Internet Rzeczy w przykładach. Sterownik inteligentnej szafy na ubrania. Połączenie CC3200 z siecią WWW. cz. 3

Internet Rzeczy w przykładach. Sterownik inteligentnej szafy na ubrania. Połączenie CC3200 z siecią WWW. cz. 3
Pobierz PDF Download icon

W tym artykule zaprezentujemy projekt sterownika inteligentnej szafy na ubrania. Sterownik połączy się z siecią WWW i z serwisu meteorologicznego odczyta prognozę pogody. Następnie na podstawie odczytanych danych zaproponuje użytkownikowi ubrania dopasowane do warunków pogodowych. Do budowy sterownika użyjemy omawianego podczas kursu modułu startowego CC3200 LaunchPad.

Do poprawnej pracy sterownik inteligentnej szafy na ubrania potrzebuje dostępu do sieci Wi-Fi (2.4 GHz standard IEEE 802.11 b/g/n). Należy zapewnić "widoczność" urządzenia z Access Point. Punktem dostępu do sieci może być router, komputer PC, telefon komórkowy. Parametry transmisji ( nazwa SSID dla Access Point, szyfrowanie transmisji, ew. hasło dostępu do Access Point) ustawiamy w plikach konfiguracyjnych projektu.

Budowa

Fotografia 1. Sterownik inteligentnej szafy na ubrania

Podstawowym elementem sterownika inteligentnej szafy na ubrania jest moduł startowy CC3200 LaunchPad. Poza modułem w sterowniku zamontowany został wyświetlacz monochromatyczny o rozdzielczości 48×84 pikseli (driver pcd8544), dwa przyciski funkcyjne (czerwony i zielony), dwie diody informacyjne (czerwona i żółta), trzy diody sygnalizacyjne (koloru zielonego). Elementy sterownika umieszczono w obudowie Z-52 o wymiarach 74 mm×146 mm×40 mm. Wygląd urządzenia pokazano na fotografii 1.

Pracą wyświetlacza, przycisków oraz diod steruje moduł CC3200 Launchpad. Schemat elektryczny układów peryferyjnych sterownika pokazano na rysunku 2.

Budowę sterownika rozpoczynamy od wyfrezowania w obudowie otworów na wyświetlacz, diody oraz przyciski. Następnie przygotowujemy front panel urządzenia i przyklejamy na obudowę (projekt w materiałach dodatkowych dołączonych do artykułu).

W kolejnym kroku montujemy wyświetlacz ( użyty został układ startowy modLCD1 z sygnałami sterującymi wyprowadzonymi na złącze goldpin). Montujemy diody oraz przyciski.

Urządzenia peryferyjne z liniami sygnałowymi mikrokontrolera CC3200 łączymy przy pomocy przewodów połączeniowych. Jest to możliwe, ponieważ piny mikrokontrolera CC3200 zostały wyprowadzone na złącza 2x20 modułu LaunchPad. Opis wyprowadzeń pokazano na rysunku 3.

Rysunek 2. Schemat elektryczny urządzeń peryferyjnych sterownika

Rysunek 3. Modułu CC3200 LaunchPad. Gwiazdką * oznaczono linie sterujące wykorzystane w sterowniku

Moduł LaunchPad może być zasilany z portu USB komputera PC (debugowanie/emulowanie/transmisja UART) lub z zewnętrznego źródła zasilania (bateria / zasilacz). Na etapie rozwoju oprogramowania należy korzystać z zasilania z portu USB. W wersji produkcyjnej sterownik należy podłączyć do zasilacza (tryby oszczędzania energii i praca na baterii zostaną omówione w kolejnym artykule). Zasilacz dołączamy do złącza J20. Wartość napięcia zasilania ustawiamy na 3,3 V.

Oprogramowanie sterownika inteligentnej szafy na ubrania zostało stworzone w środowisku programistycznym CCSv6. Utworzony został projekt o nazwie iot_wardrobe. W projekcie jest obsługiwany system czasu rzeczywistego freeRTOS, framework SimpleLink, drivery dla CC3200.

Konfiguracja projektu jest identyczna jak w przypadku projektu "zero" omawianego w poprzedniej części kursu. Dodatkowo zdefiniowany został symbol ccs (Build-> ARM Compiler -> Advanced Opions -> Predefined Symbols ) wykorzystywany przy obsłudze uDMA, oraz dołączony został plik startup_css.c zawierający procedury startowe dla mikrokontrolera CC3200 ( plik z lokalizacji \ cc3200-sdk\example\common ).

Funkcjonalność

Fotografia 4. Sterownik podczas pracy w trybach: a) check access point, b) normal work, c) info screen

Zadaniem sterownika inteligentnej szafy na ubrania jest zaproponować użytkownikowi elementy garderoby dopasowane do warunków atmosferycznych. W prezentowanej wersji sterownika oprogramowane zostały trzy elementy garderoby: parasol, szalik, okulary przeciwsłoneczne. Funkcjonalność urządzenia można rozbudować o kolejne elementy (kurtka, czapka, kalosze, itp.). Dodatkowo, sterownik może być używany jako stacja meteorologiczna.

Sterownik inteligentnej szafy na ubrania może pracować w jednym z trzech trybów: normal work, info screen, check access point. Podstawowym trybem pracy urządzenia jest tryb: normal work (aktywacja po naciśnięciu zielonego przycisku). W trybie tym sterownik łączy się z punktem dostępu do sieci (Access Point).

Po uzyskaniu dostępu do sieci sterownik łączy się z serwerem meteorologicznym openweathermap.org i wysyła zapytanie o dane z prognozą pogody ( usługa o nazwie: 5 day / 3h forecast). Serwer zwraca dane w formacie XML ( nagłówek oraz prognoza pogody na 5 dni podawana z rozdzielczością 3 godzin). Jeśli wystąpi błąd połączenia, to jest włączana dioda funkcyjna CON (dioda koloru żółtego).

W wypadku, gdy dane zostaną odczytane poprawnie praca urządzenia jest kontynuowane. Mikrokontroler CC3200 analizuje dane pogodowe. Z nagłówka odczytywana jest godzina wschodu i zachodu Słońca. Następnie odczytywana jest prognoza pogody na najbliższe 9 godzin (3 razy po 3 godziny). Każda 3 godzinna prognoza pogody poddawana jest szczegółowej analizie.

Dla każdej 3 godzinnej prognozy pogody na ekranie wyświetlacza prezentowane są dwa ekrany z danymi pogodowymi (zjawiska atmosferyczne, siła wiatru, temperatura, ciśnienie, wilgotność, opady, zachmurzenie). Następnie uruchamiany jest algorytm wyboru garderoby.

W przypadku gdy spełnione zostaną warunki wyboru garderoby (parasol – opady deszczu, szalik – temperatura poniżej 5°C, okulary przeciwsłoneczne – zachmurzenie poniżej 10 %), to na 60 sekund włączane są diody informacyjne LED (diody koloru zielonego). Ustawienie diod informuje użytkownika, które elementy garderoby należy wybrać (np.: opady deszczu – weź parasol).

Tryb pracy info screen (aktywacja po naciśnięciu czerwonego przycisku) różni się od trybu pracy normal work tym, że nie jest "zestawiane" połączenie z Acccess Point i nie są pobierane dane z serwisu pogodowego. Mikrokontroler korzysta z danych odczytanych w trybie normal work. Prezentacja danych na wyświetlaczu oraz algorytm wyboru garderoby są identyczne jak w trybie normal work.

W trybie pracy check access point (aktywacja po starcie mikrokontrolera) sprawdzane jest połączenie sterownika z punktem dostępu do sieci Access Point. W przypadku braku połączenia z Access Point włączana jest dioda funkcyjna AP (dioda koloru czerwonego).

Przykładowe działanie sterownika w każdym z trzech trybów pracy pokazano na fotografii 4. W trybach pracy normal work i info screen ekrany z danymi meteorologicznymi wyświetlane są trzykrotnie (prognoza na 9 godzin - 3 razy po 3 godziny).

W sterowniku zainstalowano monochromatyczny wyświetlacza LCD o rozdzielczości 84×48 pikseli. Jest to wyświetlacza oparty o sterownik PCD8544 stosowany w popularnych telefonach Nokia 3310/5110. Zaletą wyświetlacza jest niska cena oraz łatwość obsługi.

Komunikacja mikrokontrolera z wyświetlaczem odbywa się za pomocą programowego interfejsu SPI. Do sterowania zasilaniem wyświetlacza użyty został klucz TTL. Wyświetlacz może pracować w trybie tekstowym oraz graficznym. Oba tryby pracy wyświetlacza są wykorzystywane w projekcie. Grafiki użyte w projekcie wykonane zostały przy użyciu darmowego oprogramowania MicroLCD by ABXYZ.

Oprogramowanie

Listing 1. Tryb pracy normal work

Oprogramowania sterownika inteligentnej szafy na ubrania zostało stworzone w środowisku CCSv6. Projekt napisany został w języku programowania C. W projekcie użyty został system czasu rzeczywistego freeRTOS, framework SimpleLink, drivery dla CC3200. Dodatkowo wykorzystano przygotowane przez Texas Instruments interfejsy obsługi urządzeń peryferyjnych i sieci (uart, udma, timer, network).

Pliki z kodem źródłowym interfejsów zostały dołączone do projektu (cc3200-sdk\example\ common). W katalogu source umieszczono pliki z konfiguracją linii wejścia-wyjścia mikrokontrolera CC3200. Konfiguracja linii wejścia-wyjścia została wygenerowana przy użyciu oprogramowania Pin Mux Tool (opis programu w poprzedniej części kursu).

Plik projektu Pin Mux Tool ( project.pinmux ) dostępny jest w materiałach dodatkowych dołączonych do artykułu. W podkatalogach device, hardware, system umieszczone zostały pliki źródłowe oprogramowania. W katalogu device umieszczone zostały pliki do obsługi urządzeń peryferyjnych ( wyświetlacz, diody, przyciski). W katalogu hardware pliki do obsługi modułów sprzętowych mikrokontrolera CC3200 ( uart, timer ). W katalogu system pliki do obsługi logiki pracy sterownika (konfiguracja urządzenia, obsługa sieci, analiza danych z prognozy pogody, wybór elementów garderoby itp.).

W oprogramowaniu uruchomiony zostały system czasu rzeczywistego freeRTOS. Utworzony został wątek o nazwie system, który monitoruje czy należy aktywować jeden z 3 trybów pracy urządzenia. Procedury do obsługi trybów pracy urządzenia oraz systemu operacyjnego umieszczono w pliku system.c. Na największą uwagę zasługuje sposób implementacji procedury do obsługi trybu pracy normal work (procedura SystemNormalWorkTask). Kod źródłowy procedury pokazano na listingu 1.

Listing 2. Połącz CC3200 z Access Point

Na początku procedury wyświetlany jest ekran informacyjny Weather Forecast. (ikona prezentowana na ekranie pulsuje do momentu odczytu i analizy prognozy pogody). Następnie jest uruchamiana procedura podłączenia sterownika do Access Point (procedura Connect2AccessPoint). Kod źródłowy procedury pokazano na listingu 2. W przypadku błędu połączenia włączana jest dioda koloru żółtego.

Po podłączeniu do sieci pobierany jest adres IP serwera pogodowego (procedura Network_IF_GetHost_IP). Adres pobierany jest przy użyciu usługi DNS lookup (adres IP na podstawie nazwy serwera). W przypadku błędu podczas pobierania adresu IP jest włączana dioda koloru żółtego. Następnie jest tworzone połączenie TCP z serwerem meteorologicznym (procedura CreateConnection).

Listing 3. Utwórz gniazdko TCP IPv4. Połącz z serwerem o podanym adresie IP

W procedurze CreateConnection jest tworzone gniazdko TCP, a następnie jest zestawiane połączenie z serwerem. Kod źródłowy procedury pokazano na listingu 3. W przypadku błędu połączenie z serwerem włączana jest dioda koloru żółtego. W momencie, gdy sterownik zostanie podłączony do sieci i ma zestawione połączenie z serwerem meteorologicznym jest uruchamiana procedura odczytu prognozy pogody (WeatherForecastGet).

Dane z serwera pogodowego openweathermap. org pobierane są zapytaniem HTTP metodą GET. Po odczytaniu prognozy pogody jest uruchamiana procedura analizy odebranych danych ( WeatherForecastParse ). Obie procedury do obsługi serwisu pogodowego umieszczono w pliku weather.c.

Po odczytaniu prognozy pogody jest zrywane połączenie z serwerem meteorologicznym (zamknięcie gniazdka TCP procedura close). Następnie, sterownik jest odłączany od punktu dostępu do Internetu Access Point (procedura Network_IF_DeInitDriver). Na zakończenie działania trybu pracy normal work uruchamiana jest procedura wyboru garderoby (WardrobeWork). Kod źródłowy procedury umieszczono w pliku wardrobe.c.

Podczas pracy sterownik inteligentnej szafy na ubrania wysyła komunikaty serwisowe (procedura DBG_PRINT). Komunikaty wysyłane są za pomocą transmisji UART. Żeby odebrać informacje wysyłane przez sterownik należy podłączyć moduł LaunchPad do portu USB komputera PC, a zworki JP6, JP7 ustawić w pozycji FLASH. Wówczas w systemie operacyjnym Windows pod nazwą CC3200LP Dual Port aktywowany zostanie port COM do obsługi modułu LaunchPad. Parametry transmisji UART to: 115200, 8, n, 1.

Uruchomienie

Projekt sterownika inteligentnej szafy na ubrania dostępny jest w materiałach dodatkowych dołączonych do artykułu (folder iot_wardrobe). Kopiujemy katalog z projektem do lokalizacji c:/ti/ep/. Następnie, uruchamiamy oprogramowanie Code Composer Studio i importujemy projekt (Project Import CCS Projects). W kolejnym kroku zmieniamy ustawienia oprogramowania sterownika.

W pliku konfiguracyjnym configure.h ustawiamy nazwę SSID dla Access Point, hasło dostępu do Access Point oraz algorytm szyfrowania transmisji danych. Dodatkowo wprowadzamy nazwę miasta, w którym pracuje sterownik. Jest to domyślna metoda lokalizacji sterownika. Inną metodą ustalenia lokalizacji sterownika jest podanie współrzędnych GPS.

Żeby zmienić metodę lokalizacji sterownika z nazwy miasta na współrzędne GPS należy w opcjach projektu w zakładce Predefined Symbols z pola Undefine NAME usunąć wpis LOCATION_GPS a następnie do pola Predefine NAME dodać wpis LOCATION_GPS. Podanie lokalizacji sterownika jest niezbędne do poprawnego działania urządzenia (prognoza pogody jest odczytywana dla miejsca, w którym pracuje sterownik).

Żeby uruchomić projekt w trybie debugowania zworkę w złączu SOP ustawiamy w pozycji numer 1. Zworki J6, J7 ustawiamy w pozycji FLASH (komunikaty serwisowe UART). Następnie włączamy moduł LaunchPad do portu USB komputera PC. Kompilujemy projekt (Project Build All) i uruchamiamy debuger (Run  Debug). Po wgraniu aplikacji uruchamiamy oprogramowanie (Run Resume). W trybie debugowania kod programu jest wgrywany do pamięci RAM mikrokontrolera CC3200. Żeby "trwale" zaprogramować sterownik, program należy wgrać do zewnętrznej pamięć S-Flash zamontowanej na płycie modułu LaunchPad.

Do zaprogramowania sterownika potrzebujemy pliku binarnego z oprogramowaniem. Wsad do zaprogramowania pamięci możemy wygenerować korzystając z środowiska CCSv6. W opcjach projektu w kategorii Build w zakładce Steps w polu Post-build steps dodajemy wypis: "${CCE_INSTALL_ ROOT}/utils/tiobj2bin/tiobj2bin" "${BuildArtifactFileName}" "${BuildArtifactFileBaseName}.bin" "${CG_TOOL_ ROOT}/bin/armofd" "${CG_TOOL_ROOT}/bin/armhex" "${CCE_INSTALL_ROOT}/utils/tiobj2bin/mkhex4bin"

Następnie kompilujemy projekt (Project Build All). W folderze Debug utworzony zostanie plik z oprogramowaniem (plik iot_wardrobe.bin). Konfigurujemy moduł LaunchPad w tryb programowania zewnętrznej pamięci S-Flash. Zworkę w złączu SOP ustawiamy w pozycji numer 2. Zworki J6, J7 ustawiamy w pozycji Flash. Dołączamy moduł LaunchPad do portu USB komputera PC.

Żeby wgrać oprogramowanie uruchamiamy aplikację CCS UniFlash i postępujemy zgodnie z opisem podanym w poprzedniej części kursu. Po zakończeniu programowania usuwamy zworkę z złącza SOP. Teraz po włączeniu zasilania sterownika mikrokontroler CC3200 przekopiuje kod programu z zewnętrznej pamięci S-FLASH do wewnętrznej pamięci RAM i rozpocznie wykonywanie aplikacji.

Na zakończenie montujemy sterownik w szafie na ubrania. Diody informacyjne (parasol, szalik, okulary przeciwsłoneczne) umieszczamy przy odpowiadającym im częściach garderoby. Dołączamy sterownik do zasilania.

Podsumowanie

W kolejnym odcinku kursu zaprezentujemy projekt urządzenia pomiarowego pracującego w technologii Internet of Things. Sterownik wykona pomiary a wyniki będą przechowywane w "chmurze". Do wizualizacji danych pomiarowych wykorzystany zostanie serwis plot.ly (wykresy liniowe, słupkowe, kołowe, itp.). Sterownik będzie zasilany z akumulatorów ładowanych z paneli słonecznych. Działanie urządzenia zostanie zoptymalizowane pod kątem poboru mocy.

Łukasz Krysiewicz, EP

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
marzec 2015
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Zobacz też
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik lipiec 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio lipiec 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje czerwiec 2020

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna lipiec 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich czerwiec 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów