My Heart Will Go IoT

Măsurarea pulsului, a numărului de bătăi ale inimii pe minut, este un instrument de evaluare atât a stării de sănătate dar și a stării emoționale sau a efortului fizic depus. Apariția de senzori optici performanți fac această evaluare foarte simplă permițând măsurarea pulsului cu telefonul mobil sau cu diverse dispozitive de tip brățară. În cadrul proiectului de față vom explica construirea unui astfel de dispozitiv dar, în plus față de  dispozitivele clasice de măsurare a pulsului, vom înregistra datele obținute în cloud.

Atenție!!! Dispozitivul prezentat nu este un dispozitiv medical! Dispozitivul din acest proiect nu poate fi folosit pentru evaluarea stării de sănătate! Proiectul de față prezintă un principiu de măsurare și înregistrare nu și o metodă exactă de calibrare a datelor măsurate.

Pentru implementarea dispozitivului vom utiliza o placă de dezvoltarea Adafruit Feather M0 WiFi și un senzor de particule și puls MAX30105. Schema de interconectare dintre cele două componente este următoarea:

2

Senzorul comunică cu placa de dezvoltare prin intermediul magistralei I2C și atunci conexiunile dintre cele două componente sunt evidente: pinul SCL al senzorului la pinul 4 (SCL) al plăcii de dezvoltare și pinul SDA al senzorului la pinul 3 (SDA) al plăcii de dezvoltare. Pinul /INT al senzorului nu este folosit. Alimentarea senzorului se va face la 5V – pinul 5V se va conecta la pinul USB al plăcii de dezvoltare atâta timp cât placa se alimentează prin intermediul cablului USB. Dacă doriți să transformați sistemul într-un sistem portabil, alimentând placa de la un acumulator LiPo, atunci pinul de 5V al senzorului se va conecta la pinul BAT al plăcii de dezvoltare – senzorul se va alimenta la 3.7V (producătorul specifică posibilitatea de a alimenta senzorul la tensiuni între 3.3V și 5V dar explică că o tensiune de peste 3.5V va asigura o funcționare mai bună a senzorului).

Pentru punerea în funcțiune și pentru integrarea plăcii de dezvoltare cu mediul Arduino IDE este necesară parcurgerea materialului „Adafruit Feather M0 WiFi with ATWINC1500 – ARM Cortex M0+ with fast & fun wireless built in”. Pentru înțelegerea mai bună a modului de funcționare a senzorului de puls se poate parcurge materialul „MAX30105 Particle and Pulse Ox Sensor Hookup Guide”.

Programul sistemului se bazează pe exemplul Example5_HeartRate al bibliotecii software Sparkfun MAX3010x Pulse and Proximity Sensor Library. Programul a fost testat utilizând Arduino IDE 1.8.3 cu extensia Adafruit SAMD Boards 1.0.17 instalată și bibliotecile WiFi101 0.14.3 și Sparkfun MAX3010x 1.0.0. Atenție!!! Pentru a compila programul pentru placa Feather M0 este necesară adăugarea unei linii (#define BUFFER_LENGTH 32) în fișierul MAX30105.cpp al bibliotecii Sparkfun MAX3010x.

#include <SPI.h>

#include <WiFi101.h>

#define WINC_CS   8

#define WINC_IRQ  7

#define WINC_RST  4

#define WINC_EN   2 

Datele de conectare WiFi trebuie personalizate în program. Programul va înregistra datele măsurate în cloud utilizând serviciul Robofun IoT.

char ssid[] = ““;

char pass[] = ““; 

WiFiClient client;

int status = WL_IDLE_STATUS;

char server[] = “iot.robofun.ro”;

Constanta postingInterval va dicta intervalul (în milisecunde) la care se face înregistrarea datelor în cloud.

unsigned long lastConnectionTime = 0;

const unsigned long postingInterval = 30L * 1000L;

#include <Wire.h>

#include “MAX30105.h”

#include “heartRate.h”

MAX30105 particleSensor;

const byte RATE_SIZE = 4;

byte rates[RATE_SIZE];

byte rateSpot = 0;

long lastBeat = 0;

float beatsPerMinute;

int beatAvg;

Decomentarea directivei debug va permite vizualizarea datelor măsurate în concola serială.

//#define debug

3

În cadrul secțiunii setup() se va inițializa conexiunea WiFi și comunicația cu senzorul de puls. Mesajele de eroare vor apărea în consola serială doar dacă este activată directiva debug.

void setup() {

  #ifdef debug

    Serial.begin(115200);

    while (!Serial) { ; }

    Serial.println(“Initializing…”);

  #endif

  WiFi.setPins( 8,7,4,2);

  if (WiFi.status() == WL_NO_SHIELD) {

    #ifdef debug

      Serial.println(“WiFi shield not present”);

    #endif

    while (true);

  }

  while (status != WL_CONNECTED) {

    #ifdef debug

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

      Serial.println(ssid);

    #endif

    status = WiFi.begin(ssid, pass);

    delay(10000);

  }

  #ifdef debug

    Serial.println(“Connected to wifi”);

  #endif

  if (!particleSensor.begin(Wire, I2C_SPEED_FAST))

  {

    #ifdef debug

      Serial.println(“MAX30105 was not found. Please check wiring/power. “);

    #endif

    while (1);

  }

  #ifdef debug

    Serial.println(“Place your index finger on the sensor with steady pressure.”);

  #endif

  particleSensor.setup();

  particleSensor.setPulseAmplitudeRed(0x0A);

  particleSensor.setPulseAmplitudeGreen(0);

}

În cadrul secțiunii loop() se va efectua atât citirea senzorului de puls (BPM – bătăi pe minut, medie – Avg BPM) cât și postarea către serviciul Robofun IoT. În cadrul codului trebuie personalizată cheia de autentificare (TOKEN) primită la înregistrarea senzorului în cadrul serviciului IoT. Intervalul de postare se contorizează începând cu detecția degetului pe senzor, dacă se ia degetul de pe senzor nu se mai efectuează înregistrarea valorilor în cloud. Se recomandă utilizarea unui elastic pentru a asigura o presiune constantă pe senzor.

4

void loop() {

  long irValue = particleSensor.getIR();

  if (checkForBeat(irValue) == true)

  {

    long delta = millis() – lastBeat;

    lastBeat = millis();

    beatsPerMinute = 60 / (delta / 1000.0);

    if (beatsPerMinute < 255 && beatsPerMinute > 20) {

      rates[rateSpot++] = (byte)beatsPerMinute;

      rateSpot %= RATE_SIZE;

      beatAvg = 0;

      for (byte x = 0 ; x < RATE_SIZE ; x++)

        beatAvg += rates[x];

      beatAvg /= RATE_SIZE; }

  }

  #ifdef debug

    Serial.print(“IR=”);

    Serial.print(irValue);

    Serial.print(“, BPM=”);

    Serial.print(beatsPerMinute);

    Serial.print(“, Avg BPM=”);

    Serial.print(beatAvg);

  #endif

  if (irValue < 50000) {

    #ifdef debug

      Serial.print(” No finger?”);

    #endif

    lastConnectionTime = millis();

  }

  #ifdef debug

    Serial.println();

  #endif

  if ((millis() – lastConnectionTime > postingInterval) && (beatAvg > 20))

  {   String temp = “GET /api/v1/senzor/TOKEN/input?value=” + String(beatAvg) + ” HTTP/1.1″;

      char param[100];

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

      if (client.connect(server, 80)) {

        client.println(param);

        client.println(“Host: iot.robofun.ro”);

        client.println(“Connection: close”);

        client.println();

      }

      client.stop();

      lastConnectionTime = millis();

      lastBeat = 0;

  }

}

Pentru a utiliza serviciul Robofun IoT este necesară înregistrarea gratuită.

4

După înregistrare și conectare este necesară definirea unui noi senzor (Adauga senzor).

5

După definirea senzorului este necesar să copiem cheia de autentificare (Token) pentru a o utiliza în program.

3

După configurarea serviciului IoT și încărcarea programului pe placa de dezvoltare putem începe utilizarea dispozitivului și putem observa datele înregistrate on-line:

5

O facilitate foarte interesantă a serviciului Robofun IoT este posibilitatea de partajare a graficelor (Share senzor) sau de integrare a acestora în alte pagini web. Putem astfel să adăugăm paginii web personale sau blog-ului personal un grafic live cu numărul de bătăi ale propriei inimi.

6

Finala Competiției Internet of Things Student Challenge 2017

Dorim să vă invităm la Finala Competiției Internet of Things Student Challenge 2017 în data de 22 Iunie 2017, ora 15 din partea Departamentului de Automatică, Facultatea de Automatică și Calculatoare, Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca. În cadrul competiției s-au înscris 14 echipe care au dezvoltat proiecte Internet of Things și Building Automation. Competiția este strâns legată de Conferința Științifică Internațională AQTR (International Conference on Automation, Quality and Testing, Robotics) și va avea loc anual, ridicând ștacheta tot mai sus.

Evenimentul va fi de asemenea transmis LIVE! pe pagina de Facebook: https://www.facebook.com/events/251297775277832??ti=ia

Pagini oficiale ale competiției:
http://contest.aqtr.ro/
https://www.facebook.com/Internet.of.Things.Student.Challenge

Locația evenimentului:
Facultatea de Automatică și Calculatoare, Departamentul de Automatică,
Strada Dorobanților, Nr.71-73, Sala C01, data 22.06.2017, orele 15-22

Cu respect,
IoT Student Challenge 2017 – Organizing Committe

Proiect Blynk IoT

Sparkfun Blynk ESP8266 este o placă de dezvoltare care, pe lângă avantajele oferite de serviciul cloud Blynk (prezentate în cadrul proiectului Cum să realizăm un sistem IoT fără să scriem nici o linie de cod?), oferă o combinație de componente extrem de interesante.

1

Procesorul WiFi ESP8266, senzorul digital de temperatură și umiditate Si7021 integrat și posibilitatea de alimentare de la un acumulator fac din placa Sparkfun Blynk ESP8266 o excelentă platformă pentru experimente IoT. În cadrul proiectului de față vom programa această placă utilizând Arduino IDE și nu vom utiliza platforma cloud specifică ci noul serviciu Robofun IoT.

2

Pentru punerea în funcțiune și programarea plăcii Blynk se recomandă parcurgerea materialului Blynk Board Arduino Development Guide. Pentru prima parte a proiectului nu avem nevoie decât de placa de dezvoltare și cablul USB de încărcare a programului – senzorul de temperatură și umiditate ce va furniza informațiile transmise către serviciul IoT este integrat pe placă.

Programul a fost dezvoltat și testat utilizând Arduino IDE 1.8.1, extensia esp8266 2.1.0 și bibliotecile Sparkfun Si7021 Humidity and Temperature Sensor 1.0.0 și Adafruit NeoPixel 1.1.1 (pe placa de dezvoltare se află și un led RGB WS2812 pe care îl vom comanda utilizând această bibliotecă). Declarațiile inițiale ale programului sunt următoarele:

#include <Wire.h>
#include “SparkFun_Si7021_Breakout_Library.h”
#include <Adafruit_NeoPixel.h>
#include <ESP8266WiFi.h>
#include <ESP8266HTTPClient.h>

În cadrul programului trebuie personalizate datele de conectare WiFi:

char ssid[] = ““;

char pass[] = ““;

WiFiClient client;

float humidity = 0;

float tempC = 0;

Weather sensor;

#define PIN  4

#define NUMPIXELS 1

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

Varialbila postingInterval indică intervalul de timp între două raportări IoT (în milisecunde, în cazul dat ca exemplu: 10 minute)

unsigned long lastConnectionTime = 0;

const unsigned long postingInterval = 600L * 1000L;

Dacă doriți ca programul să afișeze informații despre execuție se va decomenta următoarea linie:

//#define debug

3

În cadrul secțiunii setup() se va inițializa conexiunea WiFi – pe durata inițializării led-ul RGB de pe placă va lumina roșu.

void setup() {

  pixels.begin();

  pixels.setPixelColor(0, pixels.Color(150,0,0));

  pixels.show();

  #ifdef debug

    Serial.begin(9600);

  #endif

  int status = WL_IDLE_STATUS;

  while (status != WL_CONNECTED)

  {

    status = WiFi.begin(ssid, pass);

    delay(10000);

  }

  #ifdef debug

    Serial.println(“Connected to wifi”);

  #endif

  sensor.begin();

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

  pixels.show();

}

Secțiunea loop() va verifica timpul scurs de la ultima raportare și dacă este depășit intervalul specificat se va apela procedura IoTPublish() care se ocupă de citirea senzorului Si7021 și de trimiterea datelor către Robofun IoT. Pe durata execuției procedurii led-ul de pe placă va lumina verde.

void loop() {

  if (millis() – lastConnectionTime > postingInterval)

  {

    pixels.setPixelColor(0, pixels.Color(0,150,0));

    pixels.show();

    IoTpublish();

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

    pixels.show();

  }

}

Procedura IoTpublish() va posta datele oferite de senzorul de temperatură și umiditate către serviciul IoT. Postarea se face prin două apeluri HTTP GET, câte unul pentru fiecare parametru trimis (temperatură și umiditate). Apelurile HTTP vor returna răspunsul 1 dacă totul este în regulă sau alte valoare dacă a apărut o eroare. Pentru utilizarea serviciului Robofun IoT este necesară înregistrarea gratuită a unui cont.

4

După înregistrare și conectare este necesară definirea a doi noi senzori.

5

Fiecare senzor va avea propria cheie de autentificare (token) și pentru fiecare dintre cei doi senzori este necesar să copiem această cheie în program (SENZOR_TOKEN1 și SENZOR_TOKEN2).

void IoTpublish() {

  String SENSOR_TOKEN1=”“;

  String SENSOR_TOKEN2=”“;

  HTTPClient http;

  humidity = sensor.getRH();

  tempC = sensor.getTemp();

  String data =

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

  http.begin(data);

  int httpCode = http.GET();

  #ifdef debug

    if(httpCode > 0) {

      Serial.printf(“[HTTP] GET… code: %d\n”, httpCode);

      if(httpCode == HTTP_CODE_OK) {

        String payload = http.getString();

        Serial.println(payload);

      }

    } else {

      Serial.printf(“[HTTP] GET… failed, error: %s\n”, http.errorToString(httpCode).c_str());

    }

  #endif

  http.end();

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

  http.begin(data);

  httpCode = http.GET();

  #ifdef debug

    if(httpCode > 0) {

      Serial.printf(“[HTTP] GET… code: %d\n”, httpCode);

      if(httpCode == HTTP_CODE_OK) {

        String payload = http.getString();

        Serial.println(payload);

      }

    } else {

      Serial.printf(“[HTTP] GET… failed, error: %s\n”, http.errorToString(httpCode).c_str());

    }

  #endif

  http.end();

  lastConnectionTime = millis();

}

După încărcarea programului pe placa de dezvoltare și scurgerea unui interval de funcționare mai lung decât postingInterval vom putea vedea deja pe graficul oferit de interfața serviciului valorile achiziționate de senzorul plăcii. În capturile de ecran următoare putem vedea un grafic pe o perioadă mai lungă de timp (temperatura – vizualizare a tuturor valorilor, umiditate – vizualizare a valorilor medii la nivel de săptămână).

6

7

Un atu foarte important al plăcii de dezvoltare Sparkfun Blynk ESP8266 este posibilitatea de alimentare utilizând un acumulator LiPo de 3.7V. Asta conferă sistemului portabilitate – vom dispune de un sistem de achiziție IoT de dimensiunea a două cutii de chibrituri. Totuși, o problemă majoră care se naște în acest caz este evaluarea autonomiei de funcționare a sistemului – determinarea nivelului de încărcare a acumulatorului. Utilizarea convertorului analog-numeric al plăcii în acest scop presupune construirea unui divizor de tensiune (convertorul poate măsura tensiuni între 0V și 3.3V) dar această soluție conduce la descărcarea mai rapidă a acumulatorului. O soluție mult mai elegantă pentru rezolvarea acestei probleme este utilizarea unei componente specializate de măsurare: LiPo Fuel Gauge. Conectarea acestei componente, între conectorul de alimentare al plăcii și acumulator, este prezentată în diagrama următoare:

8

Circuitul integrat MAX17043G+U al componentei de măsurare va supraveghea nivelul de tensiune al acumulatorului și îl va raporta către placa de dezvoltarea prin intermediul magistralei I2C – placa de dezvoltare are un conector special I2C la care se poate conecta componenta de măsurarea. Introducerea componentei de măsurare nu va influența în nici un fel posibilitatea de încărcarea a acumulatorului prin intermediul mufei microUSB de pe placă și nici nu va scădea durata de viață a acumulatorului.

În cadrul programului vom adăuga următoarele funcții și proceduri necesare lucrului cu circuitul MAX17043:

unsigned int vcellMAX17043() {

unsigned int vcell;

vcell = i2cRead16(0x02);

vcell = vcell >> 4;

return vcell; }

float percentMAX17043() {

unsigned int soc;

float percent;

soc = i2cRead16(0x04);

percent = (byte) (soc >> 8);

percent += ((float)((byte)soc))/256;

return percent; }

void qsMAX17043() {

i2cWrite16(0x4000, 0x06); }

unsigned int i2cRead16(unsigned char address) {

int data = 0;

Wire.beginTransmission(MAX17043_ADDRESS);

Wire.write(address);

Wire.endTransmission();

Wire.requestFrom(MAX17043_ADDRESS, 2);

while (Wire.available() < 2) ;

data = ((int) Wire.read()) << 8;

data |= Wire.read();

return data; }

void i2cWrite16(unsigned int data, unsigned char address) {

Wire.beginTransmission(MAX17043_ADDRESS);

Wire.write(address);

Wire.write((byte)((data >> 8) & 0x00FF));

Wire.write((byte)(data & 0x00FF));

Wire.endTransmission(); }

La începutul programului vom defini adresa I2C a circuitului MAX17043:

#define MAX17043_ADDRESS 0x36

Iar în cadrul procedurii IoTpublish() vom adăuga:

float batVoltage;

float batPercentage;

String SENSOR_TOKEN3=”…”;

String SENSOR_TOKEN4=”…”;

….

qsMAX17043();

batPercentage = percentMAX17043();

batVoltage = (float) vcellMAX17043() * 1/800;

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

http.begin(data);

httpCode = http.GET();

#ifdef debug

if(httpCode > 0) {

Serial.printf(“[HTTP] GET… code: %d\n”, httpCode);

if(httpCode == HTTP_CODE_OK) {

String payload = http.getString();

Serial.println(payload);

}

} else {

Serial.printf(“[HTTP] GET… failed, error: %s\n”, http.errorToString(httpCode).c_str());

}

#endif

http.end();

data = “http” + “://iot.robofun.ro/api/v1/senzor/” + SENSOR_TOKEN4 + “/input?value=” + String(batPercentage, DEC);

http.begin(data);

httpCode = http.GET();

#ifdef debug

if(httpCode > 0) {

Serial.printf(“[HTTP] GET… code: %d\n”, httpCode);

if(httpCode == HTTP_CODE_OK) {

String payload = http.getString();

Serial.println(payload); }

} else {

Serial.printf(“[HTTP] GET… failed, error: %s\n”, http.errorToString(httpCode).c_str());   }

#endif

http.end();

Înainte de încărcarea noii versiuni de program este necesar să definim doi noi senzori (unul pentru tensiunea acumulatorului altul pentru procentul de încărcare) și să copiem cheile de autentificare în variabilele asociate: SENZOR_TOKEN3 și SENZOR_TOKEN4. După rularea programului vom putea vedea evoluția parametrilor acumulatorului folosit:

9

10

Proiect Noise-o-Meter IoT

Zgomotul este un factor de stres la fel de puternic ca și căldura, suprasolicitarea sau evenimentele cu impact emoțional dar de cele mai multe ori este ignorat și încadrat în „normalitatea” urbană cotidiană. Cât de mult ne afectează zgomotul înconjurător? Depinde de nivelul de zgomot la care suntem expuși. Cum putem evalua zgomotul din jurul nostru? Aparatele profesionale de măsurat puterea sunetelor sunt destul de scumpe și nu oferă o evaluare pe termen lung. În cadrul acestei lecții prezentăm implementarea unui sistem de măsură a nivelului de zgomot ambiental care, cu ajutorul serviciilor IoT, va permite evaluarea pe termen lung a acestui factor de stres.

Sistemul va utiliza placa de dezvoltare Arduino Leonardo ETH și un modul breakout cu microfon pentru achiziția nivelului de zgomot. Schema de interconectare este următoarea:

schema_bb

Modulul breakout se va alimenta la 3.3V (pinul VCC al modulului se va conecta la pinul 3.3V al plăcii de dezvoltare, pinul GND la pinul GND) și ieșirea analogică a modulului, pinul AUD, se va conecta la pinul de achiziție analogică A0 al plăcii de dezvoltare.

Pentru mai multe detalii despre utilizarea modulului breakout puteți consulta și materialul „Electret Mic Breakout Board Hookup Guide”. Pentru punerea în funcțiune și utilizarea plăcii de dezvoltare Arduino Leonardo ETH puteți consulta materialul „Start with Arduino Leonardo ETH”.

Placa de dezvoltare va realiza partea de achiziție a nivelului de zgomot și va trimite valorile, prin intermediul rețelei Internet, către serviciul Robofun IoT. Serviciul Robofun IoT este un serviciu gratuit ce permite stocarea datelor și vizualizarea evoluției acestora. Serviciul necesită înregistrare (secțiunea Cont nou):

4

După înregistrare și conectare este necesară definirea unui nou senzor (secțiunea Adaugă senzor):

5

După definirea senzorului este necesar să copiem cheia de autentificare (Token) pentru a o utiliza în program.

3

Programul a fost dezvoltat și testat utilizând Arduino IDE 1.8.1 având instalate extensia Arduino AVR Boards 1.6.19 și biblioteca Ethernet2 1.0.4. Pentru ca sistemul să funcționeze este necesară conectarea plăcii Arduino Leonardo ETH la o rețea locală cu servicii DHCP și conectivitate Internet.

#include <SPI.h>

#include <Ethernet2.h>

byte mac[] = { 0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xED };

EthernetClient client;

char server[] = “iot.robofun.ro”;

const int pinAdc = A0;

În cazul în care placa nu va putea obține configurația de rețea prin DHCP led-ul conectat pe pinul 13 va începe să clipească și programul se va bloca (bucla infinită while(1)) – se va verifica în acest caz conectarea cablului de rețea și se va reseta placa.

void setup() {

      Serial.begin(9600);

      if (Ethernet.begin(mac) == 0) {

        pinMode(13,OUTPUT);

        while(1) {       

         digitalWrite(13,LOW);

         delay(1000);

         digitalWrite(13,HIGH);

         delay(1000);

        }

      }

}

În cadrul secțiunii loop() este necesară completarea cheii de autentificare specifice senzorului definit în cadrul serviciului Robofun IoT (TOKEN).

void loop() {

    float sound = getSound();

    Serial.println(sound);

   String temp = “GET /api/v1/senzor/TOKEN/input?value=” + String(sound) + ” HTTP/1.1″;

    char param[100];

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

    if (client.connect(server, 80)) {

      client.println(param);

      client.println(“Host: iot.robofun.ro”);

      client.println(“User-Agent: arduino-ethernet”);

      client.println(“Connection: close”);

      client.println();

    }

    client.stop();

}

Funcția getSound() va analiza semnalul analogic transmis de modul pe o perioadă de timp egală cu sampleWindow. Analiza va determina amplitudinea maximă a semnalului (variabila peakToPeak) și va face transformarea din valoare eșantionată (interval 0 – 1024) în tensiune (interval 0 – 3.3).

float getSound(){

   const int sampleWindow = 5000;

   unsigned int sample;

   unsigned long startMillis= millis();

   unsigned int peakToPeak = 0; 

   unsigned int signalMax = 0;

   unsigned int signalMin = 1024;

   while (millis() – startMillis < sampleWindow)   {

      sample = analogRead(pinAdc);

      if (sample < 1024)     {

         if (sample > signalMax)         {

            signalMax = sample;         }

         else if (sample < signalMin)         {

            signalMin = sample;         }

      }

   }

   peakToPeak = signalMax – signalMin;

   float volts = (peakToPeak * 3.3) / 1024.0; 

   return volts;

 }

Evoluția zgomotului ambiental se poate observa local deschizând Serial Plotter din meniul Tools al mediului Arduino IDE (programul raportează și pe serială valorile măsurate) dar supravegherea pe termen lung se va face prin interfața web a serviciului Robofun IoT:

robofun

Atenție!!! Valorile măsurate nu sunt calibrate, nu au o unitate de măsură asociate – nu reprezintă valori in decibeli. Valorile măsurate reprezintă doar o intensitate a zgomotului pe o scară de la 0 la 3.3 dar pot da o imagine destul de bună a variației zgomotului în mediul ambiental.

Hunting the Heat

Măsurarea temperaturii este o operație simplă de achiziție din punct de vedere al unui sistem electronic. Monitorizarea temperaturii însă ridică câteva provocări cu privire la înregistrarea datelor și vizualizarea acestora. În cadrul proiectului de față vom da exemplu de două soluții de monitorizare a temperaturii prin intermediul unui serviciu de cloud.

Pentru trimiterea datelor în cloud vom utiliza placa de dezvoltare Adafruit Feather HUZZAH bazată pe microprocesorul WiFi ESP8266. Prima variantă de monitorizare va utiliza sensorul digital de temperatură și umiditate SHT11 – o soluție de precizie recomandată când dorim să monitorizăm temperatura din aer (ambientală). Din punct de vedere al confortului termic monitorizarea temperaturii trebuie însoțită de monitorizarea umidității din aer. Schema de interconectare dintre placa de dezvoltare și senzor este următoarea:

2

Senzorul se va alimenta la 3.3V iar liniile de comunicație se vor conecta la pinii 13 (pinul DAT al senzorului) și 15 (pinul SCK al senzorului) ai plăci de dezvoltare. Pentru intergrarea plăcii de dezvoltare în mediul Arduino IDE este necesară parcurgerea materialului „Adafruit Feather HUZZAH – WiFi with built-in battery charging for IoT on-the-go!”.

Ca serviciu de monitorizare în cloud vom utiliza serviciul Robofun IoT. Pentru utilizarea acestuia este necesară înregistrarea gratuită.

4

După înregistrare și conectare este necesară definirea a doi noi senzori (Adauga senzor) pentru a putea înregistra cele două valori măsurate (temperatură și umiditate).

5

După definirea celor doi senzori este necesar să copiem cheile de autentificare (Token) pentru a le utiliza în program.

3

Programul a fost dezvoltat și testat utilizând Arduino IDE 1.8.3 cu extensia esp8266 2.3.0 instalată și biblioteca SHT1x commit be7042c. În cadrul programului trebuie personalizate datele de conectare WiFi (ssid și pass) precum și cheile de autentificare oferite de procesul de înregistrare a senzorilor pe platforma Robofun IoT (SENSOR_TOKEN1 și SENSOR_TOKEN2).

#include <ESP8266WiFi.h>

#include <ESP8266HTTPClient.h>

char ssid[] = ““;    

char pass[] = ““;   

WiFiClient client;

#include <SHT1x.h>

#define dataPin  13

#define clockPin 15

SHT1x sht1x(dataPin, clockPin);

void setup() {

  Serial.begin(9600);

  delay(10);

  Serial.println();

  Serial.println();

  Serial.print(“Connecting to “);

  Serial.println(ssid);

  WiFi.begin(ssid, pass);

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

    delay(500);

    Serial.print(“.”);

  }

  Serial.println(“”);

  Serial.println(“WiFi connected”); 

  Serial.println(“IP address: “);

  Serial.println(WiFi.localIP());

}

unsigned long lastConnectionTime = 0;

const unsigned long postingInterval = 60L * 1000L;

void loop() {

  if (millis() – lastConnectionTime > postingInterval) {

    IoTpublish();

  }

}

void IoTpublish() {

  String SENSOR_TOKEN1=”“;

  String SENSOR_TOKEN2=”“;

  float temp_c;

  float humidity;

  temp_c = sht1x.readTemperatureC();

  humidity = sht1x.readHumidity();

  Serial.print(“Temperature: “);

  Serial.print(temp_c, DEC);

  Serial.print(“C “);

  Serial.print(” Humidity: “);

  Serial.print(humidity);

  Serial.println(“%”);

   HTTPClient http;

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

  http.begin(data);

  int httpCode = http.GET();

  http.end();

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

  http.begin(data);

  httpCode = http.GET();

  http.end();

  lastConnectionTime = millis();

}

După încărcarea programului și punerea în funcțiune a sistemului putem monitoriza on-line valorile măsurate:

3

4

Cea de a doua variantă propusă pentru monitorizarea temperaturii este specifică monitorizării temperaturii materialelor și spațiilor de echipamente. Pentru măsurarea temperaturii vom utiliza senzorul digital DS18B20 ce permite realizarea unei rețele de senzori pe o magistrală cu un singur fir (1-Wire) facilitând astfel supravegherea temperaturii în mai multe puncte. Vom utiliza un modul brick DS18B20 ca prim element în rețeaua de senzori și mai mulți sensori DS18B20+ pentru diverse puncte de supraveghere.

Soluția bazată pe comunicația 1-Wire a fost aleasă pentru distanța mare la care pot fi plasați senzorii față de placa de dezvoltare (aproximativ 200 de metri) și a unui număr mare de senzori care pot fi conectați simultan (având în vedere faptul că fiecare senzor are o adresă proprie din fabricație pe 64 de biți nu există o limitare de protocol privind numărul de senzori dintr-o rețea). A se vedea și: „Guidelines for Reliable Long Line 1-Wire Networks”.

Prin intermediul rețelei de senzori DS18B20 sistemul va putea monitoriza din punct de vedere al măsurării temperaturii un număr ”nelimitat” de zone. Conectarea cu placa de dezvoltare implică conectarea componentei brick în felul următor: pinul GND al modulului la pinul de GND al plăcii de dezvoltare, pinul 5V la pinii de 3V al plăcii de dezvoltare (senzorii DS18B20 acceptă alimentare de la 3V la 5.5V) și pinul DQ al modulului la pinul 3 al plăcii de dezvoltare. Următorii senzori atașați în rețea se vor conecta la modulul brick prin intermediul conectorului cu șurub respectând semnificația pinilor.

5

Programul a fost dezvoltat și testat utilizând Arduino IDE 1.8.3 cu extensia esp8266 2.3.0 instalată și bibliotecile OneWire 2.3.3 și DallasTemperature 3.7.6. În cadrul programului trebuie personalizate datele de conectare WiFi (ssid și pass) precum și cheile de autentificare oferite de procesul de înregistrare a senzorilor pe platforma Robofun IoT (vectorul SENSOR_TOKEN).

#include <ESP8266WiFi.h>

#include <ESP8266HTTPClient.h>

char ssid[] = ““;    

char pass[] = ““;   

WiFiClient client;

#include <DallasTemperature.h>

#include <OneWire.h>

#define ONE_WIRE_BUS 2

#define MAX_ATTACHED_DS18B20 10

OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);

DallasTemperature sensors(&oneWire);

int numSensors=2;

void setup() {

  sensors.begin();

  delay(100);

  Serial.begin(9600);

  delay(100);

  Serial.println();

  Serial.println();

  Serial.print(“Connecting to “);

  Serial.println(ssid);

  WiFi.begin(ssid, pass);

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

    delay(500);

    Serial.print(“.”);

  }

  Serial.println(“”);

  Serial.println(“WiFi connected”); 

  Serial.println(“IP address: “);

  Serial.println(WiFi.localIP());

}

unsigned long lastConnectionTime = 0;

const unsigned long postingInterval = 60L * 1000L;

void loop() {

  if (millis() – lastConnectionTime > postingInterval) {

    IoTpublish();

  }

}

void IoTpublish() {

  String SENSOR_TOKEN[] = {““,”“};

  HTTPClient http;

  Serial.print(“Requesting temperatures…”);

  sensors.requestTemperatures();

  Serial.println(“DONE”);

  for (int i=0; i<numSensors && i<MAX_ATTACHED_DS18B20; i++)  {

    float temperature = sensors.getTempCByIndex(i);

    Serial.print(“Temperature for the device “); Serial.print(i); Serial.print(” is: “);

    Serial.println(temperature); 

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

    http.begin(data);

    int httpCode = http.GET();

    if(httpCode > 0) {

      Serial.printf(“[HTTP] GET… code: %d\n”, httpCode);

      if(httpCode == HTTP_CODE_OK) {

        String payload = http.getString();

        Serial.println(payload);

      }

      } else {

      Serial.printf(“[HTTP] GET… failed, error: %s\n”,

             http.errorToString(httpCode).c_str());

      }

    http.end();

  }

  lastConnectionTime = millis();

}

Programul va prezenta în consolă desfășurarea procesului de achiziți și înregistrare cloud (exemplificare cu doi senzori conectați):

6

dar monitorizarea se va face online:

7

8

IoT Air Quality Monitor

Poluarea aerului este o problemă extrem de actuală mai ales în mediul urban. Măsurarea calității aerului ne poate indica la ce riscuri de sănătate ne expunem. Există o serie de măsurători oficiale dar ele sunt afectate în mare măsură de  interesele sau neglijența celor care administrează rețelele de monitorizare. Se poate vedea o hartă în timp real a calității aerului în România pe site-ul aciqn.org, din păcate în majoritatea orașelor mari din România senzorii sunt nefuncționali…

Există mai mulți indicatori ce influențează calitatea aerului. În cadrul proiectului de față vom utiliza un senzor CCS811 ce este capabil să măsoare concentrațiile de eCO2 (dioxid de carbon echivalent) și tVOC (total compuși volatili organici) din aer în spații închise (în interior). Pentru mai multe detalii despre semnificația celor doi indicatori se poate parcurge materialul „Air Quality Measurements with the CCS811”. Punerea în funcțiune a senzorului necesită o perioadă de 48 de ore de funcționare în gol (la prima utilizare) și ulterior un timp de 20 de minute până la stabilizarea măsurătorilor (la pornirile ulterioare ale sistemului). Pentru modul de funcționare a senzorului CCS811 se poate parcurge și materialul „CCS811 Air Quality Breakout Hookup Guide”.

Valorile furnizate de senzor vor fi înregistrate în cloud utilizând serviciul Robofun IoT. Acest serviciu este gratuit dar necesită înregistrare, mai multe detalii despre modul de utilizare a serviciului se pot găsi pe site-ul de documentație oficial. Pentru a trimite datele prin Internet vom utiliza o placă de dezvoltare WiDo-WIFI IoT ce combină un microcontroler ATmega32U4 (la fel ca și placa de dezvoltare Arduino Leonardo) și un controler WiFi WG1300 (bazat pe circuitul integrat CC3000). Această combinație oferă avantajul programării foarte simple, la fel ca orice placă din familia Arduino, dar și posibilitatea de comunicație în rețea utilizând o conexiunea WiFi.

Schema de interconectare între senzor și placa de dezvoltare este următoarea (senzorul se va alimenta la 3.3V iar liniile de comunicație I2C sunt SCL – pin D3, SDA – pin D2):

2

Programul a fost dezvoltat și testat utilizând Arduino IDE 1.8.3 și bibliotecile SparkFun CCS811 1.0.0 și o versiune modificată a bibliotecii Adafruit CC3000 – special pentru placa de dezvoltare WiDo-WIFI. Placa se va programa în Arduino IDE ca o placă Arduino Leonardo obișnuită.

#include <Adafruit_CC3000.h>

#include <ccspi.h>

#include <SPI.h>

#include <string.h>

#include “utility/debug.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 completate datele de conectare la rețeaua WiFi.

#define WLAN_SSID       “”          

#define WLAN_PASS       “

#define WLAN_SECURITY   WLAN_SEC_WPA2

#define TIMEOUT_MS  2000

#define WEBSITE  “iot.robofun.ro”

#include “SparkFunCCS811.h”

#define CCS811_ADDR 0x5B

CCS811 mySensor(CCS811_ADDR);

Comentarea directivei următoare va conduce la suprimarea mesajelor în consola serială.

#define debug

În cadrul secțiunii setup() se vor inițializa componenta WiFi, conexiunea WiFi și senzorul de calitate a aerului. Procedura displayConnectionDetails() permite afișarea în consola serială a datelor de configurare în rețea.

void setup(){

  #ifdef debug

    SerialUSB.begin(115200);

    while(!SerialUSB) { ; }

    SerialUSB.println(F(“Robofun IoT Air Quality Monitor\n”));

    SerialUSB.print(F(“Free RAM: “)); Serial.println(getFreeRam(), DEC);

    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);

  }

  CCS811Core::status returnCode = mySensor.begin();

  if (returnCode != CCS811Core::SENSOR_SUCCESS) {

    #ifdef debug

      SerialUSB.println(F(“CCS811.begin() returned with an error.”));

    #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);

  #ifdef debug

    while (! displayConnectionDetails()) {

      delay(1000);

    }

  #endif

}

bool displayConnectionDetails(void) {

  uint32_t ipAddress, netmask, gateway, dhcpserv, dnsserv;

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

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

    return false;

  }

  else

  {

    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();

    return true;

  }

}

Măsurarea celor doi parametrii de calitate a aerului este afectată de temperatura și umiditatea ambientală. Biblioteca senzorului este capabilă să compenseze acest aspect prin preluarea din program a valorilor necesare. Pentru măsurători exacte este indicată utilizarea unui senzor de temperatură și umiditate în sistem care să furnizeze aceste valori în mod dinamic dar în cadrul sistemului nostru vom utiliza două valori constante.

#define temperatureVariable 28.0

#define humidityVariable 27.0

În cadrul secțiunii loop() se vor prelua datele de la senzor și se vor transmite către procedua postIoT() care se va ocupa cu înregistrarea în cloud. Este necesară particularizarea în program a valorilor TOKEN1 și TOKEN2, valori obținute în urma definirii a celor doi senzori în serviciul Robofun IoT. Postarea se va realiza la un interval de 10 minute (600 secunde = 600000 milisecunde).

void loop(){

   if (mySensor.dataAvailable()) {

      mySensor.setEnvironmentalData(humidityVariable, temperatureVariable);

      delay(10);

      mySensor.readAlgorithmResults();

      int tempCO2 = mySensor.getCO2();

      int tempVOC = mySensor.getTVOC();

      #ifdef debug

        SerialUSB.print(F(“CO2[“));

        SerialUSB.print(tempCO2);

        SerialUSB.print(F(“] tVOC[“));

        SerialUSB.print(tempVOC);

        SerialUSB.println(F(“]”));

      #endif

      String temp = “/api/v1/senzor/TOKEN1/input?value=” + String(tempCO2);

      char clientString[50];

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

      postIoT(clientString);

      delay(5000);

      temp = “/api/v1/senzor/TOKEN2/input?value=” + String(tempVOC);

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

      postIoT(clientString);

   }

   delay(600000);

}

Procedura postIoT() preia datele ce urmează a fi trimise către serviciul cloud Robofun IoT și realizează comunicația HTTP (HTTP GET) aferentă.

void postIoT(char* URLClient) {

    static Adafruit_CC3000_Client IoTclient;

    uint32_t ip = 0;

    while  (ip  ==  0)  {

      if  (!WiDo.getHostByName(WEBSITE, &ip))  {

        #ifdef debug

          SerialUSB.println(F(“Couldn’t resolve!”));

        #endif

        delay(500);

      }

      delay(500);

    }

    #ifdef debug

      SerialUSB.print(WEBSITE); Serial.print(F(” -> “));

      WiDo.printIPdotsRev(ip);

      SerialUSB.println();

    #endif

    IoTclient = WiDo.connectTCP(ip,80);

    #ifdef debug

      SerialUSB.print(F(“Connecting to IoT Server”));

      while(!IoTclient.connected()) SerialUSB.print(“.”);

      SerialUSB.println();

      SerialUSB.println(URLClient);

    #else

      while(!IoTclient.connected()) delay(10);

    #endif

    IoTclient.fastrprint(F(“GET “));

    IoTclient.fastrprint(URLClient);

    IoTclient.fastrprintln(F(” HTTP/1.1″));

    IoTclient.fastrprintln(F(“Host: iot.robofun.ro”));

    IoTclient.fastrprintln(F(“Connection: close”));

    IoTclient.fastrprint(F(“\r\n”));

    IoTclient.println();

    #ifdef debug

        SerialUSB.println(F(“Upload data to the IoT Server”));

    #endif

    unsigned long lastRead = millis();

    while (IoTclient.connected() && (millis() – lastRead < TIMEOUT_MS)) {

          while (IoTclient.available()) {

            char c = IoTclient.read();

            #ifdef debug

              SerialUSB.print(c);

            #endif

            lastRead = millis();

          }

    }

    #ifdef debug

      SerialUSB.println();

      SerialUSB.flush();

    #endif

    IoTclient.close();

}

După configurarea serviciului cloud și încărcarea programului putem deja observa online datele înregistrate (eCO2 – valori între 400 și 8,192 ppm – părți per milion; tVOC – valori într 0 și 1,187 ppb – părți per miliard):

3

4