Rozdíly

Zde můžete vidět rozdíly mezi vybranou verzí a aktuální verzí dané stránky.

--- 2017:greenhouse-ctrl [2018/01/14 23:17]
Josef Křivský
+++ 2017:greenhouse-ctrl [2018/01/15 07:28] (aktuální)
Josef Křivský
@@ Řádek 8: / Řádek 8: @@
 Cílem tohoto projektu je co nejvíce automatizovat obsluhu a udržování běžného zahradního skleníku. Obsahem návrhu je kompletní software řízení a obsluhy, ale také co nejjednodušší hardware pro příslušné periferie. Základní myšlenkou je možnost kontroly a nastavení jednotlivých vlastností skleníku z pohodlí domova, za pomoci ethernetového rozhraní a běžného PC. Pomocí definovaných příkazů je tak možné jak kontrolovat vlhkost půdy, teplotu a osvětlení ve skleníku, tak nastavit jejich limitní hodnoty pro spuštění zavlažování, odvětrávání/vytápění skleníku a přisvětlení zářivkami.
+{{ :2017:xkrivs00:img_20180115_063847_7.jpg?400 |}}
 ----
@@ Řádek 15: / Řádek 18: @@
+Key Features
+  *Microcontroller:
+     *Kinetis MK64FN1M0VLL12 in 100LQFP microcontroller featuring ARM® Cortex™-M4 32-bit core with DSP instructions and Floating Point Unit (FPU) working @ 120 MHz max CPU frequency
+  *Memory:
+     *1024 KB program flash memory, 256 KB RAM, and FlexBus external bus interface
+  *System peripherals:
+     *Multiple low-power modes, low-leakage wake-up unit, 16-channel DMA controller
+  *Clocks:
+     *3x Internal Reference Clocks: 32KHz, 4MHz and 48MHz, 2x Crystal inputs: 3-32MHz (XTAL0) and 32kHz (XTAL32/RTC), PLL and FL
+  *Analog modules:
+     *2x 16-bit SAR ADCs up 800ksps (12-bit mode), 2x 12-bit DACs, 3x Analog comparators, Voltage reference 1.13V
+  *Communication interfaces:
+     *1x 10/100 Mbit/s Ethernet MAC controller with MII/RMII interface IEEE1588 capable, 1x USB 2.0 Full-/Low-Speed Device/Host/OTG controller with embedded 3.3V/120mA Vreg, and USB device Crystal-less operation, 1x Controller Area Network (CAN) module, 3x SPI modules, 3x I2C modules. Support for up to 1 Mbit/s, 6x UART modules, 1x Secure Digital Host Controller (SDHC), 1x I2S module
+  *Timers:
+     *2x 8-channel Flex-Timers (PWM/Motor control), 2x 2-channel FlexTimers (PWM/Quad decoder), 32-bit PITs and 16 bit low-power timers, Real-Time Clock (RTC), Programmable delay block
+  *Security and integrity modules:
+     *Hardware CRC and random-number generator modules, Hardware encryption supporting DES, 3DES, AES, MD5, SHA-1 and SHA-256 algorithms
+  *Operating characteristics:
+     *Voltage range: 1.71 to 3.6 V, Flash write voltage range: 1.71 to 3.6 V
+----
-Key Features
+====== Vývoj HW ======
-Microcontroller:
-    Kinetis MK64FN1M0VLL12 in 100LQFP microcontroller featuring ARM® Cortex™-M4 32-bit core with DSP instructions
+Požadavkem na celou konstrukci automatizovaného skleníku byla především jednoduchost implementace/instalace, ale také cena celého systému. Vzhledem k velkému možství některých součástek v inventáři zadavatele, byly proto použity především ony.
-    and Floating Point Unit (FPU) working @ 120 MHz max CPU frequency
-Memory:
+Seznam použitých komponetů:
-KB program flash memory, 256 KB RAM, and FlexBus external bus interface
+  * Mikrokontrolér FRDM-K64F
-System peripherals:
+  * Servo Hitec HS-485HB
-    Multiple low-power modes, low-leakage wake-up unit, 16-channel DMA controller
+  * NTC Termistor Eclipsera 1488979094
-Clocks:
+  * Arduino modul pro měření intenzity světla BH1750
-x Internal Reference Clocks: 32KHz, 4MHz and 48MHz, 2x Crystal inputs: 3-32MHz (XTAL0) and 32kHz (XTAL32/RTC),
+  * Půdní Vlhkoměr Modul pro Arduino
-    PLL and FL
-Analog modules:
+Odkazy na stránky výrobců/prodejců:
-x 16-bit SAR ADCs up 800ksps (12-bit mode), 2x 12-bit DACs, 3x Analog comparators, Voltage reference 1.13V
-Communication interfaces:
+  *http://hitecrcd.com/products/servos/sport-servos/analog-sport-servos/hs-485hb-deluxe-hd-ball-bearing-servo/product
-x 10/100 Mbit/s Ethernet MAC controller with MII/RMII interface IEEE1588 capable, 1x USB 2.0 Full-/Low-Speed
+  *https://www.nxp.com/products/processors-and-microcontrollers/arm-based-processors-and-mcus/kinetis-cortex-m-mcus/k-seriesperformancem4/k2x-usb/freedom-development-platform-for-kinetis-k64-k63-and-k24-mcus:FRDM-K64F
-    Device/Host/OTG controller with embedded 3.3V/120mA Vreg, and USB device Crystal-less operation, 1x Controller
+  *https://arduino-shop.cz/arduino/1574-ntc-termistor-10k-1-3950-1m-vodotesna-sonda-1488979094.html
-    Area Network (CAN) module, 3x SPI modules, 3x I2C modules. Support for up to 1 Mbit/s, 6x UART modules, 1x
+  *https://arduino-shop.cz/arduino/902-arduino-mereni-intenzity-svetla-1420672425.html
-    Secure Digital Host Controller (SDHC), 1x I2S module
+  *https://arduino-shop.cz/arduino/1399-pudni-vlhkomer-modul-pro-arduino-1474354607.html
-Timers:
-x 8-channel Flex-Timers (PWM/Motor control), 2x 2-channel FlexTimers (PWM/Quad decoder), 32-bit PITs and 16
-    bit low-power timers, Real-Time Clock (RTC), Programmable delay block
-Security and integrity modules:
-    Hardware CRC and random-number generator modules, Hardware encryption supporting DES, 3DES, AES, MD5, SHA-1 and
-    SHA-256 algorithms
-Operating characteristics:
-    Voltage range: 1.71 to 3.6 V, Flash write voltage range: 1.71 to 3.6 V
 ----
@@ Řádek 48: / Řádek 63: @@
 ====== Software ======
-V hlavním souboru main.c probíha inicializace ADC převodníku, USB device audio class a audio kodeku pro přehrávání audio výstupu.
+V hlavním souboru main.cpp probíhá inicializace celého programu pomocí jednotlivých knihoven. Pro celý program byly použity veřejně dostupné knihovny mbed(Rev. 109), mbed-rtos(Rev. 95), EthernetInterface(Rev. 49) a také knihovna BH1750 dostupná na stránce https://os.mbed.com/users/vrabec/code/BH1750/ , kterou však bylo z důvodu jednoduchosti použití třeba značně modifikovat. Pro ostatní periferie byla vytvořena nová c++ knihovna Peripherals, která zahrnuje patřičnou inicializaci periferií (analogové vstupy, digitální a PWM výstupy, ...) a následně práci s nimi.
 Použité knihovny v soubotu main.c
+  * #include "mbed.h"
+  * #include "rtos.h"
+  * #include "EthernetInterface.h"
+  * #include "BH1750.h"
+  * #include "Peripherals.h"
+=== Knihovna Peripherals ===
+Zapouzdřuje do tříd veškeré vlastnosti pro snímání vlhkosti a teploty, a ovládání akčních členů (servomotorem řízené otevírání ventilace a reléově ovládané zavlažování/ventilace/topení). Skládá se z
+Peripherals.h:
+<code c>
+class Humid
+{
+public:
+    Humid(PinName AInp = A0, PinName AOut = D0);
+    uint8_t readHumidity(void);
+    void setLimit(uint8_t lim);
+    void setCurrentLimit(void);
+    uint8_t getLimit(void);
+private:
+    AnalogIn   ain;
+    DigitalOut dop;
+    uint8_t Limit;
+};
+class Temp
+{
+public:
+    Temp(PinName AInp = A1);
+    float readTemperature(void);
+    void setHighLimit(float lim);
+    void setLowLimit(float lim);
+    void setVentLimit(float lim);
+    void setCurrentHighLimit(void);
+    void setCurrentLowLimit(void);
+    void setCurrentVentLimit(void);
+    float getHighLimit(void);
+    float getLowLimit(void);
+    float getVentLimit(void);
+private:
+    AnalogIn   ain;
+    float HLimit, LLimit, VLimit;
+};
+class Vent
+{
+public:
+    Vent(PinName PWM = D9);
+    void open(uint8_t percent = 100);
+    void close(void);
+private:
+    PwmOut pwm;
+    uint8_t percentage;
+};
+class Fan
+{
+public:
+    Fan(PinName DOut = D4);
+    void Start(void);
+    void Stop(void);
+private:
+    DigitalOut fan;
+};
+class Heat
+{
+public:
+    Heat(PinName DOut = D5);
+    void Start(void);
+    void Stop(void);
+private:
+    DigitalOut heater;
+};
+class Water
+{
+public:
+    Water(PinName DOut = D6);
+    void Start(void);
+    void Stop(void);
+private:
+    DigitalOut sprinkler;
+};
+class Light
+{
+public:
+    Light(PinName DOut = D7);
+    void Start(void);
+    void Stop(void);
+private:
+    DigitalOut lighting;
+};
+</code>
+Peripherals.cpp:
+<code c>
+Humid::Humid(PinName AInp, PinName AOut):ain(AInp),dop(AOut)
+{
+    Limit = 110;
+    dop = 0;
+}
+uint8_t Humid::readHumidity(void)
+{
+    dop = 1;
+    wait_ms(10);
+    double humidity = 1-ain.read();
+    humidity = ((humidity*100)-7)*1.471;
+    uint8_t hum = humidity;
+    dop = 0;
+    return hum;
+}
+void Humid::setLimit(uint8_t lim)
+{
+    Limit = lim;
+}
+void Humid::setCurrentLimit(void)
+{
+    uint8_t humidity = readHumidity();
+    setLimit(humidity);
+}
+uint8_t Humid::getLimit(void)
+{
+    return Limit;
+}
+Temp::Temp(PinName AInp):ain(AInp)
+{
+    LLimit = -30;
+    HLimit = 125;
+    VLimit = 125;
+}
+float Temp::readTemperature(void)
+{
+    double voltage, resistance, temperature;
+    float temp;
+    int resistor = 9910;
+    int thermistor = 10000;
+    int refTemp = 25;
+    int beta = 3380;
+    voltage = (ain.read())*3.3;
+    resistance = (voltage*resistor)/(3.3-voltage);
+    temperature = (log(resistance/thermistor))/beta;
+    temperature += 1.0 / (refTemp + 273.15);
+    temperature = 1.0 / temperature;
+    temperature -= 273.15;
+    temp = temperature;
+    return temp;
+}
+void Temp::setHighLimit(float lim)
+{
+    HLimit = lim;
+}
+void Temp::setLowLimit(float lim)
+{
+    LLimit = lim;
+}
+void Temp::setVentLimit(float lim)
+{
+    LLimit = lim;
+}
+void Temp::setCurrentHighLimit(void)
+{
+    float temperature = readTemperature();
+    setHighLimit(temperature);
+}
+void Temp::setCurrentLowLimit(void)
+{
+    float temperature = readTemperature();
+    setLowLimit(temperature);
+}
+void Temp::setCurrentVentLimit(void)
+{
+    float temperature = readTemperature();
+    setVentLimit(temperature);
+}
+float Temp::getHighLimit(void)
+{
+    return HLimit;
+}
+float Temp::getLowLimit(void)
+{
+    return LLimit;
+}
+float Temp::getVentLimit(void)
+{
+    return VLimit;
+}
+Vent::Vent(PinName PWM):pwm(PWM)
+{
+    pwm.period(0.020);
+    pwm.pulsewidth(0.0009);
+    percentage = 0;
+}
+void Vent::open(uint8_t percent)
+{
+    uint16_t width = ((6 * percentage)+900);
+    while(width != (6*percent)+900)
+    {
+        if(percentage>percent)
+        {
+            width-=1;
+            pwm.pulsewidth_us(width);
+            wait_ms(10);
+        }
+        else
+        {
+            width+=1;
+            pwm.pulsewidth_us(width);
+            wait_ms(10);
+        }
+    }
+    percentage = percent;
+}
+void Vent::close(void)
+{
+    open(0);
+}
+Fan::Fan(PinName DOut):fan(DOut)
+{
+    fan = 0;
+}
+void Fan::Start(void)
+{
+    fan = 1;
+}
+void Fan::Stop(void)
+{
+    fan = 0;
+}
+.
+.
+.
+</code>
+Za zmínku stojí především třídy Humid a Temp, které nejen zapouzdřují různé proměnné a vstupy, ale také nad nimi provádějí řadu výpočtů. U třídy Humid se jedná pouze o úpravu snímaného napětí ze zesilovače a měření v pulzním režimu (z důvodu elektrolýzy na elektrodách snímače vlhkosti). Třída Temp však již provádí poměrně složité výpočty při převodu snímaného napětí z děliče (tvořen rezistorem a NTC termistorem) na hodnotu okolní teploty. Veškeré další třídy jsou v této knihovně již pouze kopie třídy Fan, které slouží k ovládání reléových výstupů, a které mají jen rozdílné názvy a výstupní piny na desce FRDM-K64F.
+=== hlavní soubor main.h ===
+Soubor main.cpp lze rozdělit do několika částí:
+  * Inicializace (zde probíhá pouze inicializace jednotlivých tříd pro příslušné periferie)
+<code c>
+#define ECHO_SERVER_PORT   23
+BH1750 light(I2C_SDA, I2C_SCL); // Senzor osvětlení
+Humid humidity;                 // Senzor vlhkosti
+Temp temperature;               // Snímač teploty
+Vent ventilation;               // Otevírání ventilace
+Fan conditioning;               // Ovládání aktivního větrání
+Heat heating;                   // Ovládání topení
+Water irrigation;               // Spouštění zavlažování
+Light illumination;             // Ovládání světel
+enum STAT                       // Proměnná pro uložení stavu celého systému
+{
+    READY = 1, SETTINGS, MANUAL, ERROR
+}sklenikstav;
+</code>
+Stav systému sklenikstav je díky třídám pouze pomocnou proměnnou pro rozhodovací stromy uživatelského rozhraní.
+  * Ovládací vlákna RTOS (zde již probíhá periodická kontrola stavu skleníku, a příslušné reakce periferií)
+<code c>
+void watering_thread(void)
+{
+    while(true)
+    {
+        uint8_t hum = humidity.readHumidity();
+        float avghum = 0;
+        if(hum < humidity.getLimit())
+        {
+            for(int i=0; i<6; i++)
+            {
+                avghum += humidity.readHumidity();
+            }
+            avghum /= 6;
+            if(avghum < humidity.getLimit())
+            {
+                irrigation.Start();
+                Thread::wait(180000);
+                irrigation.Stop();
+            }
+            avghum = 0;
+        }
+        Thread::wait(900000);
+    }
+}
-  * #include "stm32f4xx_hal.h"
+void venting_thread()
-  * #include "usb_device.h"
+{
-  * #include "stm32f4xx_hal_adc.h"
+    while(true)
-  * #include "cs43l22.h"
+    {
-  * #include "stm32f4_discovery_audio.h"
+        uint8_t temp = temperature.readTemperature();
+        float avgtemp = 0;
+        if(temp > temperature.getVentLimit())
+        {
+            for(int i=0; i<6; i++)
+            {
+                avgtemp += temperature.readTemperature();
+            }
+            avgtemp /= 6;
+            if(avgtemp > temperature.getVentLimit())
+            {
+                ventilation.open();
+                conditioning.Start();
+                heating.Stop();
+            }
+            avgtemp = 0;
+        }
+        else if(temp > temperature.getHighLimit())
+        {
+            for(int i=0; i<6; i++)
+            {
+                avgtemp += temperature.readTemperature();
+            }
+            avgtemp /= 6;
+            if(avgtemp > temperature.getHighLimit())
+            {
+                ventilation.open();
+                conditioning.Stop();
+                heating.Stop();
+            }
+            avgtemp = 0;
+        }
+        else if(temp < temperature.getLowLimit())
+        {
+            for(int i=0; i<6; i++)
+            {
+                avgtemp += temperature.readTemperature();
+            }
+            avgtemp /= 6;
+            if(avgtemp < temperature.getLowLimit())
+            {
+                ventilation.close();
+                conditioning.Stop();
+                heating.Start();
+            }
+            avgtemp = 0;
+        }
+        else
+        {
+            ventilation.close();
+            conditioning.Stop();
+            heating.Stop();
+        }
+        Thread::wait(100000);
+    }
+}
+void lighting_thread()
+{
+    uint16_t lx[6];
+    for(int i=0; i<6; i++)
+    {
+        lx[i] = light.singleMeas();
+    }
+    while(true)
+    {
+        uint16_t avglx = 0;
+        for(int i=0; i<5; i++)
+        {
+            lx[i] = lx[i+1];
+        }
+        lx[5] = light.singleMeas();
+        for(int i=0; i<6; i++)
+        {
+            avglx += lx[i];
+        }
+        avglx /= 6;
+        if(avglx<light.getLimit())
+        {
+            illumination.Start();
+        }
+        else
+        {
+            illumination.Stop();
+        }
+        Thread::wait(300000);
+    }
+}
+</code>
+Tato vlákna mají zajišťovat plnou automatičnost skleníku po jeho prvotním nastavení. Bohužel se díky problémům s různými verzemi systému MBED a jeho knihoven nepodařilo (díky nedostatku času) najednou zprovoznit vlákna a ovládání skleníku přes ethernetové rozhraní. Ačkoliv RTOS sám o sobě funguje, nebylo by možné nastavovat skleník on-line, čímž bychom přišli o jakoukoliv možnost okamžitého zásahu, a zároveň by nebyla splněna nejdůležitější část zadání.
-    assert_param(IS_ADC_CHANNEL(sConfig->ADC_CHANNEL_1));
+  * Funkce rozhodovacího stromu pro Ethernetové rozhraní skleníku (přímé ovládání)
-    hadc->Instance->SMPR2 &= ~ADC_SMPR2(ADC_SMPR2_SMP0, sConfig->Channel);
+<code c>
-    hadc->Instance->SMPR2 |= ADC_SMPR2(sConfig->SamplingTime, sConfig->Channel);
+int evaluate(char *str)
-    void ADC_Init(hadc);
+{
-    cs43l22_Init(29, OUTPUT_DEVICE_SPEAKER, 60, AUDIO_FREQUENCY_48K);
+    switch(sklenikstav)
+    {
+        case READY:
+            if (strcmp(str, "help") == 0)
+            {
+                return 1;
+            }
+            else if (strcmp(str, "stav") == 0)
+            {
+                return 2;
+            }
+            else if (strcmp(str, "set") == 0)
+            {
+            .
+            .
+            .
+int main(void)
+{
+   .
+   .
+   .
+            int x = evaluate(message);
+            if(sklenikstav == READY)
+            {
+                if (x == 0)
+                {
+                    client.send_all("Neplatny prikaz!\r\n", 18);
+                    client.send_all(commandwait, sizeof(commandwait));
+                }
+                else if (x == 1)
+                {
+                    char helpmsg[] = "stav\t\t-Zobrazeni aktualnich informaci\r\nset\t\t-Nastaveni skleniku\r\nman\t\t-Ovladani skleniku\r\nexit/quit\t-Konec\r\n";
+                    client.send_all(helpmsg, sizeof(helpmsg));
+                    client.send_all(commandwait, sizeof(commandwait));
+                    number = 0;
+   .
+   .
+   .
+}
+</code>
+Jak lze vidět, jedna z těchto funkcí se nachází ve funkci main, a druhá je pouze jako pomoc při určování obdržených řetězců. V závislosti na obdrženém textu pak tyto funkce přepínají jak stavy systému (pouze pro potřeby komunikace s uživatelem), tak výstupy mikrokontroléru. Tyto funkce jsou obdobou absolvovaného cvičení č.5, pouze značně složitější, a proto je tu nebudu uvádět celé. Uvedu pouze stavy systému a jejich akceptované příkazy.
+=== Celý kód ===
-Nejprve je inicializován AD převodník a přiřazeným kanálem číslo jedna, který odpovídá převodníku ADC1. Na tento převodník je přivedeno napětí z potenciometru, který ovládá Volume přehrávání audio výstupu. Následně jsou přiřazeny patřičné parametry a vzorkovací frekvence.
+https://os.mbed.com/users/civava/code/sklenik-2017/
-Dále je inicializován audio kodek, kde je přižen výstupní pin na Jack 3.5 mm, zvolen typ výstupního zařízení, počáteční hlasitost v procentech a vrozkovací frekvence na 48 kHz. Stejná je vzorkovací frekvence AD převodníku a rychlost přenosu po USB.

Individální projekty MPOA

Uživatelské nástroje

Nástroje pro tento web

Rozdíly

Nástroje pro stránku