Internet Rzeczy w przykładach. Sterownik inteligentnej skrzynki na listy. cz. 5

Internet Rzeczy w przykładach. Sterownik inteligentnej skrzynki na listy. cz. 5
Pobierz PDF Download icon
Prezentujemy projekt sterownika inteligentnej skrzynki na listy. Po wrzuceniu listu do skrzynki sterownik powiadomi jej właściciela wysyłając wiadomość e-mail. Do budowy urządzenia wykorzystamy moduł startowy CC3200 LaunchPad.

Skrzynka na listy jest w każdym domu, firmie, instytucji publicznej. Dynamiczny rozwój technologii Internet Rzeczy sprawia, że coraz częściej zamiast skrzynek tradycyjnych montowane są skrzynki inteligentne. Inteligentne skrzynki na listy powiadamiają użytkownika o nowej korespondencji wrzuconej do skrzynki. Użytkownik nie musi niepotrzebnie sprawdzać zawartości skrzynki na listy. Otwiera skrzynkę tylko, gdy jest w niej nowy listy.

Budowa

Fotografia 1. Sterownik inteligentnej skrzynki na listy

Podstawowym elementem sterownika inteligentnej skrzynki na listy jest moduł startowy CC3200 LaunchPad. Za wykrywanie listów w skrzynce jest odpowiedzialna bariera optyczna IR. Zbudowano ją z podczerwonej diody nadawczej L-934SF4BT (3 mm, 880 nm, 7 mW ) oraz z fototranzystora QSE113 (50°, 880 nm).

Sterownik jest zasilany z dwóch akumulatorków AA (NiMH o napięciu 1,2 V i pojemności 2500 mAh każdy). Akumulatorki są ładowane za pomocą niewielkiego fotoogniwa. Moduł CC3200 LaunchPad oraz akumulatorki zostały umieszczone w obudowie Z-44 o wymiarach 150 mm×80 mm×33 mm.

Na obudowie zamontowano fotoogniwo (3 V/80 mA) oraz zewnętrzną antenę Wi-Fi (TRF1002 pracującą w paśmie 2,4 GHz, o zysku energetycznym 5 dBi). Elementy bariery optycznej zostały wyprowadzone na zewnętrz sterownika (docelowo montaż w skrzynce na listy).Wygląd urządzenia pokazano na fotografii 1.

Diodę nadawczą IR włączono w kierunku przewodzenia. Dioda jest cały czas włączona. Prąd przewodzenia diody ogranicza zamontowany potencjometr. Kolektor fototranzystora IR dołączono do napięcia zasilania, a emiter do masy. Prąd emitera ogranicza zamontowany rezystor o wartości 10 kV.

Do emitera jest dołączone wejście mikrokontrolera CC3200 (wyprowadzenie P08). Akumulatorki połączono szeregowo, dzięki utworzono ogniwo zasilające o napięciu 2,4 V i pojemności 2500 mAh.

Na wyjściu ogniwa zasilającego zamontowano dwa kondensatory o pojemności 470 mF. Mają one za zadanie buforowanie spadków napięcia zasilania. Panel słoneczny został podłączony bezpośrednio do ogniwa zasilania. Schemat ideowy dodatkowych obwodów pokazano na rysunku 2.

Budowę sterownika rozpoczynamy od zmian w module CC3200 LaunchPad. Aby zmniejszyć pobór prądu modułu, odlutowujemy diody D1 oraz D4. Żeby aktywować zewnętrzną antenę Wi-Fi usuwamy rezystor R111 oraz wykonujemy punkt lutowniczy w miejscu rezystora R110 (rysunek 3).

Po dokonaniu zmian, do złącza J18 dołączamy antenę zewnętrzną Wi-Fi. Następnie do wejścia P08 mikrokontrolera CC3200 doprowadzamy sygnał z fototranzystora IR. Usuwamy zworkę z złącza J13 i do wyprowadzeń Vcc oraz GND złącza J20 doprowadzamy zasilanie urządzenia.

Rysunek 2. Schemat elektryczny urządzenia: a) moduł zasilania, b) bariera optyczna

W obudowie urządzenia montujemy moduł CC3200 LaunchPad, akumulatorki i kondensatory buforujące. Na obudowie montujemy mini panel słoneczny i antenę Wi-Fi. Elementy bariery optycznej montujemy wewnątrz skrzynki na listy.

Diodę nadawczą IR oraz fototranzystor IR montujemy na spodzie skrzynki na listy na jej przeciwległych ścianach. Elementy bariery optycznej muszą być skierowane ku sobie (dioda nadawcza w kierunku fototranzystora). Wówczas fototranzystor jest otwarty, a na wejściu P08 mikrokontrolera CC3200 występuje poziom wysoki.

Gdy do skrzynki zostanie wrzucony list, bariera optyczna zostanie przerwana, fototranzystor zatkany, a na wejście P08 mikrokontrolera CC3200 zostanie wyzerowane. Opisaną zasadę działania zilustrowano na rysunku 4.

