Automatizarea utilizării dispozitivelor radio ASK

Pornind de la sistemul prezentat în proiectul “Convertor ASK USB” putem dezvolta o funcționalitate foarte simplă dar utilă în cazul utilizării mai multor dispozitive radio în bandă ISM de 433MHz modulație ASK – mai ales dacă vorbim de de dispozitive de la producători diverși, incompatibile nativ între ele. Această nouă funcționalitate a sistemului ne va permite să automatizăm diverse operații simple ca de exemplu: ”la declanșarea unui senzor de prezență sau de deschidere a ușii să se aprindă lumina într-o anumită cameră„ sau ”la declanșarea unui senzor de gaz să pornească alarma sistemului antiefracție„ etc. Sistemul nostru va face legătura între componente radio ce fac parte din dispozitive complet diferite și va putea fi utilizat indiferent indiferent dacă componentele respective mai fac sau nu mai fac parte din dispozitivele inițiale (senzorii și elementele de acționare vor funcționa cu sau fără componenta bază originală).

Vom utiliza aceleași componente ca și în lecția precedentă: placă de dezvoltare Arduino Pro Micro cu un microcontroler ATmega 32U4 la 16MHz / 5V, un transmițător radio și un receptor radio – ambele în bandă de 433MHz modulație ASK. Schema de interconectare este de asemenea la fel (transmițătorul conectat la pinul 10, receptorul la pinul 3):

2

Programul, dezvoltat și testat utilizând Arduino IDE 1.8.1, extensia Arduino AVR Boards 1.6.19 și bibilioteca rc-switch 2.6.2, este puțin diferit:

#include <RCSwitch.h>

RCSwitch mySwitch = RCSwitch();

void setup() {

  while (!Serial);

  Serial.begin(115200);

  mySwitch.enableTransmit(10);

  mySwitch.setRepeatTransmit(3);

  mySwitch.enableReceive(0); }

void loop() {

   if (mySwitch.available()) {

     int value = mySwitch.getReceivedValue();

     if (value != 0) {

      switch (mySwitch.getReceivedValue()) {

        case 6083408:

          Serial.println(“ON command received.”);

          mySwitch.setProtocol(2);

          mySwitch.send(2474994176,32);

          break;

        case 6049984:

          Serial.println(“OFF command received.”);

          mySwitch.setProtocol(2);

          mySwitch.send(2743429632,32);

          break;

        default:

          Serial.print(“Unknown command, received “);

          Serial.print( mySwitch.getReceivedValue() );

          Serial.print(” / “);

          Serial.print( mySwitch.getReceivedBitlength() );

          Serial.print(“bit “);

          Serial.print(“Protocol: “);

          Serial.println( mySwitch.getReceivedProtocol() );

          break;

      }

    }

    mySwitch.resetAvailable();

  }

}

Se poate observa că în cadrul secțiunii loop() se execută o buclă infinită care așteaptă primirea unui cod radio. În funcție de codul radio primit (instrucțiunea switch(mySwitch.getReceivedValue())) se va trimite un alt cod radio ca efect al acțiunii dorite.

3

În cazul exemplului dat s-a utilizat un senzor de deschidere a ușii și o telecomandă radio (ambele făcând parte dintr-un sistem de securitate a locuinței) ca intrări și o priză Conrad RSL ca element de acționare. Pentru mai multe informații legate de diverse dispozitive radio de securitate se poate parcurge și proiectul ”HomeWatch” din cartea ”10(zece) proiecte cu Arduino” și pentru mai multe informații legate de dispozitivele din gama Conrad RSL se pot parcurge și materialele ”Cloud’s Lights” și ”Local Area Power Plugs”.

Codul 6083408 este transmis de senzorul de deschidere a ușii și declanșează deschiderea prizei – cod radio transmis 2474994176. Putem considera că priza alimentează o veioză, o sonerie sau o cameră video de securitate.

4

5

Codul 6049984 este transmis de butonul de armare al telecomenzii radio și va declanșa transmiterea codului radio 2743429632 de închidere a prizei. Orice alt cod radio, necunoscut, va avea ca efect afișarea în consola serială a mesajului Unknown command urmat de codul numeric propriu-zis, acest lucru permite aflarea codurilor ce dorim a fi introduse în program.

