UPRAVLJANJE NAPRAVAMA SPOJENIM PREKO ARDUINO PLATFORME KROZ ARHITEKTURU INTERNETA STVARI

Transcription

1 SVEUČILIŠTE U ZAGREBU FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA ZAVRŠNI RAD br UPRAVLJANJE NAPRAVAMA SPOJENIM PREKO ARDUINO PLATFORME KROZ ARHITEKTURU INTERNETA STVARI Roko Lisica Zagreb, lipanj 2016.

2

3 SADRŽAJ Sadržaj Uvod Arduino Uvodno o Arduinu Razvoj za Arduino platformu Arduino programski jezik Pisanje programa za Arduino Biblioteke za Arduino Arduino periferija Grove Starter Kit Plus Grove Base Shield Grove senzor temperature Grove senzor zvuka Grove servo motor Ostale Grove komponente Programska podrška za Grove Starter Kit Plus Implementacija programske podrške Korištenje programske potpore Komentari za budući rad Zaključak Literatura Sažetak Summary

4 1. UVOD Arduino je platforma koja je svijet ugradbenih sustava približila svim programerima svojom lakoćom korištenja. Danas se u kontekstu ugradbenih sustava često spominje i Internet Stvari (engl. Internet of Things). To je pojam koji označava povezivanje malih sustava ugrađenih u stvari iz okoline u mrežu preko koje će se razmjenjivati podatci. Arduino, kao savršen primjer jednostavne upravljačke komponente, može poslužiti kao jezgra koja upravlja senzore, motore i slično u Internetu Stvari. Ovaj rad će objasniti princip korištenja Arduino platforme općenito te u kombinaciji s Grove Starter Kit Plus ispitnim kompletom perifernih komponenata. Pred kraj bit će riječi i o udaljenoj kontroli komponente te komunikaciji s njome. Rad je podjeljen u četiri poglavlja. U drugom poglavlju je općenito opisana Arduino platforma te je dan kratak uvod u njeno korištenje. U trećem poglavlju opisane su komponente Grove Starter Kit Plus kompleta, način na koji se one koriste, te je dan primjer jednostavnog upravljačkog programa. U četvrtom poglavlju je zaključak o temi. 4

5 2. ARDUINO 2.1. Uvodno o Arduinu Arduino je razvojna platforma koja povezuje sklopovlje i softverske alate koji su jednostavni za korištenje i usmjereni prema izradi prototipova i manjih projekata. I izvorni kod koji stoji iza programskih alata i dizajn po kojem je rađeno Arduino sklopovlje su javno dostupni (open-source). [1] Arduino ploče su najrašireniji komercijalno dostupni dijelovi Arduino sklopovlja. Arduino ploča je spoj sklopovlja čiju jezgru čini mikrokontroler, najčešće iz AVR porodice. One se nazivaju mikrokontrolerima na jednoj ploči jer, osim samog mikrokontrolera, imaju i ostale komponente nužne za izvedbu bilo kakvog upravljačkog sklopa, npr. programska i podatkovna memorija, generator takta, ulazno-izlazna sučelja i slično. Najčešće korištena ploča, koja se koristila i za potrebe ovog rada je Arduino Uno (poznata i kao Genuino Uno) (slika 2.1.)[2]. Zato što je dizajn Arduino ploča javno dostupan i slobodan korištenje, mnoge tvrtke proizvode kopije, različite verzije i nadogradnje originalnih Arduino ploča. Slika 2.1. Arduino Uno ploča [3] Arduino IDE je softverski dio Arduino platforme. Taj IDE nudi okruženje za programiranje u Arduino jeziku koji je nastao iz jezika Wiring te je srodan C-u i C++u. Programi namijenjeni izvođenju na Arduino ploči se u literaturi nazivaju skice (engl. sketch). IDE nudi mogućnosti verificiranja (statičke analize grešaka), 5

6 prevođenja i prenošenja prevedenih skica na ploču, upravljanja vanjskim bibliotekama te povezivanja s pločom preko serijskog sučelja. Izvorni kodovi IDE-a i temeljnih biblioteka se izdaju pod GPL i GLPL dozvolama, a dostupni su na GitHub stanici projekta. [1,4,5] 2.2. Razvoj za Arduino platformu Arduino Uno, kao i većina novijih Arduino ploča, na svom AVR mikrokontroleru ima ugrađen firmware za učitavanje programa (engl. bootloader) koji otklanja potrebu za vanjskim programatorom. Taj firmware učitava podatke sa serijske veze i sprema ih u programsku memoriju ploče. Osobno računalo na taj način postaje programator Arduino ploče kad je na nju serijski spojeno. Arduino Uno ima USB priključak i odgovarajući prilagodnik, što znači da bi se skoro svako osobno računalo trebalo moći povezati s Arduino pločom. [2] Sam proces je dosta jednostavan, jednom kad imamo spreman kod kojeg želimo pokretati s ploče, povežemo ploču i računalo pomoću USB kabela, podesimo opcije serijskog porta u IDE-u i odaberemo opciju upload u alatnoj traci ili izborniku Sketch. IDE će, prije nego se program pošalje na ploču, verificirati kod i prevesti ga za odgovarajuću arhitekturu mikrokontrolera. Ako verifikacija ne prođe, program se neće slati na ploču. [4] Arduino Uno ima 32 KB programske i 2 KB podatkovne memorije. [2] IDE će nas upozoriti ako je program koji pokušavamo poslati prevelik za Arduino ploču koju koristimo ili ako smo svu podatkovnu memoriju potrošili na globalne varijable. IDE, naravno, ne može predvidjeti koliko će memorije zauzeti podaci na stogu i gomili za vrijeme izvršavanja programa, na to mora paziti sam programer. Ako potroši svu dostupnu podatkovnu memoriju, program se ruši ili počne raditi neočekivane stvari. Bootloader zauzima dio dostupne programske memorije (0.5KB od 32KB na Arduino Unu). Ako želimo iskoristiti svu programsku memoriju ili jednostavno želimo zaobići bootloader iz drugih razloga, Arduino se može programirati i pomoću programatora za odgovarajući mikrokontroler. Jednom kad se na takav način snimi program na ploču, bootloader se briše i ako ga želimo ponovno koristiti u budućnosti, potrebno ga je ponovno presnimiti na ploču, opet pomoću vanjskog programatora. [2] 6

7 Arduino programski jezik Arduino programski jezik ima sintaksu i jezična pravila identična C++-u. Podržava sve glavne funkcionalnosti koje podržavaju izvedbe C++-a za mikrokontrolere, međutim postoje dvije ključne razlike.[6] Prvo, jezici imaju različitu strukturu glavnog programa. C++, kao i C, ima obaveznu main funkciju koja se slijedno izvršava kad program počne s radom i izvršava se dok program ne dođe do kraja te funkcije. Main funkcija može vratiti statusni broj operacijskom sustavu, a ako se izvršava u okolini koja nema operacijski sustav, onda ona ne vraća ništa, tj. tipa je void. Arduino programi umjesto maina imaju dvije obavezne funkcije: setup i loop. Sadržaj setup funkcije se izvršava samo jednom i to prilikom reseta ploče. Loop funkcija će se izvršavati u petlji dokle god je ploča upaljena. I setup i loop su tipa void. Mikrokontroleri najčešće moraju obaviti neke inicijalizacije na početku rada i zatim izvršavati nekakav kod u beskonačnoj petlji, stoga ovakva organizacija koda ima smisla i poboljšava čitljivost. Ova organizacija koda preuzeta je iz Wiring programskog jezika. Drugu ključnu razliku čine ugrađene standardne Arduino biblioteke koje nije potrebno dodavati u program uobičajenim includeovima. Te biblioteke pružaju temeljne funkcionalnosti za rad s periferijom, pristup serijskom sučelju, konstante vezane za logičke razine i analogne priključke i slično Pisanje programa za Arduino Pisanje programa se na Arduinu konceptualno ne razlikuje puno od programiranja za mikrokontrolere. Ograničavajući resurs je najčešće podatkovna memorija pa programer uvijek mora koristiti minimalne veličine podataka koje su mu potrebne za obavljanje nekog posla. Preporučuje se i izbjegavati dinamičku alokaciju memorije da se izbjegne pojava dinamičke fragmentacije koja može dovesti do toga da iskoristiva memorija bude manja od ukupne slobodne memorije. [7] Ako se mora koristiti dinamička alokacija, vjerojatnost nepoželjnih učinaka fragmentacije može se smanjiti alociranjem blokova približno jednakih veličina. Problemu manjka podatkovne memorije može se doskočiti korištenjem programske memorije za spremanje varijabli čiji je sadržaj poznat pri prevođenju i neće se mijenjati. To se 7

8 može postići na pločama s AVR mikrokontrolerima korištenjem PROGMEM ključne riječi iz biblioteke avr/pgmspace.h na sljedeće načine: const tip imevarijable[] PROGMEM = {...}; const PROGMEM tip imevarijable[] = {...}; Za konstantan niz znakova koji se ne sprema u varijablu ista stvar se može postići i korištenjem F() makroa.[8] Serial.print(F( Posalji ovaj niz na serijsku vezu )); Jedna od glavnih odlika Arduino platforme je lakoća korištenja periferije. Programski se to svodi na korištenje nekoliko jednostavnih funkcija. Svi digitalni priključci koji se koriste se moraju inicijalizirati ili kao ulazni ili kao izlazni priključci. Analogni priključci mogu samo očitavati analogne signale pa su oni automatski postavljeni u ulazni način rada. Inicijalizacije je potrebno izvršiti samo jednom pa se u pravilu stavljaju u setup funkciju. pinmode(buttonpin, INPUT); //ulazni pinmode(ledpin, OUTPUT); //izlazni pinmode(touchpin, INPUT_PULLUP) //ulazni s negativnom logikom Čitanje s periferije i pisanje na periferiju se nakon toga obavlja funkcijama digitalread i digitalwrite za digitalne signale te analogread i analogwrite za analogne. Analogni signali mogu se čitati samo na analognim priključcima, a mogu se slati samo na digitalne priključke koji podržavaju pulsno širinsku modulaciju. Očitavanje analognog signala daje vrijednosti od 0 do 1023, dok slanje prima vrijednosti od 0 do 255. U oba slučaja se te vrijednosti linearno preslikavaju na izlazni ili ulazni napon od 0 do 5 V. Svi priključci se u kodu označuju cijelim brojevima, no analognim priključcima su pridružena i simbolička imena (A0, A1, A2...), kao što se vidi u ovom izvatku iz pins_arduino.h datoteke: static const uint8_t A0 = 14; static const uint8_t A1 = 15; static const uint8_t A2 = 16; Funkcija analogread automatski će pretpostaviti da želimo čitati s analognog priključka pa se njoj može direktno dati simbolički broj analognog priključka. Npr. poziv analogread(1) je jednak pozivima analogread(a1) i analogread(15). [9] Za primjer svega spomenutog, u isječku koda 2.1. je cijela Arduino skica. Kad se presnimi na ploču, ona će zasvijetliti svijetleću diodu s intenzitetom koji odgovara 8

9 vrijednosti pročitanoj s priključka na kojem je rotacijski potenciometar, ali samo ako je sklopka koja je spojena na priključak 3 preklopljena. const byte switchpin = 3; const byte ledpin = 4; const byte rotarypin = A2; void setup() { pinmode(switchpin, INPUT); pinmode(ledpin, OUTPUT); pinmode(rotarypin, INPUT); } Isječak koda 2.1. Primjer jednostavne Arduino skice void loop() { int switchstate = digitalread(switchpin); int light = analogread(lightpin); int rotaryangle; } if (switchstate == HIGH) { rotaryangle = analogread(rotarypin); analogwrite(ledpin, rotaryangle/4); } else { analogwrite(ledpin, LOW); } Biblioteke za Arduino Biblioteke za Arduino pišu se u C-u ili C++-u. Da bi ih IDE i prevoditelj mogli uključiti u skicu, biblioteke moraju biti smještene u jednom od direktorija previđenih za to (npr. C:\Program Files (x86)\arduino\libraries, D:\Documents\Arduino\libraries,...). Svaku biblioteku predstavlja jedan direktorij koji nosi njeno ime, a u njemu se moraju nalaziti <ime_biblioteke>.cpp i <ime_biblioteke>.h datoteke u kojima je iskodirana implementacija odnosno sučelje biblioteke. Poželjno je u direktorij dodati još i keywords.txt datoteku u kojoj su obilježena imena funkcija i struktura koje bi IDE trebao označiti posebnom bojom. Uz to, u direktoriju smiju biti i druge datoteke koje su nužne za pravilan rad biblioteke. Ako želimo u.cpp ili.h datotekama koristiti elemente standardne Arduino biblioteke, dovoljno je dodati #include <Arduino.h> na vrh koda. Biblioteke se dodaju u Arduino skicu korištenjem includeova, kao i u običnom C-u. Arduino IDE pruža mogućnost automatiziranog instaliranja ili ažuriranja biblioteka 9

