Cum să realizăm un repetor WiFi utilizând ESP8266

Dispozitivele de tip repetor sau amplificator WiFi (WiFi Repeater sau WiFi Extender) sunt utilizate pentru a crește aria de acoperire a rețelelor WiFi. În case sau clădiri de dimensiuni mai mari un singur dispozitiv de acces WiFi, oricât de performant ar fi, este greu să asigure semnal radio WiFi pe toată aria. Utilizarea mai multor dispozitive de acces WiFi independente ridică probleme destul de mari de administrare de rețea și de management a datelor de acces. Soluția mult mai simplă și mai ieftină este utilizarea dispozitivelor de tip repetor WiFi. Aceste dispozitive sunt diponibile comercial la prețuri variate și cu funcționalități și perfomanțe diverse. Totuși, dorim să vă propunem realizarea unui astfel de dispozitiv într-o manieră personală (și extrem de ieftină) utilizând o placă de dezvoltare bazată pe circuitul WiFi ESP8266. Acest circuit are marele avantaj de a putea funcționa simultan atât ca AP cât și ca client WiFi permițând implementarea funcționalității de repetor într-o manieră foarte simplă. Testele au fost realizate utilizând o placă de dezvoltare Adafruit Feather HUZZAH dar la fel de bine pot fi utilizate plăci precum NodeMCU, Sparkfun ESP8266 Thing sau chiar ESP-01.

Pentru a implementa funcționalitatea de repetor WiFi vom utiliza pachetul software esp_wifi_repeater. Pachetul poate fi modificat și recompilat după propriile dorințe înainte de încărcarea pe placa de dezvoltare dar pentru început se pot utiliza fișierele binare oferite de dezvoltatori pachetului (fișierele 0x00000.bin, 0x10000.bin și esp_init_data_default_v08_vdd33.bin din directorul firmware). Pentru încărcarea fișierelor binare se va utiliza utilitarul ESP8266 DOWNLOAD TOOL. După copierea utilitarului și a fișierelor binare pe calculatorul local se poate trece la încărcarea acestora în memoria plăcii. Înainte de apăsarea butonului START aveți grijă să completați adresele de încărcare a fișierelor binare, să selectați portul serial pe care este conectată placa de dezvoltare și, specific plăcii Adafruit Feather HUZZAH, să selectați dimensiunea memoriei flash 32Mbit.

3

După încărcarea în memorie a software-ului putem verifica inițializarea corectă a dispozitivului repetor WiFi cu ajutorul unui utilitar de conectare pe serială (de exemplu Putty). Viteza de conectare serială este 115200 baud.

4

Cea mai simplă modalitate de configurare a acestuia este prin intermediul interfeței web. Dispozitivul se poate configura și prin consola serială sau printr-o conexiune telnet pe portul 7777 dar aceste modalități sunt puțin mai dificile. Pentru a accesa interfața web este necesar să ne conectăm la AP-ul creat de dispozitiv (MyAP) și să accesăm adresa 192.168.4.1.

5

Conectarea la AP-ul dispozitivului se poate observa imediat în consola serială:

6

Interfața web de configurare permite introducerea datelor de acces a rețelei WiFi a cărui semnal dorim să-l extindem ca arie de acoperire (STA Settings) și datele de acces ale noului punct de acces (AP Settings). La finalizarea configurării dispozitivului vom putea face diferența între AP-ul inițial și noul AP (AP-ul repetor) deoarece vor avea denumiri și date de acces diferite. Performanțele oferite de AP-ul bazat pe circuitul ESP8266 nu sunt spectaculoase (maxim 8 clienți și rată de transfer de maxim 5Mbps) dar oferă o modalitate de extindere a ariei de acoperire WiFi extrem de simplă și ieftină. Aceaste dispozitive repetoare WiFi pot fi utilizate pentru rețele IoT sau pentru extinderea semnalului WiFi în spații deschise (parcele mari de teren de exemplu).

7

Dacă dorim ca repetorul WiFi să fie transparent (să nu definim un nou AP cu nume și date de acces proprii) se poate bifa opțiunea Automesh. În acest caz nu mai este necesar să completăm informațiile din secțiunea AP Settings – dispozitivul repetor va propaga semnalul WiFi sub numele rețelei WiFi originale (și datele de conectare vor fi identice). Facilitatea de Automesh permite crearea unei rețele de repetoare WiFi cu până la 5 niveluri permițând extinderea ariei de acoperire într-o manieră impresionantă.

8

Dacă apelăm la configurarea în consolă a dispozitivului repetor WiFi putem accesa funcții avansate implementate în pachetul software utilizat (a se vedea documentația oficială). Printre aceste funcții putem enumera:

  • Configurarea statică a setărilor pentru interfețele de rețea;
  • Definirea de rute (routes) personalizare – facilități de rutare avansată;
  • Definirea de reguli de dirijare a traficului (ACLs) – facilități de firewall;
  • Redirecționarea unor porturi – port mapping;
  • Facilități de raportare prin intermediul protocolului MQTT;

Controlul consumului – dacă tensiunea de alimentare scade sub un anume prag putem configura dispozitivul să intre într-o stare de consum redus.

Managementul conexiunii WiFi la ESP8266

Circuitul WiFi Espressif ESP8266 a reprezentat o evoluție importantă în universul plăcilor de dezvoltare în general dar și a comunității Arduino. Permițând conectivitate WiFi la un preț derizoriu și ușurință de programare și utilizare în cadrul sistemelor DIY, ESP8266 are o popularitate și o răspândire din ce în ce mai mare echipând plăci de dezvoltare diverse.

Facilitățile oferite de extensia ESP8266 pentru Arduino IDE includ conectarea la Internet prin intermediul unui AP, activarea ca un AP, funcționarea duală client WiFi și AP, utilizarea protocoalelor http și https, funcționarea ca server web sau server DNS ș.a.m.d. Toate aceste facilități oferite de circuitul ESP8266 fac din acesta un instrument extrem de util în cadrul proiectelor proprii. Una dintre problemele care apare totuși la construirea unui dispozitiv bazat pe circuitul ESP8266 este managementul datelor de conectarea la rețea. Dacă se dorește schimbarea datelor de acces la rețeaua WiFi (mutăm dispozitivul în altă locație sau modificăm infrastructura de acces la Internet) dispozitivul trebuie reprogramat. Chiar dacă luăm în calcul programarea OTA tot este necesară utilizarea unui sistem de calcul (PC sau laptop cu Arduino IDE instalat) pentru a modifica datele de acces (SSID și parolă).

Bineînțeles, este posibilă programarea unei interfețe web care să permită modificarea variabilelor corespunzătoare datelor de acces dar acest lucru este destul de consumator de timp și adaptarea codului pentru proiecte diverse este o sarcină repetitivă destul de anevoioasă. Din fericire există o bibliotecă software ce permite automatizarea acestui proces și ușurează foarte mult dezvoltarea noilor proiecte în care avem nevoie de modificarea parametrilor de funcționare fără a reprograma dispozitivul.

Această bibliotecă se numește WiFiManager și permite configurarea, prin intermediul unei interfețe web, a conexiunii WiFi în cazul în care configurarea implicită nu funcționează (interfața web de configurare se activează doar în cazul în care conectarea la rețea nu este posibilă cu datele de autentificare curente). Instalarea bibliotecii se face din Library Manager a mediului Arduino IDE. Testele au fost realizate pe o placă NodeMCU utilizând Arduino IDE 1.8.5 și extensia ESP8266 Community 2.4.1.

2

După instalarea bibliotecii facilitățile de configurare se includ în program inserând în cod secvențele următoare. La începutul programului se include biblioteca WiFiManager și dependințele acesteia:

#include <ESP8266WiFi.h>

#include <DNSServer.h>   

#include <ESP8266WebServer.h> 

#include <WiFiManager.h>

WiFiManager wifiManager;

În cadrul secțiunii setup() se înlocuiește codul obișnuit de conectare cu instrucțiunea:

wifiManager.autoConnect();

Execuția acesteia va conduce la conectarea la rețea dacă procesul de configurare a fost deja parcurs sau la blocarea programului și la pornirea interfeței de configurare web. Aceasta va fi accesibilă prin intermediul unui AP propriu sistemului, AP denumit ESPXXXXXX, la adresa IP 192.168.4.1 .

3

Interfața web permite configurarea și salvarea rețelei în care va funcționa dispozitivul, vizualizarea informațiilor hardware specifice plăcii de dezvoltare și resetarea acesteia.

4

5

Dacă conectivitatea de rețea nu este esențială în funcționarea dispozitivului – dispozitivul trebuie să funcționeze și fără conexiunea de rețea – putem adăuga următoarea instrucțiune pentru a defini un timp în care se așteaptă configurarea după care se trece mai departe la execuția normală a programului.

wifiManager.setConfigPortalTimeout(180);

În cazul în care dorim totuși să reluăm periodic tentativa de conectare la rețea, utilă de exemplu în cazul în care repornirea sistemului coincide cu indisponibilitatea AP-ului – datele de conectare sunt corecte dar în momentul în care se încearcă conectarea nu este disponibilă infrastructura, se poate insera o secvență de instrucțiuni, ca în exemplul de mai jos, în secțiunea loop():

if (WiFi.status() != WL_CONNECTED) wifiManager.autoConnect();

Pagina web de configurare poate fi pornită și în mod voit (la apăsarea unui buton de exemplu) prin intermediul instrucțiunii:

wifiManager.startConfigPortal();

O altă facilitate interesantă oferită de bibliotecă este posibilitatea de a adăuga în cadrul paginii de configurare a unor parametrii proprii ce vor fi salvați în memoria nevolatilă a circuitului ESP8266. Instrucțiunile de mai jos definesc o variabilă server ce permite memorarea adresei de rețea a unui server MQTT. Datele de configurat vor apărea în interfața web alături de configurația de acces în rețeaua WiFi.

WiFiManagerParameter custom_mqtt_server(„server”, „mqtt server”, mqtt_server, 40);

wifiManager.addParameter(&custom_mqtt_server);

mqtt_server = custom_mqtt_server.getValue();

6

LoRa meets ESP32

Intrarea pe piață a microprocesorului SoC ESP32 a marcat o nouă și interesantă etapă în cadrul familiei de circuite produse de compania Espressif. Două nuclee LX6 ce lucrează la frecvențe de până la 240MHz, conectivitate WiFi b/g/n și bluetooth 4.2, convertor analog-numeric pe 12 biți / 18 canale, două convertoare numeric-analogice pe 8 biți, patru interfețe SPI, două I2C, două I2S și trei UART, interfață CAN bus 2.0 sunt doar câteva dintre facilitățile puse la dispoziția dezvoltatorilor de către ESP32 făcând din acesta o alternativă atrăgătoare pentru noi proiecte. Mai mult decât atâta, pe lângă plăci de dezvoltare bazate pe ESP32 precum Adafruit HUZZAH32, Sparkfun ESP32 Thing sau Olimex ESP32-Gateway, asistăm la apariția unei generații noi de plăci de dezvoltare ce combină conectivitatea circuitului ESP32 cu conectivitatea modulelor radio LoRa.

LoPy este o astfel de placă de dezvoltare dar putem aminti și alte variante precum HELTEC WiFi LoRa 32 sau TTGO ESP32 SX1276 LoRa. Chiar dacă placa de dezvoltare LoPy este gândită pentru a fi programată în mediul MicroPython există și posibilitatea de a utiliza mediul Arduino IDE.

Avantajele unei plăci de dezvoltare ce îmbină conectivitatea circuitului ESP32 (WiFi + bluetooth) cu conectivitatea unui modul radio LoRa (comunicații radio pe distanțe mari) sunt evidente: posibilitatea de implementarea de dispozitive IoT multiprotocol, posibilitatea de implementarea de sisteme gateway LoRa sau bluetooth – implementări ce nu necesită nici un fel de montaj electronic pentru partea de comunicație, placa de dezvoltare integrează toate componentele necesare.

Realizarea unui nod LoRaWAN TTN, de exemplu, este extrem de simplă fără a fi nevoie să interconectăm o placă de dezvoltare cu un modul radio LoRa. Plecând de la exemplul ttn-abp al bibliotecii LMIC trebuie să personalizăm datele de autentificare în rețeaua TTN (obținute în urma înregistrării gratuite):

static const PROGMEM u1_t NWKSKEY[16] = { … };

static const u1_t PROGMEM APPSKEY[16] = { … };

static const u4_t DEVADDR = … ;

să modificăm pinii utilizați de modulul LoRa:

const lmic_pinmap lmic_pins = {

    .nss = 18,

    .rxtx = LMIC_UNUSED_PIN,

    .rst = 14,

    .dio = {26, 33, 32},

};

și să inserăm comanda de inițializare personalizată a portului SPI în cadrul secțiunii setup():

SPI.begin(5,19,27,18);

Pentru mai multe informații puteți consulta și materialele: „The ESP32 Oled Lora TTGO LoRa32 board and connecting it to TTN” și „Easy LoRaWAN and more with LoPy”.

Pentru a crea un gateway LoRaWAN TTN putem să apelăm la pachetul software Single Channel LoRaWAN Gateway în care vom avea de făcut câteva personalizări minore. În fișierul ESP-sc-gway.h vom modifica următoarele secțiuni:

  • Datele de identificare ale sistemului gateway (coordonate GPS, altitudine, platformă, descriere și email de contact)

#define _DESCRIPTION „ESP32 Single Channel Gateway”

#define _EMAIL „…”

#define _PLATFORM „ESP32”

#define _LAT …

#define _LON …

#define _ALT …

  • Datele serverului NTP cu care vom realiza sincroniza ceasul și fusul orar

#define NTP_TIMESERVER    „ro.pool.ntp.org”

#define NTP_TIMEZONES     2

#define SECS_PER_HOUR     3600

#define NTP_INTR      0

  • Datele de conectare la rețeaua WiFi ce asigură conectivitatea Internet

wpas wpa[] = {

{ „” , „” },

{ „…”, „…” }

};

După încărcarea programului pe placa de dezvoltare, deschizând consola serială a mediului Arduino IDE, obținem ID-ul gateway-ului ce trebuie înregistrat pe platforma TTN:

2

Sistemul gateway dispune de o interfață web (accesibilă din rețeaua locală din care face parte sistemul) ce permite supravegherea funcționării și modificarea unor parametrii (precum canalul radio pe care ascultă gateway-ul):

3

Pentru mai multe detalii despre implementarea unui sistem gateway LoRaWAN TTN puteți consulta și materialele: „LoPy to Single Channel Gateway to The Things Network” și „BIG ESP32 / SX127x”.

Carte „10(zece) proiecte Internet of Things” în format electronic

Carte „10(zece) proiecte Internet of Things” în format electronic.

240 de pagini cu proiecte despre Internetul obiectelor utilizând plăci de dezvoltare Arduino, Raspberry Pi și ESP8266.

Cartea poate fi cumpărată din magazinul 10proiecte iar plata se va face utilizând portalul PayPal. Formatul electronic permite accesul complet la formatul PDF al cărții cu posibilitate de tipărire și extragere de conținut.

banner

10ProiecteIoT_Cuprins

10ProiecteIoT_PrezentareProiecte

Puteți comanda cartea în format tipărit de pe site-ul Robofun la prețul de 39RON.

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.