6

Funcționarea sistemului nu este limitată la dispozitive radio prefabricate. Putem cu ușurință să dezvoltăm sisteme simple de supraveghere a parametrilor de mediu sau sisteme de acționare pentru diverse sarcini casnice. Un bun exemplu este prezentat în cadrul proiectului ”HomeWatch” din cartea ”10(zece) proiecte cu Arduino” – este vorba de un senzor de bucătărie ce permite avertizarea în caz de inundație sau în cazul unor scurgeri de gaze. Senzorul se bazează pe o placă de dezvoltare Arduino Pro Mini, un modul senzor de gaz metan MQ4 și un transmițător radio 433MHz ASK.

Senzorul de bucătărie poate detecta două evenimente neplăcute ce pot apărea într-o locuință în zona bucătăriei: scurgeri de gaz, senzorul va trimite codul radio 3333310 la apariția acestui eveniment, și scurgeri de apă la nivelul podelei, senzorul va trimite codul radio 3333311 la apariția acestui eveniment. Acest sistem de tip senzor poate fi utilizat cu ușurință împreună cu sistemul de automatizare prezentat putând declanșa o alarmă sonoră sau, de ce nu, un sistem de deschidere a ferestrelor. Schema și codul necesar sunt prezentate în cele ce urmează.

7

Programul a fost testat utilizând Arduino IDE 1.8.1, extensia Arduino AVR Boards 1.6.19 și bibilioteca rc-switch 2.6.2.

#include <RCSwitch.h>

RCSwitch mySwitch = RCSwitch();

volatile unsigned long alarma_apa = 0;

volatile unsigned long alarma_gaz = 0;

const unsigned long interval = 60000;

const unsigned int pin_rf = 10;

const unsigned int pin_gaz = A0;

const unsigned int pin_apa = A1;

const unsigned long cod_gaz = 3333310;

const unsigned long cod_apa = 3333311;

void setup() {

  mySwitch.enableTransmit(pin_rf);

  mySwitch.setRepeatTransmit(10);

  pinMode(pin_apa,INPUT_PULLUP); }

void loop() {

  if (analogRead(pin_gaz)>500)

  {   if (alarma_gaz == 0)

      {

         mySwitch.send(cod_gaz,24);

         delay(3000);

         alarma_gaz = millis();

      }

      else

        if ((millis() – alarma_gaz) > interval)

        {

          mySwitch.send(cod_gaz,24);

          delay(2000);

          alarma_gaz = millis();

        }

   }

   else

     if ((alarma_gaz != 0) && ((millis() – alarma_gaz) > interval) )

     {

       alarma_gaz = 0;

     }

   if (analogRead(pin_apa)<500)

   {

      if (alarma_apa == 0)

      {

         mySwitch.send(cod_apa,24);

         delay(3000);

         alarma_apa = millis();

      }

      else

        if ((millis() – alarma_apa) > interval)

        {

          mySwitch.send(cod_apa,24);

          delay(2000);

          alarma_apa = millis();

        }

   }

   else

     if ((alarma_apa != 0) && ((millis() – alarma_apa) > interval) )

     { alarma_apa = 0; }

}

Proiect Convertor ASK / USB

Multe dintre dispozitivele casnice fără fir funcționează prin comunicație radio în bandă ISM de 433MHz modulație ASK. Cele mai des întâlnite astfel de dispozitive sunt sistemele de securitate fără fir, prizele sau soclurile de bec comandate de la distanță și chiar sistemele meteo cu senzori fără fir. Toate aceste sisteme oferă dispozitive fără fir gata construite, ieftine și foarte ușor de folosit în sisteme de comandă personalizate. Dacă sistemul de comandă este bazat pe o placă de dezvoltare de tipul Arduino nu este nici un fel de problemă deoarece există module radio ASK în bandă de 433MHz cu un cost mic și ușor de folosit. Dacă sistemul de comandă are o complexitate mai mare și necesită utilizarea unui PC sau a unei plăci de tipul Raspberry Pi lucrurile se complică puțin. În cadrul acestui proiect ne propunem să realizăm un sistem ieftin și de mici dimensiuni care să realizeze legătura între comunicația radio în bandă de 433MHz modulație ASK și portul USB prezent în sistemele de calcul de uz general (PC-uri, laptop-uri, plăci de dezvoltare bazate pe microprocesoare). Astfel de dispozitive există deja dar au un preț destul de mare (a se vedea (*)).

Sistemul nostru se va baza pe o placă de dezvoltare Arduino Pro Micro cu un microcontroler ATmega 32U4 la 16MHz / 5V, un transmițător radio și un receptor radio – ambele în bandă de 433MHz modulație ASK. Componentele au fost alese astfel încât să asigure un cost total cât mai scăzut și posibilitatea de a fi integrate într-o carcasă de mici dimensiuni (aproximativ cât o baterie USB externă, imagine alăturată, astfel de carcase se găsesc de cumpărat pe Internet la prețuri de circa 2$).

2

Dispozitivul rezultat va fi văzut de sistemul de calcul în cadrul căruia va fi utilizat ca un dispozitiv serial ce va transmite către sistem codurile radio primite și va transmite radio codurile primite de la sistem – va fi realiza conversia dintre comunicația serială (over USB) și comunicația radio ASK în bandă de 433MHz.

 

Interconectarea componentelor

Interconectarea dintre placa de dezvoltare și cele două module radio este reprezentată în diagrama următoare:

3

Transmițătorul radio va avea linia de date conectată la pinul 10 al plăcii de dezvoltare iar receptorul radio va avea linia de date conectată la pinul 4 al plăcii de dezvoltare (pinul de întrerupere 0). Ambele module se vor alimenta la 5V prin intermediul pinilor VCC / GND ai plăcii de dezvoltare.

Pentru mai multe detalii despre instalarea și operarea plăcii Sparkfun Pro Micro se recomandă parcurgerea materialului ”Pro Micro & Fio V3 Hookup Guide” .

 

Programarea sistemului

Programul a fost dezvoltat și testat utilizând Arduino IDE 1.8.1 cu extensia Arduino AVR Boards 1.6.19 instalată și bibilioteca rc-switch 2.6.2.

 

#include <string.h>

#include <RCSwitch.h>

RCSwitch mySwitch = RCSwitch();

void setup() {

  while (!Serial);

  Serial.begin(115200);

  mySwitch.enableTransmit(10);

  mySwitch.setRepeatTransmit(3);

  mySwitch.enableReceive(0);

}

void loop() {

  char inData[80];

  int index = 0;

  while(Serial.available() > 0)

  {

     char aChar = Serial.read();

     if(aChar == ‘\n’)

     {

        inData[index] = NULL;

        index = -1;

     }

     else

     {

        inData[index] = aChar;

        index++;

        inData[index] = ‘\0’;

     }

  }

  char * number;

  unsigned long number1, number2, number3;

  if (index==-1) {

    number = strtok(inData,”,”);

    number1 = atol(number);

    number = strtok(NULL,”,”);

    if(number!=NULL) { number2=atoi(number); }

    number = strtok(NULL,”,”);

    if(number!=NULL) { number3=atoi(number); mySwitch.setProtocol(number3);}

    mySwitch.send(number1,number2);

  }

  if (mySwitch.available()) {

     int value = mySwitch.getReceivedValue();

        if (value == 0) {

      Serial.print(“Unknown encoding”);

    } else {

      Serial.print( mySwitch.getReceivedValue() );

      Serial.print(“,”);

      Serial.print( mySwitch.getReceivedBitlength() );

      Serial.print(“,”);

      Serial.println( mySwitch.getReceivedProtocol() );

    }

    mySwitch.resetAvailable();

  }

}

Comunicația dintre sistemul de calcul și dispozitivul USB construit va avea mesajele de forma COD,DIMENSIUNE,VERSIUNEPROTOCOL .

De exemplu, în consola serială, apăsarea butoanelor unei telecomenzi radio ce face parte dintr-un sistem de securitate a locuinței va avea următorul efect (se observă codul butonului de dimensiune 24 biți, protocol radio versiunea 1).

4

5

Pentru mai multe informații legate de diverse dispozitive radio de securitate se poate parcurge și proiectul ”HomeWatch” din cartea ”10(zece) proiecte cu Arduino”.

În cazul în care dorim să dăm o comandă radio vom tasta în consola serială cei trei parametrii necesari transmisiei. De exemplu: 2474994176,32,2 (cod de deschidere pe 32 de biți, protocol versiunea 2, specific unei prize radio din gama Conrad RSL).

6

Pentru mai multe informații legate de dispozitivele din gama Conrad RSL se pot parcurge și materialele ”Cloud’s Lights” și ”Local Area Power Plugs”.

Bineînțeles, dispozitivul prezentat nu își găsește utilitatea majoră în comanda sau supravegherea manuală în consola serială. Utilizarea lui trebuie integrată într-o aplicație specifică platformei la care este conectat (o aplicație Windows sau un script de automatizare sub platforma Linux) și sub care pot fi predefinite codurile de comandă pentru diverse dispozitive cunoscute.

O aplicație utilă poate fi utilizarea dispozitivului în conjuncție cu o platfotmă de automatizare a locuinței, de exemplu OpenHAB. În acest scop se pot vedea și materialele ”Realizarea unui sistem de tip Home Automation” și ”Conectarea unor dispozitive antiefracție la platforma OpenHab”.

Proiect Termometru Simfonic

În cadrul proiectului de față vom prezenta o soluție de achiziție (ca exemplificare vom face achiziția temperaturii și umidității mediul ambiant) cu raportare IoT prin GPRS (rețea de telefonie mobilă). Soluția propusă este una simplă și vine în întâmpinarea unei probleme extrem de actuală: supravegherea de la distanță a unor parametrii de mediu în locații izolate unde nu dispunem de infrastructură de rețea Internet – în loc de temperatură și umiditate putem face achiziția unor parametrii ai solului (aplicații pentru agricultură inteligentă) sau achiziția unor parametrii de proximitate și integritate (aplicații de securitate).

Soluția propusă se bazează pe placa de dezvoltare Adafruit Feather 32U4 FONA, placă ce combină un microcontroler ATmega32U4 la 8MHz / 3.3V și un controler GSM SIM800 quad-band (850/900/1800/1900MHz). Placa necesită alimentarea de la un acumulator LiPo extern de minim 500mAh (se pot utiliza (*), (*), (*)) și o antenă GSM uFL.

2

Pentru achiziția parametrilor temperatură și umiditate vom utiliza un senzor digital I2C Si7021 ce are o precizie mare de măsurare și se poate interfața foarte ușor cu placa de dezvoltare utilizată.

3

Funcționarea sistemului necesită o cartelă GSM 2G cu capabilități de transfer de date. Pentru acest lucru vă propunem utilizarea unui SIM Simfony Mobile M2M – cartelă GSM ce oferă exclusiv servicii mobile de date.

4

Cartela este disponibilă gratuit prin comandă pe site-ul companiei Simfony Mobile SRL  sau împreună cu un produs din gama GSM pe site-ul Robofun. Cartela necesită înregistrarea și introducerea codului promoțional pentru activare și oferă gratuit 10MB de date mobile valabile 3 luni. Ulterior costurile de funcționare sunt de 0.25EURO, 0.5EURO, 1EURO pentru 1MB, 5MB respectiv 10MB trafic de date. Chiar dacă traficul inclus are valori modice pentru un sistem de raportare IoT este suficient iar costurile sunt rezonabile. O caracteristică importantă a cartelei SIM Simfony este indepența de un operator de telefonie anume, dispozitivul GSM ce utilizează cartela Simfony poate utiliza orice operator de telefonie mobilă în funcție de zona în care se află chiar și afara României.

 

Interconectarea componentelor

Interconectarea dintre senzorul Si7021 și placa Feather 32U4 FONA este reprezentată în diagrama următoare:

5

Pentru mai multe detalii despre operarea plăcii Adafruit Feather 32U4 FONA se recomandă parcurgerea materialului ”Adafruit Feather 32u4 FONA – Take your Feather anywhere in the world”.

 

Programarea sistemului

Pentru realizarea și testarea sistemului s-a utilizat Arduino IDE 1.8.1 cu extensia Adafruit AVR Boards 1.4.9 instalată precum și bibliotecile Adafruit FONA 1.3.2, Adafruit Si7021, Sleep_n0m1 1.1.1.

 

#include “Adafruit_FONA.h”

#define FONA_RX  9

#define FONA_TX  8

#define FONA_RST 4

#define FONA_RI  7

#define FONA_DTR 5

#define apn “internet.simfony.net”

#define apnusername “” 

#define apnpassword “” 

char replybuffer[255];

#include <SoftwareSerial.h>

SoftwareSerial fonaSS = SoftwareSerial(FONA_TX, FONA_RX);

SoftwareSerial *fonaSerial = &fonaSS;

Adafruit_FONA fona = Adafruit_FONA(FONA_RST);

uint8_t type;

#include <Sleep_n0m1.h>

Sleep sleep;

#include <Adafruit_Si7021.h>

Adafruit_Si7021 sensor = Adafruit_Si7021();

 

Dacă se dorește supravegherea funcționării sistemului pe serială se va adăuga următoarea linie, în funcționarea propriu-zisă nu este necesară:

 

#define debug

 

În cadrul secțiunii setup() se va realiza inițializarea modulului GSM și a senzorului Si7021:

 

void setup() {

  #ifdef debug

    while (!Serial);

    Serial.begin(115200);

    Serial.println(“Initializing…”);

  #endif

  digitalWrite(FONA_DTR,LOW);

  fonaSerial->begin(4800);

  if (! fona.begin(*fonaSerial)) {

    #ifdef debug

      Serial.println(F(“Couldn’t find FONA”));

    #endif

    delay(1);

    while (1);

  }

  #ifdef debug

    type = fona.type();

    Serial.println(F(“FONA is OK”));

    Serial.print(F(“Found “));

    switch (type) {

      case FONA800L:

        Serial.println(F(“FONA 800L”)); break;

      case FONA800H:

        Serial.println(F(“FONA 800H”)); break;

      case FONA808_V1:

        Serial.println(F(“FONA 808 (v1)”)); break;

      case FONA808_V2:

        Serial.println(F(“FONA 808 (v2)”)); break;

      case FONA3G_A:

        Serial.println(F(“FONA 3G (American)”)); break;

      case FONA3G_E:

        Serial.println(F(“FONA 3G (European)”)); break;

      default:

        Serial.println(F(“???”)); break;

    }

   #endif

  #ifdef debug

    char imei[15] = {0};

    uint8_t imeiLen = fona.getIMEI(imei);

    if (imeiLen > 0) {

      Serial.print(“Module IMEI: “); Serial.println(imei);

    }

  #endif

  fona.getSIMCCID(replybuffer); 

  #ifdef debug

    Serial.print(F(“SIM CCID = “));

Serial.println(replybuffer);

  #endif

  if (!fona.enableNetworkTimeSync(true)) {

     #ifdef debug

      Serial.println(F(“Failed to enable NTS”));

     #else

      ;

     #endif

  }

  delay(5000);

  fona.setGPRSNetworkSettings(F(apn),F(apnusername),F(apnpassword));

  uint8_t n=0;

  #ifdef debug

    Serial.print(“Connecting to network.”);

  #endif

  while (n!=5) {

    n = fona.getNetworkStatus();

    #ifdef debug

      Serial.print(“.”);

    #endif

    delay(1000);

  }

  #ifdef debug

    Serial.println(“OK”);

  #endif

  #ifdef debug

    n = fona.getRSSI();

    int8_t r;

    if (n == 0) r = -115;

    if (n == 1) r = -111;

    if (n == 31) r = -52;

    if ((n >= 2) && (n <= 30)) { r = map(n, 2, 30, -110, -54); }

    Serial.print(r); Serial.println(F(“dBm”));

