0, image)

Zadaniem funkcji loadImage() jest wywołanie metody bt81x.load_image(), której parametrami są: adres w obszarze pamięci GRAM, dodatkowe flagi sterujące oraz nazwa pliku z wybraną grafiką. W przygotowanej aplikacji – w obszarze pamięci GRAM – będziemy w danej chwili czasu przechowywać wyłącznie jedną grafikę, więc adres w pamięci będzie ustawiony zawsze na wartość 0. Do celów testowych użyjemy grafiki w formacie PNG, o rozmiarze 642×144 pikseli – pozostały obszar obrazu (dla wyświetlacza 5 cali wynosi on 800×480 pikseli) uzupełniony zostanie białym tłem. W pliku main.py, załadowanie grafiki gui_logo.png do pamięci GRAM, wykonamy następującym zestawem wywołań:
import gui

new_resource(‘images/gui_logo.png’)
gui.loadImage(‘gui_logo.png’)

Do uzyskania pełnej funkcjonalności, zaimplementujmy również funkcję showLogo(), która w określonych współrzędnych wyświetli załadowany obrazek. W tym celu – w pliku gui.py – umieśćmy fragment kodu (listing 1).

Listing 1. Funkcja showLogo() realizująca prostą operację wyświetlenia grafiki

def showLogo():

bt81x.dl_start()
bt81x.clear_color(rgb=(0xff, 0xff, 0xff))
bt81x.clear(1, 1, 1)

image = bt81x.Bitmap(1, 0, (bt81x.ARGB4, 642 * 2), (bt81x.BILINEAR,
bt81x.BORDER, bt81x.BORDER, 642, 144))

image.prepare_draw()
image.draw(((bt81x.display_conf.width – 642)//2,
(bt81x.display_conf.height - 144)//2), vertex_fmt=0)

bt81x.display()
bt81x.swap_and_empty()

Za pomocą metody bt81x.dl_start() rozpoczynamy tworzenie tzw. Display List, która opisuje aktualnie tworzoną ramkę. Wywołaniem bt81x.clear_color() ustalamy kolor dla operacji czyszczenia obrazu, która jest realizowana poprzez metodę bt81x.clear(). Wykorzystując klasę Bitmap definiujemy parametry wyświetlanego obrazu, m.in. źródło obrazu (w omawianym przypadku jest to pamięć GRAM) oraz jego rozmiar.

Za pomocą wywołań bt81x.prepare_draw() oraz bt81x.draw() dodajemy do tworzonej listy wskazaną grafikę. Tworzenie listy za pomocą wywołania bt81x.dl_start(), musi zostać zakończone wywołaniem bt81x.display() oraz bt81x.swap_and_empty(), które zmieni aktualnie wyświetlaną zawartość ekranu.

Komunikacja pomiędzy panelem sterującym, a mostkiem Philips Hue Bridge, będzie się odbywała poprzez sieć lokalną. W tym celu niezbędne jest podłączenie modułu wyświetlacza do sieci Wi-Fi. Dzięki wykorzystaniu układu ESP32, integrującego moduły łączności Wi-Fi oraz Bluetooth, użytkownik nie musi podłączać żadnych dodatkowych modemów bezprzewodowych. Fragment kodu odpowiedzialny za nawiązanie połączenia z wybraną siecią Wi-Fi (określoną zmienną ssid oraz hasłem dostępu – zmienna wifiPWD), pokazuje listing 2.

Listing 2. Nawiązanie połączenia z wybraną siecią Wi-Fi

from wireless import wifi
from espressif.esp32net import esp32wifi as wifi_driver

ssid = "ssid_value" # this is the SSID of the WiFi network
wifiPWD = "password_value" # this is the Password for WiFi

gui.showSpinner("Connecting with predefined WiFi network...")
wifi_driver.auto_init()

for _ in range(0,5):
try:
wifi.link(ssid,wifi.WIFI_WPA2,wifiPWD)
break
except:
gui.showSpinner("Trying to reconnect...")
else:
gui.showSpinner("Connection Error - restarting...")
mcu.reset()

Za pomocą pętli for() oraz metody wifi.link(), aplikacja pięciokrotnie próbuje nawiązać połączenie ze zdefiniowaną siecią. W przypadku pełnego niepowodzenia operacji, funkcja mcu.reset() wykona reset urządzenia. W zależności od siły sygnału sieci Wi-Fi, proces łączenia może się wydłużać.

Aby użytkownik systemu otrzymał informację zwrotną z interfejsu graficznego, o postępie procesu jest on informowany poprzez wywołanie funkcji gui.showSpinner(), która wyświetla wbudowany, animowany obiekt Spinner, wraz z określonym przez argument komunikatem. Ciało funkcji showSpinner() pokazuje listing 3.

Listing 3. Wyświetlenie wbudowanego widżetu Spinner

def showSpinner(msg):

bt81x.dl_start()
bt81x.clear(1, 1, 1)
txt = bt81x.Text(400, 350, 30, bt81x.OPT_CENTERX | bt81x.OPT_CENTERY, msg, )
bt81x.add_text(txt)

bt81x.spinner(400, 240, bt81x.SPINNER_CIRCLE, 0)

bt81x.display()
bt81x.swap_and_empty()

Wykorzystując powyższą funkcję, w utworzonej liście umieszczamy elementy typu Spinner oraz Text – całość listy zamykamy wywołaniami bt81x.display() oraz bt81x.swap_and_empty(). Rezultat pokazuje fotografia 2.

Fotografia 2. Ekran z obiektem typu Spinner, informujący użytkownika o postępie procesu

W kolejnym kroku, po poprawnym nawiązaniu połączenia z siecią Wi-Fi, możemy przystąpić do utworzenia interfejsu graficznego, umożliwiającego wprowadzenie adresu IP, przypisanego do urządzenia Philips Hue Bridge. Od tego zaczniemy kolejną cześć artykułu.

Łukasz Skalski
contact@lukasz-skalski.com

Przypisy:
[1] https://bit.ly/34k3Gov
[2] https://bit.ly/3m6BeMQ
[3] https://bit.ly/3gDUIHf
[4] https://bit.ly/3qOad43

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
styczeń 2021
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Materiały dodatkowe

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik lipiec 2021

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio lipiec - sierpień 2021

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka Podzespoły Aplikacje lipiec 2021

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna lipiec 2021

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich sierpień 2021

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów