ESP8266 Geolocation

Localizarea geografică este o problemă rezolvată cu ajutorul mai multor tehnologii actuale. Tehnologia GPS, cea mai cunoscută și utilizată modalitate de localizare, necesită funcționarea în spații deschise și utilizarea unui receptor specializat. În dispozitivele actuale această tehnologie se utilizează în combinație cu alte metode pentru a crește acuratețea localizării și pentru a oferi posibilitatea de localizare inclusiv în interiorul clădirilor. De exemplu, în telefoanele mobile inteligente, tehnologia GPS este combinată cu triangularizarea semnalelor radio GSM  și WiFi. În cadrul materialului de față vom arăta cum putem utiliza tehnica de localizare bazată pe triangularizarea semnalului WiFi utilizând o placă de dezvoltare WiFi ESP8266 și pe serviciul cloud Google Geolocation API. O astfel de soluție permite realizarea unui dispozitiv de localizare mult mai ieftin decât dispozitivele comerciale bazate pe soluții GPS și care permite localizarea inclusiv în interiorul clădirilor. Singura cerință de funcționare mai specială a dispozitivului este prezența unor rețele WiFi cartografiate de compania Google (cerință îndeplinită cu siguranță în mediul urban).

Pentru implementare am ales o placă de dezvoltare Adafruit Feather HUZZAH dar poate fi utilizată orice placă bazată pe ESP8266. Unul dintre avantajele oferite de placa de dezvoltare aleasă este posibilitatea de alimentare directă de la un acumulator LiPo de 3.7V permițând astfel realizarea unui sistem portabil. Pentru partea de afișare, utilă mai ales în cazul utilizării mobile a dispozitivului implementat, am utilizat un afișaj SHARP Memory Display ce are un consum extrem de redus (4µA @ 3.3V) și un contrast foarte bun.

Cele două componente ale sistemului vor comunica prin intermediul unei conexiuni SPI unidirecționale (doar 3 fire). Asftel, vom conecta:

  • Pinii 3.3V și GND al ecranului la pinii corespondenți ai plăcii de dezvoltare;
  • Pinul CLK al ecranului la pinul 14 al plăcii de dezvoltare;
  • Pinul DI al ecranului la pinul 13 al plăcii de dezvoltare;
  • Pinul CS al ecranului la pinul 5 al plăcii de dezvoltare.

2

Pinul 16 (Wake) al plăcii va fi conectat la pinul RST dacă dorim ca sistemul să intre în modul de consum redus între două localizări (util pentru funcționarea mobilă cu alimentare bazată pe acumulator). Conexiunea trebuie realizată după încărcarea programului pe placa de dezvoltare.

Programul sistemului a fost testat utilizând mediul de dezvoltare Arduino IDE 1.8.5 având instalate extensia ESP8266 Community 2.4.1 și bibliotecile Adafruit GFX 1.2.3, Adafruit SHARP Memory Display 1.0.6 (pentru controlul ecranului) și WifiLocation 1.2.2 (pentru interacțiunea cu Geolocation API).

#include <ESP8266WiFi.h>

#include <WifiLocation.h>

#include <Adafruit_GFX.h>

#include <Adafruit_SharpMem.h>

În cadrul programului trebuie personalizate datele de acces la o rețea WiFi (ssid și passwd) și cheia de acces la serviciile cloud Google (googleApiKey). Pentru a obține cheia de acces trebuie să vă înregistrați ca dezvoltator pe site-ul Google Developers, să activați funcționalitatea GeoLocation API și să solicitați cheia de acces. Accesul este gratuit până la o limită de 2500 de interogări pe zi (evitați o utilizare la un interval mai mic de 30 de secunde).

const char* googleApiKey = “…”;

const char* ssid = “…”;

const char* passwd = “…”;

WifiLocation location(googleApiKey);

#define SHARP_SCK  14

#define SHARP_MOSI 13

#define SHARP_SS   5

Adafruit_SharpMem display(SHARP_SCK, SHARP_MOSI, SHARP_SS, 96, 96);

#define BLACK 0

#define WHITE 1

Directiva debug poate fi utilizată (decomentată) dacă doriți să vedeți mesajele generate de sistem în consola serială.

//#define debug

3

În cadrul secțiunii setup() se va realiza scanarea rețelelor WiFi din zona în care se află sistemul, obținerea coordonatelor geografice de la serviciul cloud de localizare pe baza puterii semnalului fiecărei rețea WiFi observate și afișarea coordonatelor pe ecran (și în consola serială dacă este activată directiva debug). După un ciclu de localizare sistemul va intra în stare de consum redus (deepSleep) pentru 10 minute. Datele afișate vor conține latitudinea și longitudinea precum și acuratețea localizării (exprimată în metri).

4

void setup() {

#ifdef debug

Serial.begin(115200);

#endif

display.begin();

display.clearDisplay();

display.refresh();

WiFi.mode(WIFI_STA);

WiFi.begin(ssid, passwd);

while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {

#ifdef debug

Serial.print(“Attempting to connect to WPA SSID:“);

Serial.println(ssid);

Serial.print(“Status = “);

Serial.println(WiFi.status());

#endif

delay(500);

}

location_t loc = location.getGeoFromWiFi();

#ifdef debug

Serial.println(“Location request data”);

Serial.println(location.getSurroundingWiFiJson());

Serial.println(“Latitude: ” + String(loc.lat, 7));

Serial.println(“Longitude: ” + String(loc.lon, 7));

Serial.println(“Accuracy: ” + String(loc.accuracy));

#endif

display.setTextColor(BLACK);

display.setCursor(12,10);

display.setTextSize(1);

display.println(“Latitude:”);

display.setCursor(5,19);

display.setTextSize(2);

display.println(String(loc.lat, 3));

display.setCursor(12,37);

display.setTextSize(1);

display.println(“Longitude:”);

display.setCursor(5,46);

display.setTextSize(2);

display.println(String(loc.lon, 3));

display.setCursor(12,64);

display.setTextSize(1);

display.println(“Accuracy:”);

display.setCursor(5,73);

display.setTextSize(2);

display.println(String(loc.accuracy));

display.refresh();

ESP.deepSleep(600L*1000000L);

}

void loop() {

}

 

Solar Power GPRS Test

Întrebarea la care vom încerca să răspundem în cadrul acestui proiect este: putem construi un sistem IoT cu comunicație GPRS total independent de alimentarea de la rețeaua de energie? Sistemul propus pentru testare este un sistem ce se bazează exclusiv pe alimentare solară. Un astfel de sistem poate fi folosit pentru locații izolate în care nu există disponibile alimentare cu energie electrică și Internet.

Ca soluție de alimentare solară vom utiliza o componentă MPPT: Sunny Buddy – MPPT Solar Charger. Această componentă permite conectarea unei celule solare cu ieșirea între 6V și 20V și încărcarea unui acumulator LiIon sau LiPo cu o singură celulă (3.7V). Curentul maxim de încărcare este de 450mA deci este necesară utilizarea unui acumulator de capacitate minimă 450mAh. În testul nostru vom utiliza o celulă solară de 2.5W / 9V și un acumulator LiPo de 800mAh.  Pentru mai multe detalii despre funcționarea componentei MPTT puteți consulta materialul „Sunny Buddy Solar Charger V13 Hookup Guide”.

Pentru partea de achiziție și raportare IoT vom utiliza placa de dezvoltare Adafruit Feather 32u4 FONA echipată cu un microcontroler ATmega32U4 (la fel ca și placa de dezvoltare Arduino Leonardo) și un controler GSM/2G SIM800 quad-band (850/900/1800/1900MHz).

2

Placa va supraveghea nivelul de încărcare a acumulatorului și va raporta prin Internet (prin intermediul conexiunii GPRS) valorile către serviciul cloud iot.robofun.ro. Placa de dezvoltare se va alimenta de la acumulatorul LiPo conectat la componenta MPPT și va servi ca element de descărcare pentru acesta. Pentru mai multe detalii despre funcționarea și utilizarea plăcii de dezvoltare Adafruit Feather 32U4 FONA puteți consulta materialul „Overview | Adafruit Feather 32u4 FONA | Adafruit Learning System”.

Diagrama de interconectare între componentele sistemului de test este următoarea:

4

Funcționarea plăcii de dezvoltare necesită o antenă GSM uFL. Pentru a minimiza consumul și pentru a putea controla inițializarea sistemului (mai ales în cazul în care acumulatorul sistemului nu este încărcat suficient) pinul KEY al modulului GSM se va deconecta de la masă (necesită tăierea jumperului KEY de pe spatele plăcii) și se va conecta la pinul 0 al plăcii de dezvoltare (firul galben din schema de interconectare).  În acest fel modulul GSM de pe placă nu va mai fi activ continuu ci doar în cazul în care îl vom activa din software. ATENȚIE!!! Această operație conduce la pierderea garanției oferite de producător.

Programul sistemului a fost dezvoltat și testat utilizând Arduino IDE 1.8.5 având instalate extensia Adafruit AVR Boards 1.4.11 și bibliotecile Adafruit FONA Library 1.3.3 și Sleep_n0m1 1.1.1.

#include “Adafruit_FONA.h”

#include <Wire.h>

#define FONA_RX 9

#define FONA_TX 8

#define FONA_RST 4

#define FONA_RI 7

#define FONA_KEY 1

#define FONA_ALARM 13

Definirea constantelor apn, apnusername și apnpassword sunt specifice rețelei de telefonie mobile al SIM-ului GSM utilizat. ATENȚIE!!! Placa de dezvoltare necesită un SIM GSM ce suportă standardul 2G, comunicația GSM nu va funcționa în cazul unui SIM GSM exclusiv 3G/4G.

#define apn “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);

#include <Sleep_n0m1.h>

Sleep sleep;

În cadrul secțiunii setup() se vor inițializa pinii de control utilizați pentru controlul modulului GSM (FONA_KEY este utilizat pentru activarea modulului GSM, FONA_ALARM este conectat la LED-ul de semnalizare al plăcii de dezvoltare și va fi utilizat pentru avertizarea imposibilității inițializării corecte a modulului GSM).

void setup() {

  pinMode(FONA_KEY,OUTPUT);

  digitalWrite(FONA_KEY,HIGH);

  pinMode(FONA_ALARM,OUTPUT);

  digitalWrite(FONA_ALARM,LOW);

}

Secțiunea loop() conține algortimul complet de inițializare și comandă pentru modulul GSM, achiziția nivelului de încărcare a bateriei și transmiterea prin Internet a valorilor către serviciul IoT. Primul pas în execuția algoritmului este intrarea în starea de consum redus pentru o oră – stare obligatorie pentru revenirea sistemului dintr-o stare de oprire completă generată de consumarea completă a acumulatorului (acumulatorul este încărcat suficient pentru inițializarea microcontrolerului ATmega32U4 dar nu și pentru inițializarea modulului GSM).

void loop() {

  sleep.pwrDownMode();

  sleep.sleepDelay(3600000);

Pornirea modulului GSM necesită un impuls de 2 secunde pe pinul FONA_KEY. Sistemul va încerca de 10 ori inițializarea modulului GSM după care va relua perioada de o oră de consum redus.

  digitalWrite(FONA_KEY,LOW);

  digitalWrite(FONA_ALARM,HIGH);

  delay(2000);

  digitalWrite(FONA_KEY,HIGH);

  digitalWrite(FONA_ALARM,LOW);

  delay(2000);

  fonaSerial->begin(4800);

  byte i = 0;

  while (!fona.begin(*fonaSerial)) {

      i++;

      if (i==10) break;

      digitalWrite(FONA_KEY,LOW);

      digitalWrite(FONA_ALARM,HIGH);

      delay(2000);

      digitalWrite(FONA_KEY,HIGH);

      digitalWrite(FONA_ALARM,LOW);

      delay(2000);      

  }

În cazul în care modulul GSM s-a inițializat corect se va încerca deblocarea cartelei SIM pe baza codului PIN (trebuie modificat în program în funcție de codul cartelei folosite). Dacă deblocarea cartelei SIM nu se poate face se va relua perioada de o oră de consum redus – este posibil ca acumulatorul să scadă sub pragul de alimentare corectă a modulului GSM între inițializare și deblocarea cartelei SIM.

if (i!=10) {

    if (! fona.unlockSIM(“0000”) ) {

digitalWrite(FONA_ALARM,HIGH);

delay(1000); i=10; }

    else {  

Programul va aștepta înregistrarea în rețeaua GSM a cartelei SIM a sistemului pentru o perioadă de 100 de secunde.

    uint8_t n = fona.getNetworkStatus();

     i=0;

      while (n!=1) {

        i++;

        if (i==10) break;

        digitalWrite(FONA_ALARM,HIGH);

        delay(5000);

        digitalWrite(FONA_ALARM,LOW);

        delay(5000);

        n = fona.getNetworkStatus();

       }

     }

Postarea valorii de încărcare a acumulatorului se va face doar dacă se va inițializa cu succes partea de comunicații de date (fona.enableGPRS). Măsurarea se va face chiar de modulul GSM. În cadrul programului trebuie personalizate cheile de autentificare (SENSOR_TOKEN1 și SENSOR_TOKEN2) obținute prin înregistrarea gratuită în cadrul serviciului iot.robofun.ro.

if(i!=10) {

      fona.setGPRSNetworkSettings(F(apn),

F(apnusername),F(apnpassword));

      if (fona.enableGPRS(true)) {

      uint16_t vbat;

      uint16_t pbat;

      fona.getBattVoltage(&vbat);

      fona.getBattPercent(&pbat);

      delay(1000);

      uint16_t statuscode;

      int16_t length;

      String SENSOR_TOKEN1=”…”;

      String SENSOR_TOKEN2=”…”;

      String data =

         String(“http”) + “://iot.robofun.ro/api/v1/senzor/” + SENSOR_TOKEN1 +  “/input?value=” + String(vbat, DEC);

      char url[100];

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

      fona.HTTP_GET_start(url, &statuscode,

(uint16_t *)&length);

      while (length > 0) {

          while (fona.available()) {

            char c = fona.read();

            length–;

            if (! length) break;

          }

          break;

      } 

      fona.HTTP_GET_end();

      delay(100);

      data = String(“http”) + “://iot.robofun.ro/api/v1/senzor/”) + SENSOR_TOKEN2 + “/input?value=” + String(pbat, DEC);

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

      fona.HTTP_GET_start(url, &statuscode,

(uint16_t *)&length);

      while (length > 0) {

          while (fona.available()) {

            char c = fona.read();

            length–;

            if (! length) break;

          }

          break;

      } 

      fona.HTTP_GET_end();

      delay(100);

    }

La final, înainte de reintrarea în modul de consum pentru o oră, se va opri modulul GSM printr-un puls de 2 secunde pe pinul FONA_KEY.

      digitalWrite(FONA_KEY,LOW);

      delay(2000);

      digitalWrite(FONA_KEY,HIGH);

    }

  }

}

Testul a fost efectuat pornind cu acumulatorul sistemului complet consumat (tensiune sub 3.3V). După o zi cu soare, când tensiunea acumulatorului a ajuns la 3.7V, sistemul s-a inițializat complet cu succes și a început să posteze pe serviciul IoT. Acest lucru înseamnă că sistemul își poate reveni dintr-o stare de oprire completă generată de descărcarea acumulatorului (mai multe zile fără lumină solară) fără intervenție umană.

5

În timpul unei zile cu soare acumulatorul câștigă aproximativ 30% din nivelul de încărcare iar procentul de descărcare într-o zi înorată este de circa 15%. Asta înseamnă că o zi cu soare poate fi urmată de două zile înorate fără ca sistemul să descarce acumulatorul. Dacă acumulatorul sistemului este complet încărcat, sistemul poate funcționa fără lumină solară pentru un interval de 6-7 zile

6

Testul efectuat dovește că se poate construi un sistem de raportare IoT GSM/GPRS care să funcționeze în mod autonom pe baza energiei solare fără să fie nevoie de intervenția umană în cazuri speciale de descărcare a acumulatorului.

Calendar de Crăciun

Calendarul de Crăciun sau Calendarul de Advent este o modalitate de a face să treacă timpul mai ușor în așteptarea sărbătorii de Crăciun. Acest calendar indică câte zile au trecut și câte zile mai sunt (în luna decembrie bineînțeles) până în dimineața zilei de Crăciun. Pentru copii există variante care oferă zilnic mici surprize (bomboane sau ciocolată) pentru a atenua nerăbdarea așteptării cadourilor de Crăciun dar, în cadrul proiectului de față, propunem construirea unui calendar de Crăciun bazat pe 24 de LED-uri: un calendar de Crăciun cu luminițe.

Pentru a comanda mai ușor cele 24 de LED-uri vom utiliza LED-uri RGB adresabile WS2812. Acestea nu necesită comandă individuală, este suficientă o singură linie de comandă între cele 24 de LED-uri și placa de dezvoltare. Se pot utiliza LED-uri NeoPixel  sau module WS2812 breakout. Pentru mai multe detalii legate de funcționarea LED-urilor WS2812 se recomandă parcurgerea materialului: „Adafruit NeoPixel Überguide”.

2

Pentru comandă vom utiliza placa de dezvoltare WiDo echipată cu un microcontroler ATmega32U4 (prezent și pe placa Arduino Leonardo) și un controler WiFi CC3000. Această combinație este perfectă pentru implementarea sistemului nostru: microcontrolerul ATmega32U4 va asigura comanda LED-urilor la o tensiune de 5V iar controlerul WiFi va fi utilizat pentru a putea ști în ce zi calendaristică ne aflăm (sincronizare de timp de tip NTP).

3

Conexiunile dintre placa de dezvoltare și LED-uri sunt prezentate în schema următoare. Sistemul necesită o alimentare de 5V minim 2A (pentru placa de dezvoltare și cele 24 de LED-uri). Pinul de comandă este pinul D6. Comanda se va transmite serial de la un LED la următorul. LED-urile pot fi aranjate pe un carton pictat cu un brad de crăciun sau orice alt suport doriți (o căsuță de poveste sau o ilustrată de Crăciun).

4

Programul a fost dezvoltat și testat utilizând Arduino IDE 1.8.3 și bibliotecile Adafruit Neopixel 1.1.3 și o versiune modificată a bibliotecii Adafruit CC3000. Placa se va programa în Arduino IDE ca o placă Arduino Leonardo obișnuită.

#include <Adafruit_NeoPixel.h>

#ifdef __AVR__

  #include <avr/power.h>

#endif

#define PIN 6

#define NUMPIXELS 24

Adafruit_NeoPixel pixels = Adafruit_NeoPixel(NUMPIXELS,PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800);

#include <Adafruit_CC3000.h>

#include <ccspi.h>

#include <SPI.h>

#define WiDo_IRQ   7

#define WiDo_VBAT  5

#define WiDo_CS    10

Adafruit_CC3000 WiDo = Adafruit_CC3000(WiDo_CS, WiDo_IRQ,  WiDo_VBAT,SPI_CLOCK_DIVIDER);

În cadrul programului trebuie personalizate datele de conectare la rețeaua WiFi (WLAN_SSID și WLAN_PASS).

#define WLAN_SSID       “…”          

#define WLAN_PASS       “…”

#define WLAN_SECURITY   WLAN_SEC_WPA2

Adafruit_CC3000_Client client;

#include <TimeLib.h>

Pentru sistemul final, directiva debug se poate comenta pentru a suprima mesajele din consola serială.

#define debug

void setup() {

  #ifdef debug

    SerialUSB.begin(115200);

    while(!SerialUSB) { ; }

    SerialUSB.println(F(“Calendar de Craciun\n”));

    SerialUSB.println(F(“\nInitialising the CC3000 …”));

  #endif

  if (!WiDo.begin())  {

    #ifdef debug

      SerialUSB.println(F(“Unable to initialise the

CC3000! Check your wiring?”));

    #endif

    while(1);   }

 if (!WiDo.connectToAP(WLAN_SSID,WLAN_PASS,WLAN_SECURITY)) {

    #ifdef debug

      SerialUSB.println(F(“Failed to connect to AP!”));

    #endif

    while(1);   }

  #ifdef debug

    SerialUSB.println(F(“Connected to AP!”));

    SerialUSB.println(F(“Request DHCP”));

  #endif

  while (!WiDo.checkDHCP())  {    delay(100);  } 

  while (! displayConnectionDetails()) {

      delay(1000);

    }

  setSyncProvider(getTime);

  pinMode(6,OUTPUT);

  pixels.begin();

  randomSeed(analogRead(0));

  startprogram();

}

bool displayConnectionDetails(void)

{

  uint32_t ipAddress, netmask, gateway, dhcpserv, dnsserv;

  if(!WiDo.getIPAddress(&ipAddress, &netmask, &gateway, &dhcpserv, &dnsserv))  {

    #ifdef debug

      SerialUSB.println(F(“Unable to retrieve the IP Address!\r\n”));

    #endif

    return false;

  }

  else

  {

    #ifdef debug

      SerialUSB.print(F(“\nIP Addr: “));

     WiDo.printIPdotsRev(ipAddress);

      SerialUSB.print(F(“\nNetmask: “));

      WiDo.printIPdotsRev(netmask);

      SerialUSB.print(F(“\nGateway: “));

      WiDo.printIPdotsRev(gateway);

      SerialUSB.print(F(“\nDHCPsrv: “));

      WiDo.printIPdotsRev(dhcpserv);

      SerialUSB.print(F(“\nDNSserv: “));

      WiDo.printIPdotsRev(dnsserv);

      SerialUSB.println();

    #endif

    return true;

  }

}

Procedura startprogram(), apelată o singură dată în secțiunea setup(), aprinde toate LED-urile de trei ori în trei culori diferite: roșu, verde, albastru. Este o procedură de verificare a montajului ce se execută la fiecare pornire a sistemului.

void startprogram() {

  for (int i=0; i<NUMPIXELS; i++) {

    pixels.setPixelColor(i, pixels.Color(255,0,0));

    pixels.show();

    delay(100);

  }

  for (int i=0; i<NUMPIXELS; i++) {

    pixels.setPixelColor(i, pixels.Color(0,0,0));

  }

  pixels.show();

  delay(100);

  for (int i=0; i<NUMPIXELS; i++) {

    pixels.setPixelColor(i, pixels.Color(0,255,0));

    pixels.show();

    delay(100);

  }

  for (int i=0; i<NUMPIXELS; i++) {

    pixels.setPixelColor(i, pixels.Color(0,0,0));

  }

  pixels.show();

  delay(100);

  for (int i=0; i<NUMPIXELS; i++) {

    pixels.setPixelColor(i, pixels.Color(0,0,255));

    pixels.show();

    delay(100);

  }

  for (int i=0; i<NUMPIXELS; i++) {

    pixels.setPixelColor(i, pixels.Color(0,0,0));

  }

  pixels.show();

  delay(100);

}

Secțiunea loop() va aștepta realizarea sincronizării de timp după care va verifica o dată la 10 minute data calendaristică. Între 1 decembrie și 24 decembrie va aprinde un număr de LED-uri egal cu data calendaristică. Culoarea va fi de fiecare dată generată aleatoriu. În data de 25 decembrie programul va executa un joc de lumini pe toată perioada zilei (va aprinde toate cele 24 de LED-uri treptat în culori aleatorii). În restul anului LED-urile vor rămâne stinse.

void loop() {

   #ifdef debug

    if(timeStatus()==timeNotSet) SerialUSB.println(“Time Not Set”);

    if(timeStatus()==timeNeedsSync) SerialUSB.println(“Time Needs Sync”);

   #endif

   while(timeStatus()==timeNotSet) delay(1000);

   for (int i=0; i<NUMPIXELS; i++) {

      pixels.setPixelColor(i, pixels.Color(0,0,0));

    }

   pixels.show();

   delay(100);

   if(month()==12) {

    if (day()<25) {

      #ifdef debug

        SerialUSB.print(“Days to Christmas: “); SerialUSB.println(25-day());

      #endif

      for (int i=0; i<NUMPIXELS; i++) {

        pixels.setPixelColor(i, pixels.Color(0,0,0));

      }

      pixels.show();

      delay(100);

      for (int i=0; i<day(); i++) {

        pixels.setPixelColor(i,pixels.Color(random(0,255),random(0,255),random(0,255)));

      }

      pixels.show();

    }

    if (day()==25) {

        for (int i=0; i<NUMPIXELS; i++) {

          pixels.setPixelColor(i,pixels.Color(random(0,255), random(0,255),random(0,255)));

         pixels.show();

         delay(1000);

        }

    }

   }

   delay(600000);

}

Funcția getTime() este folosită de biblioteca Time pentru sincronizarea de timp NTP.

const unsigned long

  connectTimeout  = 15L * 1000L,

  responseTimeout = 15L * 1000L;

unsigned long getTime(void) {

  uint8_t       buf[48];

  unsigned long ip, startTime, t = 0L;

  #ifdef debug

    SerialUSB.print(F(“Locating time server…”));

  #endif

  if(WiDo.getHostByName(“pool.ntp.org”, &ip)) {

    static const char PROGMEM

      timeReqA[] = { 227,  0,  6, 236 },

      timeReqB[] = {  49, 78, 49,  52 };

    #ifdef debug

      SerialUSB.println(F(“\r\nAttempting

                 connection…”));

    #endif

    startTime = millis();

    do {

      client = WiDo.connectUDP(ip, 123);

    } while((!client.connected()) &&

            ((millis() – startTime) < connectTimeout));

    if(client.connected()) {

      #ifdef debug

        SerialUSB.print(F(“connected!\r\nIssuing

                 request…”));

      #endif

      memset(buf, 0, sizeof(buf));

      memcpy_P( buf    , timeReqA, sizeof(timeReqA));

      memcpy_P(&buf[12], timeReqB, sizeof(timeReqB));

      client.write(buf, sizeof(buf));

      #ifdef debug

        SerialUSB.print(F(“\r\nAwaiting response…”));

      #endif

      memset(buf, 0, sizeof(buf));

      startTime = millis();

      while((!client.available()) &&

            ((millis() – startTime) < responseTimeout));

      if(client.available()) {

        client.read(buf, sizeof(buf));

        t = (((unsigned long)buf[40] << 24) |

             ((unsigned long)buf[41] << 16) |

             ((unsigned long)buf[42] <<  8) |

              (unsigned long)buf[43]) – 2208988800UL;

        #ifdef debug

          SerialUSB.print(F(“OK\r\n”));

        #endif

      }

      client.close();

    }

  }

  #ifdef debug

    if(!t) SerialUSB.println(F(“error”));

  #endif

  return t;

}

Pentru idei suplimentarea în realizarea artistică a aranjamentului se pot vedea și următoarele două proiecte:

Mini Stație Meteo Weather Underground

Serviciul Weather Undergroud este un serviciu independent (nu este un serviciu al unei țări sau strucutură oficială) de predicție a vremii. Acest serviciu Internet permite realizarea de prognoze locale pe baza informațiilor provenite de la o stație meteo personală (PWS – Personal Wether Station) sau corelând informațiile de la mai multe stații meteo personale aflate într-o anumită zonă. Serviciul Weather Underground permite completarea funcționalității unei stații meteo personale cu partea de istoric și predicție a evoluției vremii și oferă o modalitate convenabilă în care utilizatorul poate consulta informațiile furnizate de stația meteo de oriunde prin Internet.

În cadrul proiectului de față vom prezenta realizarea unei mini stații meteo (măsoară doar temperatura, umiditatea și presiunea atmosferică) ce raportează datele măsurate către serviciul Weather Underground. Pentru partea de achiziție vom utiliza un singur senzor capabil să măsoare toți cei trei parametrii: BME280. Bineînțeles, sistemul prezentat poate fi extins și cu alți senzori specifici unei stații meteo: senzori pentru viteza și direcția vântului, senzor pentru cantitatea de precipitații sau senzor pentru indexul radiațiilor ultraviolete.

2

Ca placă de dezvoltare vom utiliza Adafruit HUZZAH ESP8266 breakout ce ne va permite o conectare simplă la Internet prin WiFi la un cost scăzut. Schema de interconectare între placa de dezvoltare și senzorul BME280 este următoarea:

3

Comunicația între senzor și placa de dezvoltare se bazează pe protocolul I2C prin urmare legărutile sunt:

  • Pinul SDA al senzorului se conectează la pinul #4 al plăcii de dezvoltare;
  • Pinul SCL al senzorului se conectează la pinul #5 al plăcii de dezvoltare;
  • Pinii 3.3V și GND ai senzorului se conectează la pinii 3V și GND ai plăcii.

Placa va trimite la un interval de 60 de minute (1 oră) datele achiziționate către serviciul Weather Underground iar între două postări se va afla în mod de consum redus. Din acest motiv există o legătură între pinul #16 și pinul RST al plăcii. Pinul #16 are funcționalitate de Wake ce permite resetarea plăcii pentru a ieși din modul de consum redus. Pentru mai multe informații despre modul de consum redus al circuitului ESP8266 puteți consulta materialul „ESP8266 Deep Sleep with Arduino IDE”.

Pentru alimentarea plăcii puteți un regulator de 3.3V sau una sau mai multe baterii ce furnizează între 4V și 6V (alimentarea se va face în acest caz prin intermediul pinului Vbat). Având în vedere consumul redus al sistemului funcționarea pe baterii se poate face pe perioade lungi de timp.

Pentru programarea plăcii Adafruit HUZZAH ESP8266 este nevoie de un programator FTDI sau de un cablu FTDI. Pentru mai multe informații despre funcționarea plăcii de dezvoltare Adafruit HUZZAH ESP8266 puteți consulta materialul „Adafruit HUZZAH ESP8266 breakout – Adorable bite-sized WiFi microcontroller, at a price you like!”.

Programul a fost dezvoltat și testat utilizând Arduino IDE 1.8.3 având instalate extensia ESP8266 Community 2.3.0 și biblioteca Sparkfun BME280 1.1.0. În cadrul programului trebuie personalizate datele de conectare la rețeaua WiFi (ssid și pass) precum și datele de autentificare la platforma Weather Underground (ID și PASSWORD).

#include <ESP8266WiFi.h>

#include <ESP8266HTTPClient.h>

#include “SparkFunBME280.h”

#include “Wire.h”

BME280 mySensor;

char ssid[] = “…”;

char pass[] = “…”;

WiFiClient client;

void setup() {

  WiFi.begin(ssid, pass);

  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {

      delay(500);

    }

  mySensor.settings.commInterface = I2C_MODE;

  mySensor.settings.I2CAddress = 0x77;

  mySensor.settings.runMode = 3;

  mySensor.settings.tStandby = 0;

  mySensor.settings.filter = 0;

  mySensor.settings.tempOverSample = 1;

  mySensor.settings.pressOverSample = 1;

  mySensor.settings.humidOverSample = 1;

  mySensor.begin();

  delay(100); }

void loop() {

  float tempC = mySensor.readTempC();

  float humidity = mySensor.readFloatHumidity();

  float pressure = mySensor.readFloatPressure();

  delay(100);

  String url = “http” + “://weatherstation.wunderground.com/”

  url += “weatherstation/updateweatherstation.php?”

  url += “ID=…&PASSWORD=…”

  url += “&dateutc=now&=&action=updateraw&”;

  url += “baromin=” + String(pressure * 29.92 / 101325);

  url += “&tempf=” + String(9/5.0 * tempC + 32.0);

  url += “&humidity=” + String(humidity);

  url += “&dewptf=” + String(9/5.0 * (tempC – (100.0 –

humidity) /5.0) + 32.0);

  HTTPClient http;

  http.begin(url);

  int httpCode = http.GET();

  delay(1000);

  http.end();

  delay(1000);

  ESP.deepSleep(3600L*1000000L);  }

Așa cum am precizat și anterior, serviciul Weather Underground este un serviciu independent de prognoză meteorologică bazată în principal de rețele de stații meteo proprii (în SUA) sau private (PWS – Personal Weather Station, în restul lumii). Platforma online a acestui serviciu permite înregistrarea datelor provenite de la orice PWS și realizarea de prognoze de evoluție a vremii zonale ca o alternativă mult mai rafinată la serviciile naționale de meteorologie. Serviciul este gratuit dar necesită înregistrare. Un utilizator poate înregistra mai multe stații meteo aflate în locații diferite. Imediat după înregistrarea stației meteo personale se poate porni sistemul și datele înregistrate vor apărea imediat în fereastra asociată stației respective.

4

După o perioadă de 24 – 48 de ore, dacă datele raportate sunt valide – se încadrează într-un interval de valori decent de apropiat ca celelalte stații meteo din zonă, stația meteo va apărea și în WunderMap și va putea fi văzută de orice alt utilizator al serviciului. WunderMap poate fi consultată în varianta web sau în varianta de mobil (la fel și prognozele meteorologice furnizate de Weather Underground).

5

Ceas IoT cu programare OTA

Realizarea unui ceas electronic este un proiect simplu dacă utilizăm o placă de dezvoltare programabilă dar asta nu înseamnă că nu există anumite provocări și în acest caz. Una din provocările majore ale implementării unui ceas electronic este acuratețea menținerii orei (asigurarea orei exacte). Acest lucru se realizează de obicei prin utilizarea unui modul RTC dar în cadrul proiectului de față vom utiliza o placă de dezvoltare NodeMCU care prin conectivitatea WiFi de care dispune ne va permite să realizăm o sincronizare de timp în rețea de tip NTP. Astfel nu vom avea nevoie de nici o componentă suplimentară pentru a asigura ora exactă.

Pentru afișare vom utiliza un ecran LCD grafic cu rezoluția de 84×48 pixeli de tip PCD8544 (LCD de Nokia 5110).

2

Funcționalitatea specială propusă în această lecție este adăugarea sistemului unei funcționalități de tip IoT adică raportarea prin Internet a unui parametru de mediu către o platformă IoT. Sistemul va măsura (și afișa) temperatura și o va trimite pentru înregistrare către platforma Robofun IoT. Astfel sistemul nostru nu va avea simpla funcționalitate de ceas/termometru electronic ci și de senzor IoT. Pentru măsurarea temperaturii vom utiliza un senzor digital brick DS18B20. Acest senzor are o acuratețe mare în măsurarea temperaturii, nu necesită decât 3 fire pentru conectarea la placa de dezvoltare și, cel mai interesant, permite de conectarea (pe aceleași trei fire) a mai multor senzori – sistemul poate fi extins foarte ușor prin adăugarea de noi senzori ce măsoară temperatura în zone diferite (interior / exterior, diverse camere etc.).

3

Ultima funcționalitate interesantă propusă pentru sistemul prezentat în această lecție este posibilitatea de programare la distanță – programare OTA (Over-The-Air). Pentru a reprograma / reîncărca programul nu este nevoie să desfacem carcasa sistemului și să conectăm placa de dezvoltare la calculator ci acest lucru poate fi făcut prin conexiunea WiFi a plăcii de dezvoltare. Singura limitare a acestei metode este că dimensiunea programului nu poate depăși jumătate din memoria program a plăcii de dezvoltare dar nu este cazul sistemului nostru.

4

Interconectarea componentelor (placă de dezvoltare, senzor de temperatură și ecran LCD) este prezentată în diagrama următoare:

5

Senzorul de temperatură va avea pinul D0 conectat la pinul D2 al plăcii de dezvoltare iar pinii 5V și GND la pinii 3.3V și GND ai plăcii de dezvoltare (senzorul funcționează la tensiuni între 3V și 5.5V). Chiar dacă programul prezentat în cele ce urmează este gândit pentru un sistem cu un singur senzor, sistemul acceptă adăugarea pe aceleași 3 fire a mai multor senzori de temperatură pe distanțe de până la 200 de metri.

Ecranul LCD comunică cu placa de dezvoltare prin protocoul SPI și implică următoarele conexiuni:

  • Pinul 1 (RST) al ecranului LCD se conectează la pinul D0 al plăcii de dezvoltare;
  • Pinul 2 (CE) al ecranului la pinul D1 al plăcii de dezvoltare;
  • Pinul 3 (DC) al ecranului la pinul D6 (HMISO) al plăcii de dezvoltare;
  • Pinul 4 (DIN) al ecranului la pinul D7 (HMOSI) al plăcii de dezvoltare;
  • Pinul 5 (CLK) al ecranului la pinul D5 (HSCLK) al plăcii de dezvoltare;
  • Pinul 6 (VCC) al ecranului la un pin de 3.3V al plăcii de dezvoltare;
  • Pinul 7 (LIGHT) al ecranului nu este conectat în schema noastră. Acest pin comandă aprinderea luminii de fundal a ecranului. Se poate conecta la un pin digital liber pentru comandă digitală sau PWM;
  • Pinul 8 (GND) al ecranului la un pin GND al ecranului.

Programul a fost dezvoltat și testat utilizând Arduino IDE 1.8.3 cu extensia ESP8266 Community 2.3.0 instalată. Prima încărcare a programului necesită conectarea plăcii la calculator prin intermediul cablului USB dar ulterior placa va putea fi reprogramată prin OTA (calculatorul de pe care se face programarea trebuie să fie în aceiași rețea ca placa NodeMCU):

6

#include <ESP8266WiFi.h>

#include <ESP8266HTTPClient.h>

#include <ESP8266mDNS.h>

#include <WiFiUdp.h>

#include <ArduinoOTA.h>

Programul utilizează și următoarele biblioteci: Time 1.5.0 – pentru a menține data și ora, sincronizarea NTP se face automat de către bibliotecă la intervale mai mari de timp; OneWire 2.3.3 și DallasTemperature 3.7.6 – pentru comunicația cu senzorul de temperatură; Adafruit GFX 1.2.2 și Adafruit PCD8544 versiune modificată pentru ESP8266 – pentru partea de afișare pe ecranul LCD. În cadrul programului trebuie personalizate datele de conectarea WiFi (variabilele ssid[] și pass[]). Constanta timeZone indică fusul orar (2 sau 3 pentru România, oră de iarnă sau vară).

#include <TimeLib.h>

const int timeZone = 3;

WiFiUDP Udp;

const int NTP_PACKET_SIZE = 48;

byte packetBuffer[NTP_PACKET_SIZE];

unsigned int localPort = 2390;   

char ssid[] = “…”;

char pass[] = “…”;

WiFiClient client;

#define HOSTNAME “ESP8266-OTA-“

#include <DallasTemperature.h>

#include <OneWire.h>

#define ONE_WIRE_BUS D2

OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);

DallasTemperature sensors(&oneWire);

#include <SPI.h>

#include <Adafruit_GFX.h>

#include <Adafruit_PCD8544.h>

const int8_t RST_PIN = D0;

const int8_t CE_PIN = D1;

const int8_t DC_PIN = D6;

Adafruit_PCD8544 display =

Adafruit_PCD8544(DC_PIN, CE_PIN, RST_PIN);

Secțiunea setup() se va ocupa cu inițializarea conexiunii WiFi (în cazul unei erori pe ecranul LCD va apărea mesajul !WiFi și sistemul va intra într-o buclă de reinițializarea până la conectarea la rețea), inițializarea rețelei OneWire de senzori, inițializarea ecranului și a rutinei de programare OTA. În cazul unei inițializări normale pe ecranul LCD vor apărea informații legate de inițializarea sistemului (denumirea OTA, denumirea rețelei WiFi, adresa IP).

void setup() {

  sensors.begin();

  delay(100);

  display.begin();

  display.setContrast(60);

  display.setTextColor(BLACK);

  display.setCursor(0,0);

  display.setTextSize(1);

  display.clearDisplay();

  display.display();

  String hostname(HOSTNAME);

  hostname += String(ESP.getChipId(), HEX);

  WiFi.hostname(hostname);

  display.println(“Hostname:” + hostname);

  display.display();

  WiFi.begin(ssid, pass);

  delay(5000);

  if (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {

    display.clearDisplay();

    display.setCursor(17,16);

    display.setTextSize(2);

    display.print(“!WiFi”);

    display.display();

    delay(10000);

    ESP.restart();

  }

  display.print(“Connected to “);

  display.println(ssid);

  display.print(“IP:”);

  display.println(WiFi.localIP());

  Udp.begin(localPort);

  setSyncProvider(getNtpTime);

  ArduinoOTA.setHostname((const char *)hostname.c_str());

  ArduinoOTA.begin();

  display.display();

  delay(1000);

  display.clearDisplay();

  display.display(); }

Secțiunea loop() se va ocupa cu achiziția parametrului temperatură și cu partea de afișare. Apelarea rutinei de postare IoT se va face la un interval de o oră (constanta postingInterval). Pe ecranul LCD vor apărea alternativ (câte 30 de secunde fiecare) ora/data și temperatura. Ecranul de afișare al temperaturii va conține și mesajul OK/Fail indicând dacă ultima postare IoT s-a efectuat cu succes sau nu (astfel sistemul are și o funcționalitate de supraveghere a bunei funcționări a serviciului IoT).

7

8

unsigned long lastConnectionTime = 0;

const unsigned long postingInterval = 60L * 60L * 1000L;

boolean myiot_ok;

void loop() {

    ArduinoOTA.handle();

    sensors.requestTemperatures();

    delay(100);

    float temperature = sensors.getTempCByIndex(0);

    display.clearDisplay();

    if (second()<30) {

      display.drawRoundRect(2,2,80,44,3,BLACK);

      display.setTextColor(BLACK);

      display.setCursor(13,10);

      display.setTextSize(2);

      printDigits(hour(),false);

      printDigits(minute(),true);

      display.println();

      display.setTextSize(1);

      display.setCursor(13,26);

      display.print(day());

      display.print(“/”);

      display.print(month());

      display.print(“/”);

      display.print(year());

      display.println();

      display.display(); 

    }

    else {

      display.fillScreen(BLACK);

      display.drawRoundRect(2,2,80,44,3,WHITE);

      display.setTextColor(WHITE);

      display.setTextSize(2);

      display.setCursor(22,10);

      display.print((int)temperature);

      display.print((char)247);

      display.println(“C”);

      display.setTextSize(2);

      if (myiot_ora!=-1) {

        if (myiot_ok) { 

          display.setCursor(30,26);

          display.println(“OK”);    }

        else {

          display.setCursor(20,26);

          display.println(“FAIL”); }

      }

      display.display();

    }

    if (millis() – lastConnectionTime > postingInterval) {

      if (IoTpublish(temperature)>0)

        { myiot_ok=true; }

      else

        { myiot_ok=false; }

    }

}

Funcția IoTpublish este responsabilă cu postarea IoT și returnează codul returnat de operația HTTP GET efectuată. În cadrul acesteia trebuie completată cheia de autentificare oferită de serviciul Robofun IoT (variabila SENSOR_TOKEN). Procedura printDigits este folosită pentru afișarea mai simplă a orei.

int IoTpublish(float temperature) {

  String SENSOR_TOKEN = “…”;

  HTTPClient http;

  String data = String(“http://iot.robofun.ro/api/v1/senzor/&#8221;) + SENSOR_TOKEN + “/input?value=” + String(temperature, DEC);

  http.begin(data);

  int httpCode = http.GET();

  delay(100);

  if(httpCode > 0) {

      if(httpCode == HTTP_CODE_OK) {

        String payload = http.getString();

      }

   }

  http.end();

  lastConnectionTime = millis();

  return httpCode;

}

void printDigits(int digits, boolean dots){

   if (dots) display.print(“:”);

  if(digits < 10)

    display.print(‘0’);

  display.print(digits);

}

Funcțiile getNtpTime și sendNTPpacket sunt apelate automat de către biblioteca Time și asigură partea de comunicație NTP. Constanta ntpServerName indică serverul NTP care este utilizat pentru sincronizarea de timp.

IPAddress timeServerIP;

const char* ntpServerName = “time.nist.gov”;

time_t lastsyncr;

time_t getNtpTime() {

  WiFi.hostByName(ntpServerName, timeServerIP);

  while (Udp.parsePacket() > 0) ;

  sendNTPpacket(timeServerIP);

  uint32_t beginWait = millis();

  while (millis() – beginWait < 2500) {

    int size = Udp.parsePacket();

    if (size >= NTP_PACKET_SIZE) {

      Udp.read(packetBuffer, NTP_PACKET_SIZE);

      unsigned long secsSince1900;

      secsSince1900 =  (unsigned long)packetBuffer[40]

<< 24;

      secsSince1900 |= (unsigned long)packetBuffer[41]

<< 16;

      secsSince1900 |= (unsigned long)packetBuffer[42]

<< 8;

      secsSince1900 |= (unsigned long)packetBuffer[43];

      lastsyncr = (time_t) (secsSince1900 – 2208988800UL +

timeZone * SECS_PER_HOUR);

      return lastsyncr;

    }

  }

  return 0;

}

void sendNTPpacket(IPAddress &address) {

  memset(packetBuffer, 0, NTP_PACKET_SIZE);

  packetBuffer[0] = 0b11100011;  

  packetBuffer[1] = 0; 

  packetBuffer[2] = 6; 

  packetBuffer[3] = 0xEC; 

  packetBuffer[12]  = 49;

  packetBuffer[13]  = 0x4E;

  packetBuffer[14]  = 49;

  packetBuffer[15]  = 52;

  Udp.beginPacket(address, 123);

  Udp.write(packetBuffer, NTP_PACKET_SIZE);

  Udp.endPacket(); }

După o oră după punerea în funcțiune a sistemului se pot consulta datele înregistrate în cadrul platformei Robofun IoT. Mai jos este o captură de ecran cu datele înregistrate de către sistemul de test în decursul unei zile.

9

LoRa meets Robofun IoT

Modulele radio LoRa oferă posibilitatea de a transmite date la distanță mare (sute de metri sau chiar kilometri) utilizând module electronice de cost redus și cu un consum de energie scăzut. Acest lucru constituie o metodă eficientă pentru a extinde aria de acoperire pentru rețelele IoT fără fir. Chiar dacă semnalul WiFi are o acoperire limitată fiind influențat de puterea dispozitivelor de tip AP și de mediul în care operează (câmp deschis, locuințe sau birouri) există posibilitatea să extindem aria de acoperire radio a unei rețele IoT prin intermediul comunicațiilor ISM iar soluțiile LoRa oferă o variantă foarte bună cost / arie de acoperire.

Pentru a implementa o soluție LoRa în vederea extinderii ariei de acoperire IoT vom implementa un sistem gateway ce va realiza transferul datelor provenite de la modulele IoT către un sistem specific IoT și anume Robofun IoT. Modulul gateway propus se bazează pe placa de dezvoltare NodeMCU ce oferă conectivitate WiFi și un modul LoRa RFM96W în bandă de 433MHz. Conexiuniile între placa de dezvoltare și modulul radio sunt prezentate în diagrama următoare:

2.png

Modulul radio RFM96W se interconectează cu placa de dezvoltare prin intermediul magistralei SPI:

  • Pinul SCK al modulului se conectează la pinul D5 (GPIO14 – HSCLK);
  • Pinul MISO se conectează la pinul D6 (GPIO12 – HMISO);
  • Pinul MOSI se conectează la pinul D7 (GPIO13 – HMOSI);
  • Pinul CS se conectează la pinul D2;
  • Pinul RST se conectează la pinul D3;
  • Pinul G0 (INT) se conectează la pinul D1;
  • Vin și GND la pinii 3.3V și GND ai plăcii de dezvoltare.

Pentru ca placa să poată transmite prin Internet datele către serviciul Robofun IoT este necesară înregistrarea gratuită pe platformă:

3

După înregistrare și conectare este necesară definirea (Adauga senzor) a trei senzori: Temperatura, Umiditate și Nivel baterie, pentru a putea transmite datele primite de la sistemul IoT către platforma online. După definirea fiecărui senzor este necesar să copiem cheia de autentificare (Token) pentru a fi utilizată în program.

4

5

Programul a fost dezvoltat și testat utilizând Arduino IDE 1.8.3 (pentru instalarea plăcii NodeMCU sub Arduino IDE se poate vedea materialul „Quick Start to Nodemcu (ESP8266) on Arduino IDE”), extensia esp8266 versiunea 2.3.0 și biblioteca RadioHead 1.7.9. În cadrul programului trebuie personalizate datele de conectare la rețeaua WiFi (ssid și password) precum și cheile de autentificare pentru cele trei canale IoT (SENSOR_TOKEN1, SENSOR_TOKEN2 și SENSOR_TOKEN3).

#include <SPI.h>

#include <RH_RF95.h>

#include <ESP8266WiFi.h>

#include <ESP8266HTTPClient.h>

const char* ssid = “…”;

const char* password = “…”;

#define RFM95_CS D2

#define RFM95_RST D3

#define RFM95_INT D1

#define RF95_FREQ 434.0

RH_RF95 rf95(RFM95_CS, RFM95_INT);

#define LED D0

void setup() {

  pinMode(LED, OUTPUT);

  digitalWrite(LED,HIGH);    

  pinMode(RFM95_RST, OUTPUT);

  digitalWrite(RFM95_RST, HIGH);

  Serial.begin(9600);

  delay(100);

  Serial.println();

  Serial.println();

  Serial.println(“Gateway Module starting…”);

  Serial.print(“Connecting to “);

  Serial.println(ssid);

  WiFi.begin(ssid, password);

  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {

      delay(500);

      Serial.print(“.”);

    }

    Serial.println(“”);

    Serial.println(“WiFi connected”);

  digitalWrite(RFM95_RST, LOW);

  delay(10);

  digitalWrite(RFM95_RST, HIGH);

  delay(10);

  while (!rf95.init()) {

    Serial.println(“LoRa radio init failed”);

    while (1);

  }

  Serial.println(“LoRa radio init OK!”);

  if (!rf95.setFrequency(RF95_FREQ)) {

    Serial.println(“setFrequency failed”);

    while (1);

  }

  Serial.print(“Set Freq to: “);

  Serial.println(RF95_FREQ);

}

typedef struct {float temperature; float humidity;

float bat_voltage;} ParametriiRX;

ParametriiRX parametrii;

Ledul de pe placa de dezvoltare (conectat pe pinul D0) se va aprinde pe perioada recepției de mesaje LoRa. Toate datele primite prin intermediul LoRa vor fi postate pe platforma Robofun IoT. Sistemul va raporta și în consola serială toate mesajele recepționate.

6

void loop() {

  if (rf95.available())  {

    uint8_t buf[RH_RF95_MAX_MESSAGE_LEN];

    uint8_t len = sizeof(buf);

    if (rf95.recv(buf, &len)){

      digitalWrite(LED, LOW);

      RH_RF95::printBuffer(“Received: “, buf, len);

      parametrii = *(ParametriiRX*)buf;

      Serial.print(“Temperature: “);

      Serial.println(parametrii.temperature);

      Serial.print(“Humidity: “);

      Serial.println(parametrii.humidity);

      Serial.print(“Battery Voltage: “);

      Serial.println(parametrii.bat_voltage);

      Serial.print(“RSSI: “);

      Serial.println(rf95.lastRssi(), DEC);

      digitalWrite(LED, HIGH);

      String SENSOR_TOKEN1=”…”;

      String SENSOR_TOKEN2=”…”;

      String SENSOR_TOKEN3=”…”;

      HTTPClient http;

      String data = String(“http://iot.robofun.ro/api/v1/senzor/&#8221;) + SENSOR_TOKEN1 + “/input?value=” + String(parametrii.temperature, DEC);

      http.begin(data);

      int httpCode = http.GET();

      http.end();

      data = String(“http://iot.robofun.ro/api/v1/senzor/&#8221;) + SENSOR_TOKEN2 + “/input?value=” + String(parametrii.humidity, DEC);

      http.begin(data);

      httpCode = http.GET();

      http.end();

      data = String(“http://iot.robofun.ro/api/v1/senzor/&#8221;) + SENSOR_TOKEN3 +  “/input?value=” + String(parametrii.bat_voltage, DEC);

      http.begin(data);

      httpCode = http.GET();

      http.end();    }

    else    {

      Serial.println(“Receive failed”);    }

  }

}

Modulul LoRa ce va beneficia de extinderea ariei de comunicație (se poate afla la sute de metri, sau chiar kilometri în spațiu deschis, de aria de acoperire WiFi) se bazează pe placa de dezvoltare Feather M0 RFM95 433MHz LoRa – placă ce combină puterea unui microcontroler ARM Cortex-M0+ ATSAMD21 (la fel ca și plăcile Arduino M0/Zero) cu conectivitatea unui modul radio LoRa. Placa de dezvoltare va transmite către modulul gateway date preluate de la un senzor digital I2C de temperatură și umiditate Si7021 precum și nivelul bateriei proprii (unul dintre avantajele majore ale plăcilor Feather este posibilitatea de alimentare mobilă de la un acumulator LiPo de 3.7V).

Pentru mai multe informații legate de utilizarea plăcii Feather M0 RFM95 puteți consulta și materialul: „Adafruit Feather M0 Radio with LoRa Radio Module”.

Schema de interconectare între senzor și placa de dezvoltare este specifică unei magistrale I2C (pinii SDA și SCL conectați între senzor și placa de dezvoltare, alimentarea senzorului se va face la 3.3V):

7

Programul a fost dezvoltat și testat utilizând Arduino IDE 1.8.3, extensia Adafruit SAMD Boards 1.0.19 și bibliotecile RadioHead 1.7.9, Adafruit Si7021.

Decomentarea directivei debug va permite observarea funcționării modulului în consola serială.

//#define debug

7.5

#include <SPI.h>

#include <RH_RF95.h>

#define VBATPIN A7

#include <Adafruit_Si7021.h>

Adafruit_Si7021 sensor = Adafruit_Si7021();

#define RFM95_CS 8

#define RFM95_RST 4

#define RFM95_INT 3

#define RF95_FREQ 434.0

RH_RF95 rf95(RFM95_CS, RFM95_INT);

void setup() {

  pinMode(RFM95_RST, OUTPUT);

  digitalWrite(RFM95_RST, HIGH);

  sensor.begin();

  #ifdef debug

    while (!Serial);

    Serial.begin(9600);

    delay(100);

    Serial.println(“LoRa Sensor Module starting…”);

  #endif

  digitalWrite(RFM95_RST, LOW);

  delay(10);

  digitalWrite(RFM95_RST, HIGH);

  delay(10);

  while (!rf95.init()) {

    #ifdef debug

      Serial.println(“LoRa radio init failed”);

    #endif

    while (1);

  }

  #ifdef debug

    Serial.println(“LoRa radio init OK!”);

  #endif

  if (!rf95.setFrequency(RF95_FREQ)) {

    #ifdef debug

      Serial.println(“setFrequency failed”);

    #endif

    while (1);

  }

  #ifdef debug

    Serial.print(“Set Freq to: “);

    Serial.println(RF95_FREQ);

  #endif

  rf95.setTxPower(23, false);

}

typedef struct {float temperature; float humidity;

float bat_voltage;} ParametriiTX;

ParametriiTX parametrii;

void loop() {

  float voltage = analogRead(VBATPIN);

  voltage *= 2;   

  voltage *= 3.3;

  voltage /= 1024;

  parametrii.bat_voltage = voltage;

  parametrii.temperature = sensor.readTemperature();

  parametrii.humidity = sensor.readHumidity();

  #ifdef debug

    Serial.print(“Sample OK: “);

    Serial.print(parametrii.temperature);

   Serial.print(” *C, “);

    Serial.print(parametrii.humidity);

    Serial.println(” %”);

    Serial.print(“VBat: ” ); Serial.println(voltage);

    Serial.println(“Sending to Gateway Module”);

    Serial.println(“Sending…”); delay(10);

  #endif

  RH_RF95::printBuffer(“Sending: “, (uint8_t*)&parametrii, sizeof parametrii);

  #ifdef debug

    Serial.println(“Sending…”); delay(10);

  #endif

  rf95.send((uint8_t *)&parametrii, sizeof parametrii);

  #ifdef debug

    Serial.print(“Waiting for packet to complete…”);

delay(10);

  #endif

  rf95.waitPacketSent();

  #ifdef debug

    Serial.println(“done.”); delay(10);

  #endif

  delay(100);

  rf95.sleep();

  delay(60000);

}

După programarea și punerea în funcțiune a celor două sisteme se pot observa datele înregistrate în cadrul platformei Robofun IoT (capturile de ecran de mai jos reprezintă date înregistrate de sistemul de test pentru temperatură și umiditate).

8

9

Bineînțeles, sistemul LoRa poate deservi atât sisteme de achiziție (temperatură, umiditate, presiunea în diverse conducte, consumul de energie electrică, nivelul radiației solare etc.) dar și sisteme de acționare (chiar dacă nu a fost exemplificată această parte este posibil să comandăm de la distanță diverse mecanisme de închidere / deschidere, motoare etc).

Controlere USB

Controlerele USB sunt circuite integrate ce permit interfațarea unui sistem electronic cu un port USB. Controlerele USB se pot configura dar nu pot executa un program (nu sunt programabile) putând efectua doar sarcini simple de conversie între diverse protocoale seriale sau paralele și comunicația USB. Aceste circuite pot înlocui un microcontroler într-un sistem simplu de achiziție, comandă sau comunicație scăzând prețul și complexitatea sistemului. Exemple de astfel de circuite:

  • Familia de circuite FTDI FT-X ce include convertoare USB-to-UART, USB-to-SPI sau USB-to-I2C. Circuitul FT232RL a echipat plăcile de dezvoltare Arduino Duemilanove (plăci Arduino de generație mai veche) pentru conversia USB-to-UART fiind înlocuite ulterior cu microcontrolerele ATmega16U2/8U2 pentru plăcile Arduino Uno și Arduino Mega. Modulele necesare programării plăcilor de dezvoltare Arduino Ethernet și Arduino Pro Mini se bazează pe același circuit FT232RL. Adafruit FT232H Breakout (imagine de mai jos) este un exemplu de modul capabil să ofere simultan conectivitate UART, I2C și SPI prin intermediul unei conexiuni USB.

1

  • Seria de circuite Smart I/O a companiei Prolific conține diverse circuite (PL-2303xx) pentru conversia USB-to-UART, acestea fiind regăsite pe majoritatea clonelor de plăci Arduino sau pe diverse module ieftine de conversie USB-to-RS232 sau USB-to-UART.

2

  • Controlerul USB Microchip MCP2221 este un circuit cu facilități de configurare extrem de flexibile putând fi utilizat simultan pentru conversia USB-UART, USB-I2C, USB-parallel și chiar și pentru achiziția analogică prin intermediul conexiunii USB. Datorită prețului scăzut și al facilităților oferite vom utiliza acest controler pentru cele două exemple din cadrul lecției.

3

Controlerul USB MCP2221

Unul dintre avantajele controlerului MCP2221 este disponibilitatea în format THT (PDIP14) permițând astfel realizarea de montaje pe breadboard fără a fi nevoie de un modul de tip breakout, în plus circuitul nu necesită sursă de oscilație (cuarț) extern sau alte componente suplimentare (cu alte cuvinte este utilizabil la un cost minimal). Pinii circuitului au următoarele semnificații și funcționalități:

  • VDD, VSS (5V, GND) sunt pinii de alimentare a circuitului și trebuie conectați la pinii de alimentare a conexiunii USB;
  • D+, D- sunt pinii de comunicație USB, se conectează la pinii corespondenți ai conexiunii USB;
  • SCL, SDA sunt cele două linii de comunicație ale magistralei I2C;
  • /RST pin de resetare a circuitului;
  • Vusb pin de alimentare la 3.3V în cazul în care nu se dorește alimentarea oferită de conexiunea USB (nu se utilizează pinii VDD și VSS);
  • URx, UTx sunt pinii de comunicație UART;
  • GP0, GP1 – pini I/O de uz general; pot fi folosiți și ca pini de comandă pentru LED-urile de activitate RX, TX pentru comunicația serială; pinul GP1 poate fi folosit ca și pin de achiziție analogică sau ca linie de întrerupere externă.
  • GP2 – pin I/O de uz general; poate fi folosit ca pin de intrare analogică, pin de ieșire analogică sau pin de stare a conexiunii USB (USBCFG);
  • GP3 – pin I/O de uz general; poate fi folosit ca pin de intrare analogică, pin de ieșire analogică sau comandă pentru LED-ul de activitate magistrală I2C.

4

După cum se poate observa funcționalitatea oferită de controlerul USB MCP2221 este una diversă: convertor USB-to-UART, convertor USB-to-I2C, achiziție analogică prin USB, comandă digitală prin USB, comandă analogică prin USB. Pentru configurarea controlerului se utilizează programul MCP2221 Utility (captură de ecran de mai jos).

5

Prin intermediul acestui program se poate modifica:

  • Descriptorul USB al controlerului:
    • VID / PID ce identifică în mod unic dispozitivul USB și pe baza cărora sistemul de operare instalează driverele corecte – modificarea acestora conduce la probleme de instalare a driverelor implicite Microchip;
    • Curentul necesar funcționării dispozitivului (între 100mA și 500mA);
    • Dacă se alimentează din conexiunea USB sau se alimentează în mod autonom;
    • Informații descriptive (pot fi modificate fără probleme pentru personalizarea descrierii perifericului USB): descriere, producător, număr serial.
  • Funcționalitatea și configurația celor patru pini GPIO (GP0-GP3):
    • GP0: pin I/O (direcție, stare inițială), SSPND (USB state) sau LED_URx;
    • GP1: pin I/O (direcție, stare inițială), generator semnal de ceas (CLK_OUT), pin achiziție analogică (tensiune referință), linie de întrerupere externă (tip declanșare) sau LED_UTx;
    • GP2: pin I/O (direcție, stare inițială), USBCFG, pin de achiziție analogică (tensiune referință) sau pin de comandă analogică (tensiune referință);
    • GP3: pin I/O (direcție, stare inițială), LED_I2C, pin de achiziție analogică (tensiune referință) sau pin de comandă analogică (tensiune referință);

Datorită facilităților diverse oferite de controlerul MCP2221 se pot realiza proiecte embedded variate în care microcontrolerul să fie înlocuit de circuitul MCP2221. În cadrul acestei lecții vom exemplifica utilizarea circuitului MCP2221 prin două sisteme simple: un ceas USB și un termometru USB.

Sistem de tip Ceas USB

Controlerul MCP2221 este văzut de sistemul de operare ca două dispozitive USB distincte: un dispozitiv CDC prin care se realizează conversia USB-to-UART (un port serial) și un dispozitiv HID prin care se realizează comunicația cu restul de componente (pini I/O, magistrală I2C, pini analogici). Pentru proiectul Ceas USB ne vom folosi de facilitatea de convertor USB-to-UART a circuitului MCP2221 pentru a comanda afișarea orei pe un LCD grafic serial de rezoluție 128×64 pixeli. Schema de interconectare este foarte simplă:

6Pinii D+ și D- ai conexiunii USB vor fi conectați direct la controlerul USB. Pinii de alimentare ai conexiunii USB vor asigura funcționarea a controlerului și a ecranului LCD. Comunicația serială între controler și afișaj va fi unidirecțională și va folosi o singură linie: pinul 6 (UTx) al controlerului va fi conectat la pinul RX al afișajului.

7

Pentru ca sistemul să funcționeze, pe PC va rula un program ce va prelua ora de pe sistemul PC și va transmite comenzile de afișare pe portul serial către afișaj (controlerul USB va fi o componentă transparentă pentru program). Programul va necesita o parte de inițializare:

  • Dacă dispozitivul USB cu ID-ul xxxxxxx este conectat:
    • Identifică portul serial asociat cu dispozitivul USB cu ID-ul xxxxxxx;
    • Transmite pe portul serial comandă de ștergere a ecranului: 0x7C,0x00

și o buclă infinită în care:

  • Transmite pe portul serial comandă de poziționare pe X: 0x7C, 0x18, … și pe Y: 0x7C, 0x19, …;
  • Preia ora de pe sistemul PC și transmite ora pe portul serial.

Sistem de tip Termometru USB

Sistemul Termometru USB își propune citirea unui senzor de temperatură I2C conectat la controlerul MCP2221. Temperatura citită poate fi ulterior afișată pe ecranul PC-ului. Senzorul utilizat va fi TMP102 dar se poate utiliza orice alt senzor I2C sau analogic. Schema de interconectare a celor două componente este:

8

Deoarece senzorul TMP102 funcționează la 3.3V va fi alimentat prin intermediul pinului Vusb al controlerului MCP2221 (controlerul are inclus un regulator de tensiune 5V->3.3V – imagine de mai jos).

9

Liniile magistralei I2C (SCL și SDA) se vor conecta la pinii 10 și 9 ai controlerului. Din punct de vedere al programului ce va rula pe PC, comunicația cu magistrala I2C se va realiza prin intermediul unei biblioteci software puse la dispoziție de Microchip: MCP2221 DLL. Pentru a realiza achiziția de temperatură de la senzor este necesar să utilizăm următoarele funcții ale bibliotecii (directorul bibliotecii include exemple de utilizare pentru mai multe limbaje de programare):

  • DllInit() – pentru inițializarea comunicației;
  • GetConnectionStatus() – pentru a verifica dacă dispozitivul este conectat;
  • SelectDev(ID) – pentru a selecta dispozitivul;

ReadI2C() – ce va avea ca parametrii adresa senzorului I2C și numărul de octeți citiți.