  #endif

  sensor.begin();

  delay(5000);

}

 

Sistemul va raporta către serviciul IoT ThingSpeak valorile achiziționate (temperatură și umiditate) precum și voltajul și procentul de încărcare a acumulatorului ce alimentează sistemul. Secțiunea loop() implementează atât partea de achiziție cât și partea de transmisie de rețea prin intermediul comunicației mobile. În cadrul codului trebuie personalizată valoarea parametrului key ce se obține în urma înregistrării gratuite pe site-ul ThingSpeak. Achiziția și raportarea se realizează la un interval de o oră (3600000ms), în intervalul de inactivitate atât modulul GSM cât și microcontrolerul 32u4 se află în mod de consum redus.

 

void loop() {

while (!fona.enableGPRS(true)) {

#ifdef debug

Serial.println(F(“Failed to turn on GPRS”));

#endif

delay(5000);

}

uint16_t vbat;

uint16_t pbat;

#ifdef debug

if (fona.getBattVoltage(&vbat)) { Serial.print(F(“VBat = “)); Serial.print(vbat);

Serial.println(F(” mV”)); }

if (fona.getBattPercent(&pbat)) { Serial.print(F(“VPct = “)); Serial.print(pbat);

Serial.println(F(“%”));   }

Serial.println(“——————————————————“);

#else

fona.getBattVoltage(&vbat);

fona.getBattPercent(&pbat);

#endif

float temperature, humidity;

temperature = sensor.readTemperature();

humidity = sensor.readHumidity();

#ifdef debug

Serial.print(“Humidity:    “);

Serial.print(humidity, 2);

Serial.print(“\tTemperature: “);

Serial.println(temperature, 2);

#endif

String temp = “api.thingspeak.com/update?key=…&field1=” + String(vbat/1000.0F,2) + “&field2=” + String(pbat) + “&field3=” + String(temperature,2) + “&field4=” + String(humidity,2);

uint16_t statuscode;

int16_t length;

char url[100];

temp.toCharArray(url,temp.length()+1);

#ifdef debug

Serial.println(url);

if (!fona.HTTP_GET_start(url, &statuscode, (uint16_t *)&length)) Serial.println(“Failed

read HTTP!”);

#else

fona.HTTP_GET_start(url, &statuscode, (uint16_t *)&length);

#endif

while (length > 0) {

while (fona.available()) {

char c = fona.read();

#ifdef debug

Serial.write(c);

#endif

length–;

if (! length) break;

}

#ifdef debug

Serial.println();

#endif

break;

}

fona.HTTP_GET_end();

delay(100);

#ifdef debug

Serial.println(“——————————————————“);

if (!fona.enableGPRS(false)) Serial.println(F(“Failed to turn off GPRS”));

#else

fona.enableGPRS(false);

#endif

delay(100);

digitalWrite(FONA_DTR,HIGH);

#ifdef debug

delay(3600000);

#else

sleep.pwrDownMode();

sleep.sleepDelay(3600000);

#endif

digitalWrite(FONA_DTR,LOW);

delay(100);

}

 

Configurarea sistemului de raportare IoT

Sistemul nostru este un sistem tipic IoT ce utilizează platforma on-line ThingSpeak. Utilizarea platformei necesită înregistrare dar aceasta este gratuită.

6

Platforma ThingSpeak este una dintre cele mai cunoscute platforme IoT ce oferă servicii de stocare, prelucrare și vizualizare a datelor. Unul dintre avantajele majore ale platformei este posibilitatea de execuție de programe scrise în limbajul Matlab.

După înregistrare se va defini un nou canal înregistrare a datelor (My Channels / New Channel). Definirea canalului va genera și cheia (Write API Key) ce trebuie utilizată în program.

7

În cadrul acestui canal vom defini patru câmpuri Vbat, Vperc, Temperature și Humidity ce vor stoca efectiv datele trimise de dispozitivul nostru.

8

După punerea în funcțiune a sistemului se vor putea vedea și datele trimise de dispozitiv (secțiunea PrivateView).

9