Solar Power WiFi Test

Implementarea unui proiect cu alimentare solară prezintă mai multe avantaje printre care, bineînțeles, se evidențiază independența de rețeaua electrică tradițională. În același timp un astfel de proiect ridică și multe probleme legate de dimensionarea soluției de alimentare și alegerea componentelor potrivite. Care este dimensiunea panoului solar? Ce soluție de stocare a energiei electrice alegem? Ce soluție de încărcare a acumulatorilor este cea mai potrivită? Acestea sunt câteva dintre întrebările la care vom încerca să răspundem în cadrul acestui proiect. Chiar dacă se poate face o evaluare inițială la nivel teoretic, în cadrul testului nostru vom alege varianta testării efective a soluției alese și evidențierea avantajelor și a punctelor slabe ale acesteia.

Ca soluție de maximizare a eficienței captării energiei solare și de încărcare a acumulatorului vom utiliza o componentă MPPT: Sunny Buddy – MPPT Solar Charger.

2

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 a supraveghea procesul de încărcare / descărcare a acumulatorului vom utiliza o placă de dezvoltare Adafruit Feather HUZZAH ce va raporta datele măsurate prin intermediul conexiunii WiFi 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 o acuratețe mai bună a măsurătorilor vom utiliza o componentă ce va monitoriza nivelul de încărcare a bateriei: LiPo Fuel Gauge. Componenta de monitorizare se va intercala între ieșirea componentei MPPT și alimentarea plăcii de dezvoltare și va raporta prin intermediul unei magistrale I2C nivelul de încărcare a bateriei.

3

Diagrama de interconectare între componentele sistemului de test este următoarea:

4

Înainte de realizarea montajului și punerea lui în funcțiune este recomandată parcurgerea documentațiilor oficiale ale componentelor utilizate:

Atenție!!! Schema precedentă este schema finală de test. În momentul programării plăcii de dezvoltare trebuie să deconectăm alimentarea plăcii prin intermediul componentei de măsurare (să deconectăm placa de dezvoltare de componenta LiPo Fuel Gauge) și să deconectăm pinul Reset de pinul Wake (GPIO16) – firul galben.

Programul sistemului a fost dezvoltat și testat utilizând Arduino IDE 1.8.5, extensia ESP8266 Community 2.4.0 și biblioteca LiFuelGauge 1.0.

#include <Wire.h>

#include <ESP8266WiFi.h>

#include <ESP8266HTTPClient.h>

#include <LiFuelGauge.h>

În cadrul programului trebuie personalizate datele de conectare la rețeaua WiFi (variabilele ssid[] și pass[]).

char ssid[] = „…”;

char pass[] = „…”;

LiFuelGauge gauge(MAX17043);

Secțiunea setup() se va ocupa cu inițializarea comunicației cu modulul de măsurare a tensiunii din acumulator și cu inițializarea comunicației WiFi.

void setup() {

  gauge.reset();

  WiFi.mode(WIFI_STA);

  WiFi.hostname(„ESP_SolarMeter”);

  WiFi.begin(ssid, pass);

  byte retry = 0;

  while ((WiFi.status() != WL_CONNECTED) && (retry<10)) {

    delay(1000);

    retry++;

    if (retry==10) ESP.restart();

  }

}

Secțiunea loop() conține partea de citire a măsurătorilor efectuate de componenta LiPo Fuel Gauge și de trimiterea acestor măsurători către serviciul IoT. În cadrul programului trebuie personalizate cheile de autentificare (SENZOR_TOKEN1 și SENZOR_TOKEN2) obținute în urma înregistrării gratuite pe iot.robofun.ro. Postarea măsurătorilor se va face la un interval de o oră. Între măsurători sistemul va funcționa în mod de consum redus (deepSleep) pentru a minimiza consumul de energie și maximiza durata de funcționare.

void loop() {

  float batPercentage = gauge.getSOC();

  float batVoltage = gauge.getVoltage(); 

  String SENSOR_TOKEN1=”…”;

  String SENSOR_TOKEN2=”…”;

  HTTPClient http;

  String data =

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

  http.begin(data);

  int httpCode = http.GET();

  delay(100);

  http.end();

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

  http.begin(data);

  httpCode = http.GET();

  delay(100);

  http.end();

  ESP.deepSleep(3600L*1000000L);

}

Testarea sistemului va indica următoarele lucruri esențiale în funcționarea acestuia:

  • Sistemul de încărcare solar este capabil să înmagazineze într-o zi însorită suficientă energie pentru funcționarea sistemului pentru 24 de ore – sistemul poate funcționa autonom într-o perioadă însorită. Mai jos este graficul furnizat de serviciul iot.robofun pentru o succesiune de două zile însorite consecutive. Se poate observa că sistemul recuperează energia consumată peste noapte în timpul zilei.

5

6

  • Peste noapte sistemul pierde circa 30% din capacitatea acumulatorului. Asta înseamnă că sistemul poate funcționa circa trei zile fără reîncărcare (zile fără soare / înorate).

7

  • După epuizarea completă a energiei din acumulator sistemul nu este capabil să repornească singur chiar dacă urmează o zi însorită. Acest lucru este cauzat de curentul mare necesar la inițializarea plăcii de dezvoltare (peste 450mA, peste curentul furnizat de componenta Sunny Buddy). Sistemul nu va reuși să intre în mod de consum redus pentru a lăsa acumulatorul să se reîncarce și va rămâne într-o secvență infinită de inițializare ce va opri procesul de reacumulare a energiei solare.

Testul relevă posibilitatea limitată de funcționare a sistemului propus. Acesta poate funcționa o perioadă nedeterminată de timp în mod autonom atâta timp cât nu apare o succesiune de mai mult de două zile complet înnorate. Curentul mare necesar la inițializarea plăcii de dezvoltare blochează reluarea procesului de reîncărcare solară. Totuși, cu un alt consumator ce necesită un curent mai mic de inițializare, sistemul ar putea funcționa autonom și și-ar putea relua activitatea după o perioadă lungă fără lumină solară.

Toilet Time

Ignorat sau râvnit, tihnit sau zbuciumat, relaxare sau chiar plăcut timp de lectură… putem descrie în multe moduri timpul petrecut la toaletă dar știm de fapt care este acest timp? În cadrul proiectului de față vom prezenta realizarea unui sistem ce permite măsurarea timpului petrecut la toaletă. Chiar dacă poate părea puțin bizară tematica propusă vă asigurăm că mulți pasionați de sisteme electronice programabile s-au gândit cel puțin o dată la un sistem care să accesorizeze toaleta proprie; câteva exemple de astfel de proiecte:

Sistemul propus de noi se bazează pe o placă de dezvoltare Adafruit Feather HUZZAH echipată cu microprocesorul WiFi ESP8266. Conectivitatea WiFi va permite consultarea timpului total petrecut la toaletă prin intermediul oricărui dispozitiv inteligent cu conectivitate de rețea (tabletă, telefon mobil). În plus, specific tuturor plăcilor din familia Feather, placa de dezvoltare se poate alimenta de la un acumulator LiPo de 3.7V permițând crearea simplă a unui sistem independent de alimentarea USB. Detectarea ocupării toaletei se va face cu ajutorul unui buton brick ce se va poziționa sub colacul toaletei. Greutatea colacului nu este suficientă pentru a apăsa butonul, butonul se va apăsa doar dacă toaleta este ocupată. Bineînțeles, se poate înlocui componenta buton brick cu un senzor de apăsare brick dacă se dorește perfecționarea dedectării ocupării toaletei sau dacă se dorește realizarea unui sistem cu mai mulți ”utilizatori”.

Schema de interconectare dintre placa de dezvoltare și brick-ul buton este următoarea:

2

Brick-ul se va alimenta la 3.3V iar ieșirea se va conecta la pinul GPIO12 al plăcii de dezvoltare.

Programul a fost dezvoltat și testat utilizând Arduino IDE 1.8.5 având instalată extensia ESP8266 Community 2.3.0. În cadrul programului trebuie personalizate datele de conectare WiFi (variabilele ssid și password).

#include <ESP8266WiFi.h>

#include <WiFiClient.h>

#include <ESP8266WebServer.h>

#include <EEPROM.h>

const char *ssid = „…”;

const char *password = „…”;

ESP8266WebServer server (80);

#define pinButton 12

Timpul total de utilizarea a toaletei este stocat în variabila globală toilettime ca număr de secunde. Consultarea timpului total se poate face accesând adresa IP a sistemului (oferită prin DHCP de către AP-ul WiFi) dintr-un client web (browser web). Procedura handleRoot() este responsabilă de construirea paginii HTML trimisă către clientul web. Timpul total se va afișa în format HH:MM:SS. Programul poate fi îmbunătățit în această privință pentru a afișa durate mai mari de timp (sub formă de zile, săptămâni, ani).

3

char temp[600];

unsigned long toilettime;

void handleRoot() {

int sec = toilettime % 60;

int min = (toilettime / 60) % 60;

int hr = toilettime / 3600;

snprintf ( temp, 600,”%02d:%02d:%02d”, hr, min, sec);

String page = „<html>\

<head>\

<meta http-equiv=’refresh’ content=’10’/>\

<title>Toillet Time</title>\

<style>\

body { background-color: #cccccc; font-family:

Arial, Helvetica, Sans-Serif; Color: #000088; }\

</style>\

</head>\

<body>\

<h1>Toilet Time</h1>\

<p><b>Your total time is:</b> ” + String(temp) + „

</p>\

</body>\

</html>”;

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

server.send ( 200, „text/html”, temp );

}

Variabila ocupat are semnificația de toaletă ocupată. Când variabila ocupat are valoare true sistemul va contoriza timpul scurs și îl va adăuga la variabila toilettime. Conținutul variabilei toilettime se va salva în memoria flash a plăcii de dezvoltare la fiecare trecere din true în false a variabilei ocupat – acest lucru va asigura păstrarea timpului total și după un reset al plăcii de dezvoltare. Pentru operațiile cu memoria flash programul utilizează biblioteca Arduino IDE EEPROM. Placa de dezvoltare nu are memorie EEPROM, versiunea pentru ESP8266 a bibliotecii EEPROM utilizează aceleași funcții și metode ca la plăcile Arduino dar se folosește de memoria program flash. În cadrul secțiunii setup(), la fiecare nouă inițializare a programului, variabila toilettime se inițializează din memoria non-volatilă program.

boolean ocupat;

void setup() {

pinMode(pinButton, INPUT);

EEPROM.begin(512);

toilettime = 0;

toilettime += (long)EEPROM.read(0)<<24;

toilettime += (long)EEPROM.read(1)<<16;

toilettime += (long)EEPROM.read(2)<<8;

toilettime += (long)EEPROM.read(3);

WiFi.begin ( ssid, password );

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

delay ( 500 );

}

server.on ( „/”, handleRoot );

server.begin();

ocupat = false;

}

Variabilele start și stopp memorează momentele trecerii variabilei ocupat din false în true (așezarea pe toaletă) și din true în false (ridicarea de pe toaletă). În momentul adunării timpului scurs la variabila globală toilettime, conținutul acesteia este salvată și în memoria flash.

unsigned long start, stopp;

void loop() {

if ((!ocupat) && (digitalRead(pinButton)==1)) {

start = millis();

ocupat = true;

}

if (ocupat && (digitalRead(pinButton)==0)) {

stopp = millis();

ocupat = false;

toilettime += (stopp – start)/1000;

byte temp;

temp = (toilettime>>24) & 0xFF;

EEPROM.write(0, temp);

temp = (toilettime>>16) & 0xFF;

EEPROM.write(1, temp);

temp = (toilettime>>8) & 0xFF;

EEPROM.write(2, temp);

temp = toilettime & 0xFF;

EEPROM.write(3, temp);

EEPROM.commit();

}

server.handleClient();

}

În cazul în care vă plictisiți testând sistemul vă recomandăm aplicația mobilă Android Toilet Time – Mini-games for the bathroom.