Do poprawnej pracy urządzenie pomiarowe z modułem CC3200 LauchPad wymaga dostępu do sieci Wi-Fi (2,4 GHz, standard IEEE 802.11 b/g/n). Należy zapewnić "widoczność" skrzynki i 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) wpisuje się w plikach konfiguracyjnych projektu.

Hibernacja

Rysunek 3. Podłączenie zewnętrznej anteny Wi-Fi. Zmiany w module CC3200 LaunchPad

W sterowniku skrzynki na listy został oprogramowany tryb hibernacji mikrokontrolera CC3200. W trybie hibernacji pobór prądu mikrokontrolera wynosi jedynie około 4 mA.

Wyłączony jest rdzeń procesora, nie działają moduły urządzeń peryferyjnych, nie jest odświeżana pamięć RAM (za wyjątkiem dwóch rejestrów 32-bitowych).

Aktywny jest jedynie 48-bitowy licznik Slow Clock Couter taktowany za pomocą rezonatora "zegarkowego" o częstotliwości 32768 Hz oraz wybrane wejścia mikrokontrolera (2, 4, 11, 13, 17, 24) tzw. wejścia HibWakeUp.

Rysunek 4. Skrzynka na listy przekrój boczny a) brak listu w skrzynce b) list w skrzynce c) stan wejścia P08

Ze stanu hibernacji mikrokontroler może być wyprowadzony przez licznik oraz przez zmianę poziomu na wejściu HibWakeUp.

Po wyjściu z trybu hibernacji mikrokontroler jest ponownie uruchamiany. Kod programu jest uruchamiany od początku (jak po zerowaniu). W oprogramowaniu sterownika skrzynki na listy mikrokontroler CC3200 jest wyprowadzany ze stanu hibernacji za pomocą zmiany poziomu na wejściu HibWakeUp - licznik Slow Clock Couter jest nieużywany.

Użyte wejścia numer 17 (P08), do którego jest doprowadzony fototranzystor IR. Zmiana poziomu logicznego na wejściu z wysokiego (aktywna bariera optyczna, brak listu w skrzynce) na niski (przerwana bariera optyczna, list w skrzynce) sprawia, że mikrokontroler CC3200 przechodzi do trybu aktywnego.

Funkcjonalność

Rysunek 5. Uproszczony schemat pracy sterownika

Zadaniem sterownika inteligentnej skrzynki na listy jest informowanie użytkownika o nowych listach w skrzynce. Sterownik informuje użytkownika przesyłając wiadomość e-mail.

Po włączeniu zasilania urządzenia konfigurowane są parametry pracy modułów peryferyjnych mikrokontrolera CC3200 (inicjalizowanie UART i Watchdog, konfigurowanie trybu hibernacji). Następnie mikrokontroler jest wprowadzany w tryb hibernacji. Wrzucenie listu do skrzynki (równoważne przerwaniu bariery optycznej IR) powoduje przejście mikrokontrolera do trybu aktywnego. Inicjowane są parametry pracy modułów peryferyjnych mikrokontrolera. Następnie jest uruchamiana część programu odpowiedzialna za przesłanie wiadomości e-mail. Sterownik łączy z punktem dostępu do sieci Access Point, loguje się do serwera poczty SMTP (tu wykorzystałem gmail) i przesyła do użytkownika wiadomość e-mail. Na zakończenie mikrokontroler CC3200 ponownie jest wprowadzany w tryb hibernacji. Jeśli użytkownik wyjmie list ze skrzynki, to bariera optyczna IR zostanie załączona. Wrzucenie nowego listu do skrzynki przerwie barierę optyczną IR. Mikrokontroler CC3200 obudzi się z uśpienia i rozpocznie wysłanie wiadomości e-mail. Cykl pracy urządzenia powtórzy się. Sposób działania sterownika zilustrowano na rysunku 5.

Przy braku połączenia z Access Point bądź błędu podczas wysyłania wiadomości e-mail mikrokontroler bezwarunkowo przechodzi w tryb hibernacji. Nad ciągłością pracy mikrokontroler CC3200 czuwa układ Watchdog. Domyślnie timer Watchdog jest wyłączony. Po zainicjowaniu czas pracy układu Watchdog wynosi 50 sekund.

E-Mail

Rysunek 6. Konfiguracja konta pocztowego Gmail

Wiadomości e-mail do użytkownika są wysyłane przy wykorzystaniu serwera pocztowego Gmail za pomocą protokołu SMTP. Mikrokontroler CC3200 łączy się z serwerem Gmail, loguje się do konta użytkownika poczty i korzystając z protokołu SMTP przesyła wiadomość dla użytkownika skrzynki na listy.

W ustawieniach projektu należy podać adres oraz hasło konta e-mail w serwisie Gmail (plik configure.h). Dodatkowo, w ustawieniach konta należy włączyć dostęp dla mniej bezpiecznych aplikacji. Opcję, którą należy skonfigurować pokazano na rysunku 6.

Oprogramowanie

Listing 1. Procedury do obsługi e-mail

Oprogramowania sterownika inteligentnej skrzynki na listy wykonano w środowisku CCSv6. Utworzony został projekt o nazwie iot_postbox. W projekcie użyto systemu czasu rzeczywistego freeRTOS, frameworka SimpleLink, driverów dla CC3200, biblioteki libmail do obsługi klienta SMTP (biblioteka w folderze SDK w lokalizacji /netapps/smtp/client).

Dodatkowo, wykorzystano przygotowane przez Texas Instruments interfejsy do obsługi urządzeń peryferyjnych i sieci (uart, udma, wdt, network). Projekt został skonfigurowany zgodnie z opisem publikowanym w poprzednich częściach kursu.

Pliki źródłowe projektu dostępne są w materiałach dodatkowych dołączonych do artykułu. W katalogu source zostały umieszczone pliki z konfiguracją linii wejścia-wyjścia mikrokontrolera CC3200. Konfiguracja linii wejścia-wyjścia została wygenerowana przy użyciu oprogramowania Pin Mux Tool.

W katalogach hardware i system zostały umieszczone pliki źródłowe oprogramowania. W katalogu hardware pliki do obsługi modułów sprzętowych mikrokontrolera CC3200 (UART, Watchdog).

W katalogu system pliki do obsługi logiki pracy urządzenia (konfiguracja, obsługa sieci, wysyłanie wiadomości e-mail, obsługa trybu hibernacji itp.).

W oprogramowaniu uruchomiony zostały system czasu rzeczywistego freeRTOS. Utworzony został wątek o nazwie system (plik system.c). W wątku wywoływane są procedury EmailSendTask oraz HibernateEnter. W procedurze EmailSendTask jest zestawiane połączenie z Access Point oraz jest uruchamiana obsługa wysyłania wiadomości e-mail. Konfigurowane są parametry serwera poczty (numer portu SMTP, adres IP serwera, metoda kodowania transmisji, algorytm kodowania transmisji).

Jest ustawiany adres oraz hasło konta Gmail używanego do wysyłania wiadomości. Wprowadzane są adres odbiorcy, tytuł oraz treść wiadomości e-mail. Kod źródłowy procedur do obsługi e-mail pokazano na listingu 1. W procedurze HibernateEnter jest włączany tryb uśpienia.

W programie można aktywować obsługę timera Watchdog. Czas pracy Watchdoga wynosi 50 sekund. Przy "zawieszeniu się" programu układ Watchdog wykona restart mikrokontrolera CC3200.

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

Uruchomienie

Fotografia 7. Sterownik inteligentnej skrzynki na listy podczas pracy

Projekt urządzenia pomiarowego dostępny jest w materiałach dodatkowych dołączonych do artykułu (folder iot_potboxs). 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.

W pliku konfiguracyjnym configure.h ustawiamy nazwę SSID dla Access Point, hasło dostępu do Access Point oraz algorytm szyfrowania transmisji danych. Podajemy nazwę i hasło do konta Gmail, jeśli nie mamy konta pocztowego Gmail, to należy je założyć.

Podajemy adres odbiorcy wiadomości. Żeby aktywować układ Watchdog w opcjach projektu w zakładce Predefined Symbols z pola Undefine NAME usuwamy wpis WATCHDOG_ON a następnie do pola Pre-define NAME dodajemy wpis WATCHDOG_ON. Po dokonaniu zmian kompilujemy projekt (Project → Build All).

W wyniku kompilacji jest tworzony plik binarny o nazwie iot_postbox.bin. Oprogramowanie wgrywamy korzystając z aplikacji CCS UniFlash (opis w poprzednich częściach kursu). Podczas programowania w złączu J13 należy zamontować zworkę.

Następnie w skrzynce na listy montujemy elementy bariery optycznej. Moc diody nadawczej IR regulujemy za pomocą potencjometru. Im większa moc diody nadawczej, a co za tym idzie - zasięg działania bariery optycznej, tym większy pobór prądu (dla 100 Ω zasięg działania bariery optycznej to około 4 centymetrów, pobór prądu to około 7 mA).

Żeby zmniejszyć pobór prądu urządzenia elementy bariery optycznej należy umieścić możliwie jak najbliżej siebie oraz za pomocą potencjometru (zwiększając rezystancję) zmniejszyć moc diody nadawczej. Zaprogramowany moduł CC3200 LaunchPad umieszczamy w obudowie.

Usuwamy zworkę z złącza J13. Montujemy panel słoneczny. Przyłączamy elementy bariery optycznej IR i włączamy zasilanie. Na zakończenie montujemy sterownik na ogrodzeniu. Przykład instalacji sterownika pokazano na fotografii 7.

Podsumowanie

W kolejnym, ostatnim odcinku kursu zaprezentujemy projekt serwera http. Zadaniem serwera będzie sterowanie automatyką domu. Do budowy serwera wykorzystamy moduł startowy CC3200 LaunchPad. Działanie urządzenia zostanie zoptymalizowane pod kątem poboru mocy.

Łukasz Krysiewicz, EP

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

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik styczeń 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio styczeń 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje styczeń 2020

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna styczeń 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich styczeń 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów