WallDimmer уређај са проширеним корисничким сучељем и могућношћу бежичног ажурирања апликације

Transcription

1 УНИВЕРЗИТЕТ У НОВОМ САДУ ФАКУЛТЕТ ТЕХНИЧКИХ НАУКА У НОВОМ САДУ Сташа Секулић WallDimmer уређај са проширеним корисничким сучељем и могућношћу бежичног ажурирања апликације ДИПЛОМСКИ РАД Основне академске студије Нови Сад, 2018

2 УНИВЕРЗИТЕТ У НОВОМ САДУ ФАКУЛТЕТ ТЕХНИЧКИХ НАУКА НОВИ САД, Трг Доситеја Обрадовића 6 КЉУЧНА ДОКУМЕНТАЦИЈСКА ИНФОРМАЦИЈА Редни број, РБР: Идентификациони број, ИБР: Тип документације, ТД: Тип записа, ТЗ: Врста рада, ВР: Аутор, АУ: Ментор, МН: Наслов рада, НР: Монографска документација Текстуални штампани материјал Завршни (Дипломски) рад Сташа Секулић Др. Иштван Пап, професор WallDimmer уређај са проширеним корисничким сучељем и могућношћу бежичног ажурирања апликације Језик публикације, ЈП: Језик извода, ЈИ: Земља публиковања, ЗП: Уже географско подручје, УГП: Српски / латиница Српски Година, ГО: 2018 Издавач, ИЗ: Република Србија Војводина Ауторски репринт Место и адреса, МА: Нови Сад; трг Доситеја Обрадовића 6 Физички опис рада, ФО: (поглавља/страна/ цитата/табела/слика/графика/прилога) Надоградња постојеће физичке архитектуре и проширење програмске подршке Научна област, НО: Научна дисциплина, НД: Предметна одредница/кључне речи, ПО: Електротехника и рачунарство Рачунарска техника Паметна кућа, Обло УДК Чува се, ЧУ: У библиотеци Факултета техничких наука, Нови Сад Важна напомена, ВН: Извод, ИЗ: Пoстojeћи урeђaj Wall Dimmer прoширитисa joш jeдним тaстeрoм и светлосном индикaциjoм те дa сe урeђajу oмoгући OTA функциoнaлнoст (aжурирaњe aпликaциje урeђaja нa дaљину). Датум прихватања теме, ДП: Датум одбране, ДО: Чланови комисије, КО: Председник: Др. Небојша Пјевалица, професор Члан: Др. Миодраг Ђукић, доцент Потпис ментора Члан, ментор: Др. Иштван Пап, професор

3 UNIVERSITY OF NOVI SAD FACULTY OF TECHNICAL SCIENCES NOVI SAD, Trg Dositeja Obradovića 6 KEY WORDS DOCUMENTATION Accession number, ANO: Identification number, INO: Document type, DT: Type of record, TR: Contents code, CC: Author, AU: Mentor, MN: Title, TI: Monographic publication Textual printed material Bachelor Thesis Staša Sekulić Dr Ištvan Pap, professor Wall dimer device with an expanded user interface and the option of wireless application update Language of text, LT: Language of abstract, LA: Country of publication, CP: Locality of publication, LP: Serbian Serbian Republic of Serbia Vojvodina Publication year, PY: 2018 Publisher, PB: Author s reprint Publication place, PP: Novi Sad, Dositeja Obradovica sq. 6 Physical description, PD: (chapters/pages/ref./tables/pictures/graphs/appendixes) Scientific field, SF: Scientific discipline, SD: Subject/Key words, S/KW: UC Hardware expansion and software upgrade Electrical Engineering Computer Engineering, Engineering of Computer Based Systems Smart House Holding data, HD: The Library of Faculty of Technical Sciences, Novi Sad, Serbia Note, N: Abstract, AB: Wall dimmer device is to be expanded with one more button and light indication, furthermore the device will be upgraded with the possiblity of OTA (upgrading the device s firmware wirelessly). Accepted by the Scientific Board on, ASB: Defended on, DE: Defended Board, DB: President: Dr. Nebojša Pjevalica, professor Member: Dr. Miodrag Đukić, assistant professor Menthor's sign Member, Mentor: Dr. Ištvan Pap, professor

4 Zahvalnost Zahvaljujem se mentoru dr Ištvanu Papu na pruţenoj prilici kao i na pomoći prilikom izrade ovog rada. Dugujem veliku zahvalnost i Aleksandru Ţivkoviću i mnogim drugim kolegama zbog pruţenih saveta i sveobuhvatne podrške tokom izrade rada. Srdačno se zahvaljujem i svojim roditeljima na beskrajnoj podršci i pomoći tokom studiranja. I

5 SADRŽAJ 1. Uvod Teorijske osnove Zidni dimer CC2530 integrisano kolo ZigBee beţična komunikacija Arhitektura ZigBee protokola ZigBee biblioteka grupa OTA mehanizam za aţuriranje programske podrške Bootloader (Pokretač operativnog sistema) Koncept rešenja Programsko rešenje Podela funkcije za upravljanjem svetlom i uzastopnim pritiscima Rešenje problema blokirajuće funkcije svetlosne indikacije Proširivanje celokupne programske podrške za nadogradnju beţično Testiranje Zaključak Literatura II

6 SPISAK SLIKA Slika 2.1 Zidni dimer... 3 Slika 2.2 Blok šema integrisanog kola CC Slika 2.3 Primer mreţaste topologije... 6 Slika 2.4 ZigBee protokol stek... 7 Slika 2.5 Primer OTA postupka... 9 Slika 2.6 Pokretač operativnog sistema Slika 4.1 Dijagram rada stare verzije zidnog dimera Slika 4.2 Dijagram rada nove verzije zidnog dimera Slika 5.1 Grafičko korisničko okruţenje OTA server alata Slika 5.2 RS-232 priključak na SmartRF05 EB razvojnoj ploči sa prikačenim serijskim kabelom Slika 5.3 SmartRF05 EB razvojna ploča sa CC2530 integrisanim kolom Slika 5.4 Test okruţenje sa jednom SmartRF05 EB pločom i dva dimera III

7 SPISAK TABELA Tabela 3.1 Mogućnosti stare verzije zidnog dimera Tabela 3.2 Sposobnosti nove verzije zidnog dimera Tabela 4.1 Funkcije za upravljanje zidnim dimerom Tabela 4.2 Funkcija naizmeničnog treptanja LED diode Tabela 5.1 Vremena nadogradnje operativnog sistema i uspešnost nadogradnje Tabela 5.2 Testiranje primarnih tastera Tabela 5.3 Testiranje sekundarnog tastera IV

8 SKRAĆENICE FPGA CPU GND OTA LED CFL IEEE RF DSSS PAN ZCL SoC RF AES M2M CRC MAC SAP ZDO APS CSMA/CA - Field Programming Gate Array -Central Processor Unit -Oznaka za signal na nultom potencijalue -Over the Air -Light Emission Diodes -Compact Fluorescent Lamp -Institute of Electronics and Electronics Engineers -Radio Frequency -Direct Sequence Spread Spectrum -Personal Area Network -Zigbee Cluster Library -System on Chip -Radio Frequency -Advanced Encryption Standard -Machine to machine -Cyclic Rendundancy Check -Media Access Control -Service Access Point -ZigBee Device Object -Application Support Sublayer -Carrier Sense Multiple Access with Collission Avoidance V

9 1. Uvod Ovaj rad predstavlja jedan od načina za proširenje postojeće izvedbe zidnog dimera, u vidu promene programske podrške i fizičke arhitekture. Proširenje fizičke arhitekture sa jednog na dva prekidača zahteva nadogradnju programske prodrške. Ovaj rad će se baviti proširenjem postojećih funkcija programske podrške, kao i dodavanjem novih funkcija koje su postale neophodne zbog promena na fizičkoj arhitekturi. Osnovna funkcionalnost zidnog dimera je upravljanje radom sijalice, pri čemu pojam dimovanja predstavlja promenu jačine svetla. Postojeća konfiguracija zidnog dimera predviďala je upotrebu samo jednog prekidača pa je izazov predstavljalo osposobljavanje drugog prekidača i dodavanje novih korisničkih mogućnosti koje su implementovane u ovom radu. Pojednostavljenje rada zidnog dimera ogleda se u preciznijoj kontroli jačine svetla za koju su morale biti napisane dodatne funkcije u programskoj podršci što je i tema ovog rada. Pojam pojednostavljenje je za korisnika veoma relativan, ali je u ovom radu pokazana fleksibinost zidnog dimera, kao i mogućnost izmene u odnosu na zahteve i potrebe klijenta. Rad se sastoji od sedam poglavlja. U drugom poglavlju su opisani teorijski pojmovi i koncepti na kojima se ovaj rad zasniva. U trećem poglavlju predstavljen je koncept rešenja. Četvrto poglavlјe detaljno opisuje programsko rešenje. U petom poglavlju dat je opis postupka ispitivanja kao i postignuti rezultati. Šesto poglavlјe sadrţi zaključak, u kome je saţeto sve što je uraďeno u okviru rada. Poslednje, sedmo poglavlјe sadrţi spisak literature korišćene u realizaciji rada. 1

10 2. Teorijske osnove Teorijske osnove daju kratak pregled fizičke arhitekture, programske podrške i protokola na koje se rešenje oslanja. Zidni dimer je prvi opisan sa akcentom na njegovu funkcionalnost a zatim je opisana i fizička arhitektura integrisanog kola CC2530 na kojoj se izvršava programska podrška zidnog dimera. U poslednjem delu opisan je ZigBee protokol, dat je opis osnovnog načina funkcionisanja protokola i njegove funkcionalnosti, pre svega OTA (eng. Over The Air) funkcionalnosti. 2.1 Zidni dimer Zidni dimer je pre svega ureďaj koji sluţi za regulaciju jačine osvetljaja sijalice, u ovom slučaju predviďen da bude ugraďen na zid poput običnog prekidača. Pametni Dimer je beţično kontrolisani regulator svetlosti koji moţe raditi samostalno ili kao deo kućnog sistema automatizacije. UreĎaj je usklaďen sa ZigBee standardom za kućnu automatizaciju verzije 1.2 (ZHA) i garantovano je da funkcioniše sa bilo kojim sistemom usklaďenim sa ZHA 1.2. Pametni dimer podrţava LED (engl. Light Emission Diodes) diode, klasične sijalice sa uţarenim vlaknom i CFL (engl. Compact Fluorescent Lamp) sijalice. UreĎaj ima dva reţima rada: 1. Prekidački reţim rada koji samo isključuje i uključuje svetlo. 2. Dimerski reţim rada koji podešava jačinu osvetljaja sijalice. Trenutno rešenje je realizovano sa jednim tasterom za regulaciju jačine osvetljaja sijalice i drugim tasterom za podešavanje reţima rada i dve LED diode. Algoritam tastera za promenu rada nije menjan, ostao je identičan kao i prethodna realizacija da bi se odrţala konzistentnost sa drugim ureďajima u automatskim kućama. Taster za regulaciju svetla je proširen, tačnije 2

11 podeljen na dva tastera, što uvodi promene u algoritmu realizacije programske podrške, kao što je prikazano na slici 2.1. Slika 2.1 Zidni dimer Programska podrška zidnog dimera je realizovana na CC2530 integrisanom kolu, koje je detaljnije opisano u sledećem poglavlju. Programski jezik C korišćen je prilikom realizacije ovog rada, u IAR Workbench programskom okruţenju jer je postojeća programska podrška razvijena na ovaj način. 2.2 CC2530 integrisano kolo CC2530 je pravo rešenje za IEEE , ZigBee i RF4CE aplikacije koje koristi sistem integrisanog kola (engl. System on Chip - SoC). On omogućava da robusni mreţni čvorovi budu napravljeni sa niskom cenom materijala. CC2530 kombinuje izuzetna svojstva vodećeg RF (engl. Radio Frequency) primopredajnika sa pojačanom programabilnom fleš memorijom industrijskog kvaliteta 8051 MCU sa 8-KB RAM. CC2530 ima brojne reţime rada što ga čini veoma pogodnim za sisteme gde se zahteva izuzetno niska potrošnja energije. Kratko vreme prelaza izmeďu reţima rada dalje osigurava smanjenu potrošnju energije. U zidni dimer je ugraďeno CC2530 integrisano kolo. 3

12 Slika 2.2 Blok šema integrisanog kola CC ZigBee bežična komunikacija ZigBee je beţična tehnologija razvijena kao otvoreni globalni standard koji treba da odgovori na jedinstvene zahteve niske cene i male potrošnje energije beţičnih M2M (engl. Machine to machine) mreţa. ZigBee je baziran na IEEE standardu personalnih računarskih mreţa (engl. PAN Personal Area Network), a radi u nelicenciranim opsezima uključujući 2.4GHz, 900 MHz i 868 MHz standard, na kom radi ZigBee, ratifikovan je godine od strane IEEE (engl. Institute of Electronics and Electronics Engineers). Standard 4

13 predstavlja radio protokol namenjen jeftinim ureďajima, napajanim pomoću baterija. UreĎaji mogu da komuniciraju u različitim topologijama mreţe, a vek trajanja baterije moţe biti i po nekoliko godina. ZigBee protokol su stvorile i ratifikovale kompanije, članice ZigBee alijanse (ZigBee Alliance). Preko 300 kompanija, vodećih u svetu informacionih tehnologija čini članstvo u ZigBee alijansi. ZigBee protokol je dizajniran da na jednostavan način obezbedi beţični prenos podataka, koji odlikuje bezbedna i pouzdana arhitektura. Protokol je konstruisan tako da komunicira kroz neprijateljska RF okruţenja koja su uobičajena u komercijalnim i industrijskim aplikacijama. ZigBee karakteriše i: Podrška za višestruke topologije mreţa kao što su tačka-tačka, tačka-više tačaka i mreţaste mreţe; Nizak radni ciklus obezbeďuje dug vek baterije; Malo kašnjenje; DSSS (engl. Direct Sequence Spread Spectrum); Do čvorova na mreţi; 128-bitno AES šifrovanje, za bezbedan prenos podataka; Izbegavanje sudara. Ključna komponenta ZigBee protokola je mogućnost podrţavanja mreţaste topologije (slika 2.3). U mreţastoj topologiji, čvorovi su povezani sa drugim čvorovima, tako da višestruki putevi povezuju svaki čvor. Veza izmeďu čvorova se dinamički aţurira i optimizuje preko sofisticirane ugraďene mreţaste tabele za rutiranje. Mreţaste mreţe su decentralizovane. Svaki čvor je u stanju da samostalno istraţuje mreţu. TakoĎe, kada čvor napusti mreţu, mreţasta topologija omogućava čvorovima da rekonfigurišu putanje rutiranja na osnovu nove strukture mreţe. Karakteristike mreţaste topologije i ad hoc rutiranje obezbeďuju veću stabilnost prilikom promene uslova ili pojave odreďenih problema na pojedinim čvorovima. Postoje tri različita tipa ZigBee ureďaja: ZigBee koordinator (engl. coordinator) najsposobniji ureďaj, koordinator predstavlja koren stabla mreţe i ureďaj koji sluţi za spajanje sa drugim mreţama. Svaka mreţa ima samo jedan koordinator. On je u stanju da skladišti informacije o mreţi; ZigBee ruter (engl. router); 5

14 ZigBee krajnji ureďaj (engl. end device) sadrţi upravo onoliko funkcija koliko mu je dovoljno da komunicira sa matičnim čvorom (bilo koordinatorom ili ruterom). On omogućava da čvor spava i na taj način štedi bateriju. Zahteva najmanju količinu energije i stoga je i jeftiniji od koordinatora i rutera. ZigBee omogućava široku primenu beţičnih mreţa sa niskom cenom i malom potrošnjom energije. Pomoću jeftinih baterija pruţa mogućnost za nadgledanje i upravljanje aplikacijama koje moţe trajati godinama. Upravljanje osvetljenjem, sistemima automatizacije u zgradama, praćenje stanja u rezervoarima, medicinski ureďaji, i sl. su samo neka od mnogih mesta gde ZigBee postiţe značajan uspeh. Slika 2.3 Primer mreţaste topologije Arhitektura ZigBee protokola ZigBee specifikacijom definisani su slojevi arhitektura protokola iznad fizičkog sloja i MAC (engl. Medium Access Control) podsloja. 6

15 Slika 2.4 ZigBee protokol stek Svaki sloj pruţa odreďene usluge sloju iznad sebe. Komunikacija izmeďu slojeva se realizuje preko pristupne tačke (engl. Service Access Point - SAP ). Stek definiše 4 sloja: Aplikacioni sloj (APL) Mreţni sloj (NWK) Podsloj za pristup mreţi Fizički sloj Aplikativni sloj se takoďe sastoji iz nekoliko slojeva u okviru koga se definišu korisničke aplikacije. Aplikativni sloj se sastoji od : Aplikacionog okvira (engl. Application Framework) unutar koga se definišu korisničke aplikacije ZigBee objekta (engl. ZigBee Device Object - ZDO) koji sadrţi informacije o samom ureďaju Aplikacionog podsloja za podršku (engl. Application Support Sublayer - APS) na ovaj sloj se oslanjaju prethodna dva sloja i ovaj sloj im nudi aplikacionu podršku sličnu TCP u TCP/IP mreţama Sigurnosnog sloja koji pruţa aplikacionom i mreţnom sloju mehanizme šifrovanja. Mreţni sloj brine o adresiranjima i usmeravanju poruka. Ovaj sloj ima ulogu u pokretanju mreţnog koordinatora koji vodi računa o mreţi. Mreţni sloj dodeljuje mreţne adrese, zatim dodaje i uklanja ureďaje u mreţi. On takoďe otkriva putanje i prosleďuje poruke koje odrţavaju iste. Ovaj sloj se bavi i primenom sigurnosnih mehanizama. Sloj pristupa medijumu predstavlja spregu izmeďu fizičkog i mreţnog sloja. On je odgovoran za pruţanje pouzdane komunikacije izmeďu ureďaja u mreţi koristeći CSMA/CA (engl. Carrier Sense Multiple Access With Collission Avoidance) protokol. Uz ovo on formira ramove koji se šalju na fizički nivo i dekomponuje ramove koji su stigli sa njega. Fizički sloj ZigBee steka ima mogućnost slanja poruka kroz tri frekvencijska opsega. 7

16 Frekvencijski opsezi su: 868MHz (Evropa) 915MHz (SAD) 2.4GHz (univerzalna frekvencija) Opsezi imaju različite brzine prenosa podataka: 20, 40 i 250 KBPS ZigBee biblioteka grupa ZigBee biblioteka grupa (eng. Zigbee Cluster Library ZCL) je definisana od strane ZigBee alijanse da bi se ubrzao razvoj i standardizacija javnih profila. ProizvoĎačima je omogućeno da brzo izgrade ZigBee proizvode sa doslednošću i kompatibilnošću. ZigBee biblioteka grupa obuhvata velik broj standardnih grupa koje se mogu primeniti na različite funkcionalne oblasti i omogućavaju zajednička sredstva aplikacijama da bi mogle meďusobno komunicirati. Pored velikog broja standardnih grupa postoje i grupe koje nisu zvanično deo ZigBee biblioteke grupa OTA mehanizam za ažuriranje programske podrške Jedna od tih grupa je i OTA (engl. Over The Air) koja ima generalnu primenu u promeni postojeće programske podrške. Ova grupa ne pripada zvaničnoj biblioteci, kao što je ranije navedeno, ali se moţe uključiti zajedno sa standardnim grupama da bi se izvršila nadogradnja postojećih izvedbi programske podrške. OTA grupa se ponaša kao posluţilac na čvoru koji raspodeljuje programske podrške i kao klijent na čvoru koji aţurira postojeću programsku podršku. Posluţilac koji raspodeljuje prima programsku podršku van mreţe i nakon toga je raspodeljuje. Raspodela se vrši u odreďenim koracima prikazanim na slici 2.4. OTA postupak započinje tako što posluţilac šalje poruku Image Notify (srp. obaveštenje o slici) uskopojasno jednom ureďaju ili širokopojasno ka više ureďaja da obavesti da postoji nova slika. Zatim posluţilac odluči da li da aţurira trenutnu sistemsku programsku podršku potraţioca na osnovu informacija sadrţanih u Query Next Image Request (srp. zahtev upita sledeće slike) poruci poslatoj od strane potraţioca. Nakon ovoga, šalje se Query Next Image Response (srp. odgovor upita sledeće slike) poruka da obavesti potraţioca da li je dostupna nova verzija sistemske programske podrške, odnosno da li će početi preuzimanje.tokom preuzimanja šalju se se poruke Image Block Request (srp. zahtev odlomka slike) i Image Block Response (srp. odgovor odlomka slike) koje sadrţe odlomak, slike se razmenjuju izmeďu opsluţioca i potraţioca. Potraţilac primljene blokove upisuje u sekundarno skladište koje moţe biti unutrašnje ili spoljašnje. Na kraju kad potraţilac primi celu sliku posluţiocu se šalje poruka Upgrade End Request (srp. krajnji zahtev nadogradnje). Kao odgovor, posluţilac šalje nazad poruku Upgrade End 8

17 Response (srp. krajnji odgovor nadogradnje) kojom obaveštava potraţioca kad da počne prelaz na novu sistemsku programsku podršku. Slika 2.5 Primer OTA postupka 2.4 Bootloader (Pokretač operativnog sistema) Pokretač operativnog sistema je deo koda koji se pokreće pre samog operativnog sistema. Pokretači se koriste da bi podigli druge operativne sisteme i sadrţe komande za odabir upravljačkog sistema. U slučaju zidnog prekidača, pokretač operativnog sistema pokreće postojeći sistem i proverava da li postoji novija verzija sistema u spoljašnjem skladištu. Ukoliko postoji, pokretač nalepljuje sliku novog sistema koja je poslata beţičnim putem što je objašnjeno u prethodnom poglavlju. Učitavač pomera adresu početka operativnog sistema, odnosno sa adrese 0x0000 na 0x0800 da bi se oslobodio prostor za sam pokretač što je prikazano na slici

18 Slika 2.6 Pokretač operativnog sistema Pokretač operativnog sistema pre nego što izvrši zamenu nove i stare verzije operativnog sistema mora da pokrene CRC algoritam (engl. Cyclic Rendundancy Check) koji ima svoju primenu u detekciji greške prilikom promena na podacima. Nakon što se uspešno izvrši provera, stara verzija se zamenjuje novom verzijom operativnog sistema. 10

19 3. Koncept rešenja Rešenje se sastoji od proširivanja postojećeg zidnog dimera. Cilj je da se za postojeću fizičku arhitekturu koja je proširena još jednim korisničkim tasterom i svetlosnom indikacijom realizuje nova programska podrška koja će upravljati nadogradnjama i da se omogući beţična nadogradnja postojeće upravljačke programske podrške. Nadogradnja se vrši po ugledu na prethodnu izvedbu zidnog dimera, odnosno ne narušava prethodne funkcionalnosti nego ih samo nadograďuje i pojednostavljuje. Drugim rečima, prethodne programske izvedbe upravljanja pritiskom na taster su u ovom slučaju samo razdeljene, pa se samim tim pojednostavila programska izvedba. Po istom principu ni logika nameštanja svetlosne indikacije nije značajno menjana, nego je samo proširena za broj kombinacija koji se dobio dodavanjem još dva svetlosna indikatora. Kod proširivanja za beţičnu nadogradnju programske podrške ipak se moralo ići korak po korak, jer nije postojala prethodna izvedba. Kad se sve sumira, koraci u implementaciji rešenja bi bili sledeći : 1. Podela funkcije za upravljanje svetlom i uzastopnim pritiscima 2. Proširivanje broja kombinacija svetlosne indikacije 3. Proširivanje celokupne programske podrške za nadogradnju beţično 4. Testiranje nove programske podrške Svaki od ovih koraka će biti opisan i detaljnije objašnjen u sledećim poglavljima. Prethodno rešenje fizičke arhitekture zidnog prekidača se sastojalo iz dva tastera: primarnog za upravljanje svetlom i sekundarnog za upravljanje reţimom rada. Na tabeli 3.1 prikazane su sve mogućnosti oba tastera onako kako ih je proizvoďač zamislio. 11

20 Taster Rad tastera Funkcija tastera LED Indikacija 1x kratak pritisak Uključivanje/Isključivanje Primarno 2x kratak pritisak Postavljanje jačine osvetljaja na maksimum (u dimer reţimu) Podešavanje jačine osvetljaja (u dimer Dug pritisak (duţe reţimu) od 2 sekunde) Uključivanje/Isključivanje (u prekidačkom reţimu) 1x kratak pritisak Otvaranje ZigBee mreţe Treptaj zelena Pristupanje mreţnom prolazu Treptaj crvena 2x kratak pritisak Uparivanje kao inicijator Treptaj zelena 3x kratak pritisak Uparivanje kao meta Treptaj narandţasta Sekundarno Dug pritisak (pribliţno 5 sekundi) Stvaranje sopstvene ZigBee mreţe Treptaj zelene i crvene naizmenično 10x kratak pritisak Vraćanje na fabrička podešavanja Crvena 15x kratak pritisak Promena reţima rada iz prekidača u dimer Promena reţima rada iz dimera u prekidač 4x treptaj narandţasta 4x treptaj crvena Tabela 3.1 Mogućnosti stare verzije zidnog dimera Ideja novog rešenja se zasniva na usavršavanju fizičke arhitekture i programske podrške. Fizička arhitektura prekidača je usavršena dodavanjem još jednog tastera i dve LED diode za svetlosnu indikaciju. Neizbeţne razlike u programskoj podršci su objašnjene u poglavlju Programsko rešenje. Inovacije u fizičkoj arhitekturi prekidača prikazane su na tabeli

21 Taster Rad tastera Funkcija tastera LED Indikacija 1x kratak pritisak Uključivanje Gornji primarni 2x kratak pritisak Postavljanje jačine osvetljaja na maksimum (u dimer reţimu) Dug pritisak (duţe Podešavanje jačine osvetljaja (u dimer od 2 sekunde) reţimu) 1x kratak pritisak Isključivanje Donji primarni 2x kratak pritisak Dug pritisak (duţe Postavljanje jačine osvetljaja na minimum (u dimer reţimu) Podešavanje jačine osvetljaja (u dimer od 2 sekunde) reţimu) 1x kratak pritisak Otvaranje ZigBee mreţe Pristupanje mreţnom prolazu Treptaj zelena Treptaj crvena 2x kratak pritisak Uparivanje kao inicijator Treptaj zelena 3x kratak pritisak Uparivanje kao meta Treptaj narandţasta Sekundarni Dug pritisak (pribliţno 5 sekundi) Stvaranje sopstvene ZigBee mreţe Treptaj zelene i crvene naizmenično 10x kratak pritisak Vraćanje na fabrička podešavanja Crvena 15x kratak pritisak Promena reţima rada iz prekidača u dimer Promena reţima rada iz dimera u prekidač 4x treptaj narandţasta 4x treptaj crvena Tabela 3.2 Sposobnosti nove verzije zidnog dimera 13

22 4. Programsko rešenje U ovom poglavlju je detaljno objašnjeno rešenje, odnosno postupak podele prethodne upravljačke funkcije za kontrolu jačine osvetljaja sijalice. Opisan je i postupak nadogradnje postojećeg rešenja za mogućnost beţične nadogradnje (OTA). Mogućnosti zidnog prekidača prikazane su na slici 4.1. Slika pokazuje prethodno rešenje programske podrške koja odgovara nepromenjenoj fizičkoj arhitekturi prekidača. Primarni taster kontroliše jačinu osvetljaja sijalice koristeći duţinu pritiska kao potenciometar. Na slici je takoďe prikazana inverzija smera u slučaju ponovnog dugog pritiska. Kratkim pritiscima svetlo se isključuje i uključuje dok dva uzastopna kratka pritiska postavljaju jačinu osvetljaja sijalice na maksimum. Slika 4.1 Dijagram rada stare verzije zidnog dimera 14

23 4.1 Podela funkcije za upravljanjem svetlom i uzastopnim pritiscima Promenjena fizička arhitektura uslovljava promene u programskoj podršci što je objašnjeno u nastavku poglavlja. Slika 4.2 prikazuje novo rešenje programske podrške. Slika 4.2 Dijagram rada nove verzije zidnog dimera Nova funkcija izbegava pamćenje smera tako što funkciju deli na dve pojedinačne funkcije koje regulišu jačinu osvetljaja respektivno. Deljenje na dve funkcije dalje doprinosi pojednostavljenju podešavanja i preglednosti programskog koda. Dodata je funkcija WD_ProccesMainKeyPressUp koja se nalazi u sloju aplikacije, a koja se poziva na fizički pritisak gornjeg tastera čime je omogućena funkcionalnost novog tastera. Za donji taster dodata je funkcija WD_ProccessMainKeyPressDown u sloju aplikacije koja se poziva fizičkim pritiskom donjeg tastera i predstavlja rešenje za taj taster. Prethodne funkcije ubačene su kao odgovor na promenjenu fizičku arhitekturu. Ovim rešenjem izbegnuta je inverzija smera (eng. toggle) što pojednostavljuje programsku podršku. Funkcijama za pritisak gornjeg i pritisak donjeg tastera se prosledjuje parametar presslength, pomoću kojeg funkcije mogu da saznaju da li je registrovan kratak ili dugačak pritisak. Ukoliko se bilo koji od tastera drţi duţe od jedne sekunde, pritisak se registruje kao dugačak i parametar presslength se postavlja na vrednost indikatora stanja za dugačak pritisak. U suprotnom slučaju se postavlja na vrednost za kratak pritisak. Zbog mogućnosti dimovanja, osim indikatora stanja za kratak i dugačak pritisak, postoji i indikator za prestanak dugog pritiska (puštanje tastera nakon dugog pritiska) da bi dimer znao da treba da zaustavi dimovanje bilo to ka jačem osvetljaju sijalice ili manjem. 15

24 Nova fizička arhitektura je dozvolila proširenje mogućnosti prilikom dva uzastopna kratka pritiska. Ukoliko unutrašnji merač vremena ne registruje pritisak duţi od 1000 milisekundi, prepoznaje stisak kao kratak. Vremenski interval od 500 milisekundi za pojedinačni stisak tastera ostavlja prostora za buduća proširenja programske podrške za više od dva uzastopna pritiska. Ukoliko se taster pritisne kratko, merač vremena ostavlja 500 milisekundi za sledeći pritisak, ukoliko se desi pritisak, brojač se resetuje i čeka ponovo sledeći pritisak. Nakon svakog kratkog pritiska lokalna promenljiva se povećava i nakon sto meraču vremena istekne vreme predviďeno za čekanje sledećeg pritiska, poziva se funkcija koja na osnovu broja pritisaka upravlja jačinom osvetljaja sijalice. Radi bolje preglednosti koda i funkcionalnosti, postoje indikatori stanja za minimalan i maksimalan broj kratkih pritisaka. Ukoliko lokalna promenljiva ne zadovolji ni jedan od dva postavljena uslova, odnosno ne poklopi se ni sa jednim od dva indikatora stanje sijalice će ostati nepromenjeno. Funkcija uzastopnih pritisaka prethodnog rešenja takoďe je podeljena na dve funkcije da bi se dobila opcija duplog pritiska za oba tastera, jer problem sa jednom funkcijom je bilo odreďivanje koji je taster pritisnut, gornji ili donji, meďutim podelom na dve je kod dobio na preglednosti. U samom programskom rešenju te dve funkcije su dodate pod sledećim imenima kao WD_ProccessMainSWConsecutivePressUp i WD_ProccessMainSWConsecutivePressDown. Ove dve funkcije smeštene su u nivo aplikacije, a pozivaju ih funkcije koje očitavaju fizički pritisak. Podešavanje jačine osvetljaja na maksimum postiţe se putem dva kratka pritiska gornjeg tastera, a minimalna jačina osvetljaja duplim pritiskom donjeg taster i omogućene su samo u dimerskom reţimu rada. Domen Povratna vrednost Naziv Ulazni parametri static void WD_ProccesMainKeyPressUp uint8 presslength static void WD_ProccessMainKeyPressDown uint8 presslength static void WD_ProccessMainSWConsecutivePressUp void static void WD_ProccessMainSWConsecutivePressDown void Tabela 4.1 Funkcije za upravljanje zidnim dimerom 16

25 4.2 Rešenje problema blokirajuće funkcije svetlosne indikacije Fizička arhitektura zidnog dimera sadrţi dve LED diode čije funkcije nisu menjane u novom rešenju, ali su zbog povećanja broja dugmadi dodate još dve LED diode. Prilikom stvaranja sopstvene Zigbee mreţe (dug pritisak pribliţno 5 sekundi) LED diode su u zidnom dimeru treptale naizmenično na poziv blokirajuće funkcije, što znači da nijedna druga operacija nije mogla biti izvršavana do prestanka naizmeničnog treptanja. Prilikom rada programske podrške u realnom vremenu blokirajuća funkcija moţe da izazove neočekivane probleme zbog prekida svih drugih funkcija. Novo rešenje predviďa menjanje blokirajuće funkcije u neblokirajuću da bi se izbegli eventualni problemi (npr. problem sa nadogradnjom postojeće programske podrške). Prethodno rešenje je blokiralo niz izvršavanja zadataka dajući primarnu ulogu blokirajućoj funkciji, odnosno naizmeničnom treptanju. Trenutno rešenje postavlja funkciju koja izdaje naredbu naizmeničnog treptanja unutar strukture da bude deo niza čime se ne prekida tok operacija. Dodata je funkcija HalLedBlinkAlt u sloj fizičke arhitekture pomoću koje moţemo podesiti koju LED diodu ţelimo upaliti (leds), izabrati koliko puta da trepne (numblinks), izabrati udeo svetljenja diode u datom periodu (percent) i period trajanja svakog ciklusa u milisekundama (period). Povratna vrednost Naziv Ulazni parametri void HalledBlinkAlt uint8 leds, uint8 numblinks, uint8 percent, uint16 period Tabela 4.2 Funkcija naizmeničnog treptanja LED diode Ovakvo rešenje dozvoljava korišćenje naizmeničnog treptanja kao indikaciju za bilo koji reţim rada koji će biti realizovan u budućnosti. Reţimi rada LED svetlosne indikacije nakon rešavanja problema blokirajuće funkcije: Treptaj uključivanje i isključivanje LED diode u vremenskom intervalu od 500 milisekundi. Naizmenično treptanje naizmenično uključivanje i isključivanje najmanje dve, a najviše četiri LED diode. Blicanje(eng.Flash) uključivanje i isključivanje LED diode u vremenskom intervalu kraćem od treptaja. Svetljenje dugo svetljenje LED diode u predviďenom vremenskom roku. 17

26 Pojedinačni reţimi rada su podešeni da mogu da rade istovremeno sa jednom ili više dioda. Duţina rada funkcija, duţina svetljenja diode i razlog upotrebe su podesivi u odnosu na specifikacije proizvoďača. 4.3 Proširivanje celokupne programske podrške za nadogradnju bežično Proširivanje programske podrške sastoji iz nekoliko koraka čime se programska podrška priprema za novo rešenje beţične nadogradnje. Proširivanje programske podrške zasniva se na dodavanju pokretača sistema, menjanju prethodnog algoritma rada koda i uvoďenju novina da bi se omogućila OTA funkcionalnost. Operaciju proširivanja programske podrške vaţno je izvršiti u pojedinačnim koracima da bi se izbegle greške, odnosno da bi se eventualne naknadne promene lakše izvršile. Redosled koraka izvršenih u ovom rešenju: 1. UvoĎenje pokretača operativnog sistema, odnosno pomeranje adrese početka koda jer prethodno rešenje nije imalo pokretač operativnog sistema. 2. Nakon uvoďenja pokretača operativnog sistema pojavio se problem nedostatka mesta na integrisanom kolu što je predstavljalo problem za uvoďenje OTA funkcionalnosti. Nakon pregleda koda i provere veličine odreďenih celina koda izabrano je rešenje izbacivanja jedne celine umesto nekoliko sitnijih delova koda. Izbačena je celina koja je pamtila stanje jačine osvetljaja sijalice prilikom nestanka električne energije. Ova celina se pokazala kao najmanje bitna u odnosu na ostatak koda. 3. Dodavanje nove funkcije (zclota_init (taskid++)) u funkciju inicijalizacije nivoa koji rukovodi rasporedom (osalinittasks (void)), upravljanjem memorije i komunikacijom izmeďu slojeva (OSAL nivo engl. Operating System Abstraction Layer). Kao rezultat dodavanja ove funkcije dobije se inicijalizacija OTA procesa. 4. Dodavanje nove petlje (zclota_event_loop) u niz zadataka da bi sluţile kao katalizator za funkciju inicijalizacije nakon što dobiju poruku od OSAL nivoa. 18

27 5. Promena funkcije koja rukovodi odnosom izmeďu poruka i dogaďaja, npr. prilikom nadogradnje sistemske programske podrške. 6. Uvrštavanje neophodnih datoteka ("zcl.h", "zcl_ota.h" i "hal_ota.h") da bi se kod mogao prevesti, odnosno korištenje biblioteke koja sadrţi te datoteke da bi im se moglo pristupiti. Potrebno je podesiti prevodilac programa korišćenjem postojećih ekstenzija za kreiranje izlaznog programa da bi se stvorila slika koja se šalje u OTA procesu. 19

28 5. Testiranje Testiranje novog rešenja zidnog dimera je vršeno nad svim mogućnostima bez obzira da li su dodate u novom rešenju ili su deo prethodnog. Testirana je promenjena fizička arhitektura, kao i dodata programska podrška, odnosno beţična nadogradnja sistema programske podrške. Test je vršen u realnom vremenu, fizički isprobavajući svaku od mogućnosti koje nudi zidni dimer. Alati koji su korišteni prilikom testiranja su: 3 zidna dimera Ota server program SmartRF05EB razvojna ploča OTA Dongle OTA server je Texas Instruments-ov početni pomoćni alat sa grafičkim okruţenjem za korišćenje OTA server aplikacije. Zahteva Windows XP ili noviji i RS-232 serijski priključak, preko kojeg se povezuje sa SmartRF05EB razvojnom pločom na kojoj je pokrenut OTA Dongle program preko RS-232 serijskog priključka. Slika 5.1 Grafičko korisničko okruţenje OTA server alata 20

29 Slika 5.2 RS-232 priključak na SmartRF05 EB razvojnoj ploči sa prikačenim serijskim kabelom Slika 5.3 SmartRF05 EB razvojna ploča sa CC2530 integrisanim kolom Testiranje je podeljeno u 2 celine: Funkcionalno testiranje novih i postojećih mogućnosti Testiranje performansi 21

30 Rezultati testiranja primarnih tastera i sekundarnog tastera su prikazani u tabeli 5.2. odnosno 5.3 dok je testiranje OTA funkcionalnosti i izmereno vreme nadogradnje operativnog sistema prikazano u tabeli 5.1 Broj dimera Srednja vrednost [min] Prolaznost Uspešno Uspešno Uspešno Tabela 5.1 Vremena nadogradnje operativnog sistema i uspešnost nadogradnje Da bi se testirala nova nadograďena OTA funkcionalnost trebalo je podesiti celokupno okruţenje. Da bi se test mogao izvesti, bilo je potrebno pripremiti serversku i klijentsku stranu. Za pripremu serverske strane, potreban je bio gore pomenuti OTA server program (Slika 5.1) koji je bio spojen sa računarom serijskim kabelom sa RS-232 priključkom (Slika 5.2) na SmartRF05 EB razvojnu ploču (Slika 5.3). Za klijentsku stranu je bio potreban jedan ili više dimera koji su u sebi imali već spomenuto CC2530 integrisano kolo koje je podrţavalo OTA funkcionalnost. Zatim je morala biti spremljena i upravljačka programska podrška koja je sluţila za nadogradnju. Da bi se moglo potvrditi da je uspešno nadograďena upravljačka programska podrška, u svrhu testa je promenjena svetlosna indikacija, odnosno prilikom pokretanja nove verzije, svetlosna indikacija za početak rada ili promenu reţima je treptala više puta u odnosnu na standardnu verziju, vodeći računa da se ne poklopi sa nekom standardnom da nebi došlo do zbunjivanja prilikom testa. Na slici 5.4 je prikazano testno okruţenje sa dva dimera SmartRF05 EB razvojnom pločom. 22

31 Slika 5.4 Test okruţenje sa jednom SmartRF05 EB pločom i dva dimera Iako bi srednja vrednost nadogradnje programske podrške na više dimera istovremeno trebala biti brţa onoliko puta koliko ima dimera, rezultati su pokazali da ipak nije tako. Ubrzanje postoji i u proseku se izmeďu 25% i 30% u odnosu na nadogradnju samo jednog dimera. Detaljnim istraţivanjem se došlo do zaključka da je do ubrzanja došlo zbog OTA posluţioca. Prilikom nadogradnje programske podrške za samo jedan ureďaj, posluţiocu je u proseku trebalo 60 milisekundi da obradi zahtev od potraţioca i da pošalje odgovor. MeĎutim, kada su spojena tri dimera, prosečno vreme za obradu sva tri zahteva oko 90 do 100 milisekundi, i zbog toga je dobijeno prosečno ubrzanje prilikom nadogradnje programske podrške izmeďu 25% i 30%. Nedostatak opreme je uslovio da se testiranje završi na tri ureďaja, i da se doďe do preciznijih procena vremena potrebnih za nadogradnju programske podrške. Testiranje sekundarnog i primarnih tastera je u potpunosti uspešno izvršeno nad svim starim i novim mogućnostima dimera, zadrţavajući konzistentost i istovremeno dodajući nove mogućnosti. Samo izvršavanje testa je raďeno manuelno, korak po korak. Svaka od starih i novih funkcionalnosti je testirana tako da ispunjava već zadate zahteve koje mora da ispunjava, odnosno prilikom testiranja bilo je potrebno staviti se u poziciju korisnika i na osnovu upustva pratiti da li se svaka opisana funkcionalnost uspešno izvršava. Nakon više puta ponovljenog 23

32 testiranja pokazalo se da su sve funkcionalnosti i dalje radile kao što je bilo očekivano i da nije narušena funkcionalnost sekundarnog tastera, a i nova raspodela funkcionalnosti na gornjem i donjem tasteru je radila kao što je očekivano. U tabelama 5.2 i 5.3 su prikazane mogućnosti taster kao i prolaznost testova. Taster Funkcija tastera Prolaznost Uključivanje Uspešno Gornji primarni Donji primarni Postavljanje jačine osvetljaja na maksimum (u dimer reţimu) Podešavanje jačine osvetljaja (u dimer reţimu) Isključivanje Postavljanje jačine osvetljaja na minimum (u dimer reţimu) Uspešno Uspešno Uspešno Uspešno Podešavanje jačine osvetljaja (u dimer reţimu) Uspešno Tabela 5.2 Testiranje primarnih tastera Taster Funkcija tastera Prolaznost Otvaranje Zigbee mreţe Pristupanje mreţnom prolazu Uparivanje kao inicijator Uspešno Uspešno Uspešno Sekundarni Uparivanje kao meta Stvaranje sopstvene Zigbee mreţe Vraćanje na fabrička podešavanja Promena reţima rada iz prekidača u dimer Promena reţima rada iz dimera u prekidač Uspešno Uspešno Uspešno Uspešno Uspešno Tabela 5.3 Testiranje sekundarnog tastera 24

33 6. Zaključak U ovom radu pokazano je proširenje postojeće verzije zidnog dimera, u pogledu fizičke arhitekture i programske podrške. Nova verzija je razvijena po ugledu na staru, odnosno zadrţala je sve funkcionalnosti stare verzije sa inovacijama. Inovacije predstavljaju detaljno opisanu promenu programske podrške u saglasnosti sa promenama načinjenim nad fizičkom arhitekturom. Nova verzija je pojednostavila prethodno rešenje a da je uspešno zadrţala princip rada stare verzije dodavanjem novih funkcija koje su uspešno izvršile zadatak pojednostavljenja i proširenja korisničkih mogućnosti. Prednost nove verzije je u znatno olakšanoj korisničkoj sprezi i samim funkcionisanjem tastera. Značajna inovacija je i nadogradnja postojeće programske podrške beţično, sto olakšava posao operaterima na terenu, a i samim korisnicima. Testiranje u realnom vremenu je pokazalo funkcionalnost dodatog tastera kao i beţične nadogradnje uprkos nedostatku memorije koju zahteva nova programska podrška. Programska podrška razvijena u ovom radu je pokazala da budućnost zidnih dimera poseduje potencijal za podrţavanje svih komercijalnih potreba kao i korisničkih ţelja. Pokazano je da dalji pravci u razvijanju mogu da odu u raznim smerovima, jer je i na manjim izmenama zidni dimer pokazao da se skup njegovih sposobnosti znatno proširio. 25

34 7. Literatura [1] ZigBee Specification, ZigBee Alliance, August 2015 [2] CC2530 using OTA (pristupano: ) [3] ZigBee Wireless Networking, Drew Gislason [4] ZigBee home automation public application profile, ZigBee alliance, June 2013 [5] ZigBee Cluster Library Specification, ZigBee alliance, August 2015 [6] OTA (pristupano: ) [7] CC2530 User's Guide (pristupano: ) [8] IAR embedded workbench (pristupano: ) [9] Nadira, Đ., & Mujčić, E. Primjena ZigBee tehnologija u razvoju pametnih kuća, Rim,