10 odabranih preko grafičkog izbornika te automatsko generiranje include koda za biblioteke koje želimo koristiti. [10,11] 10

11 3. ARDUINO PERIFERIJA Kao što je već spomenuto, periferni uređaji mogu se spajati na Arduino ploču preko njezinih digitalnih i analognih priključaka. Neki od priključaka mogu se koristiti i za serijsku komunikaciju (0 i 1 na Arduino Unu) te komunikaciju protokolima TWI i SPI. [2] Postoje i ploče za proširenje funkcionalnosti, takozvani štitovi (engl. shield). Štitovi se spajaju na Arduino i najčešće imaju dodatne ulazne ili izlazne priključke kojima se sklopovski dodaju nove funkcionalnosti. S donje strane štita nalaze se nožice koje su postavljene u jednak raspored kao i priključci na Arduino ploči, a s gornje strane štita su priključci, također u istom rasporedu. Štit se spaja na Arduino ploču umetanjem svih njegovih nožica u odgovarajući priključak. Neke od priključaka će štit možda rezervirati za vlastitu komunikaciju s Arduinom, a ostale će proslijediti na svoje priključke da se ostali uređaji mogu spojiti direktno na njega. Ovim načinom spajanja dobivamo i mogućnost da spajamo više štitova jednog na drugi i koristima istovremeno, dokle god ti štitovi ne koriste iste priključke ili koriste protokole koji to dopuštaju (TWI i SPI). [12] Primjer kaskadnog spajanja štitova može se vidjeti na slici 3.1. Slika 3.1. Stog od dva štita spojen na Arduino. Gornji štit pruža Ethernet funkcionalnost, a donji GSM. [13] 11

12 Arduino ploče se često kupuju u kombinaciji s cijelim kompletom perifernih uređaja. Komplet koji će se koristiti u ovom radu je Grove Starter Kit Plus Grove Starter Kit Plus Grove sustav je skupina proizvoda kineske tvrtke Seeed Technology koji je zamišljen kao sustav gradivih blokova u kontekstu Arduino elektronike. Grove sustav bi trebao eliminirati potrebu za ikakvom dodatnom logikom i dodatnim elektroničkim komponentama (otpornicima i slično) tako da će se sva periferija spajati standardiziranim konektorima. Svaki od tih konektora ima po četiri priključka: napajanje, uzemljenje te dva podatkovna priključka koji se spajaju na dva susjedna Arduino priključka. Takvom kombinacijom se svaka komponenta korištenjem samo jednog kabela može povezati u strujni krug s pločom, i u isto vrijeme komunicirati s dva njena priključka. [14, 15] Osim štita, komponente koje će biti korištene u ovom radu su dugme, prekidač, senzor dodira, rotacijski potenciometar, senzor zvuka, senzor svijetla, senzor temperature i servo motor Grove Base Shield Temeljna komponenta Grove sustava je Grove Base Shield, štit pomoću kojeg se sve druge Grove komponente spajaju na Arduino ploču. Štit se spaja na ploču na klasični način, a na sebi ima standardizirane konektore na koje se spajaju ostale Grove komponente. Verzija štita koja dolazi u ovom kompletu, Grove Base Sheild v1.3b, ima 8 digitalnih konektora, 4 analogna konektora i 4 konektora za I 2 C sučelje, to jest, njegovu varijantu TWI. Prvi digitalni konektor je spojen s priključcima 0 i 1, što znači da se može koristiti i za serijsku komunikaciju. Ostalih sedam digitalnih konektora se spajaju na svaka dva susjedna priključka od D2 do D9, a tako su spojeni i analogni konektori. Štit i njegovi konektori se vide na slici. Većina komponenata unutar ovog kompleta koristi samo jedan od dva priključka na koje je spojeno preko standardnog konektora. Ako neka komponenta koristi dva, ne smijemo koristiti konektore susjedne njoj (osim ako je u pitanju serijski ili TWI konektor) jer će tad isti priključak biti spojen na dvije komponente. [15] Raspored konektora vidi se na slici

13 Slika 3.2. Grove Base Shield s gornje strane [16] Grove senzor temperature Grove senzor temperature temelji se na termootporniku (otporniku čija se svojstva značajno mijenjaju pri promjeni temperature) koji je spojen u seriju s analognim priključkom. Preko očitane vrijednosti napona na priključku mjeri se otpor termootpornika, a nakon toga i njegova temperatura preko Steinhart-Hart jednadžbe. Na wiki stranici Grove Starter Kit Plusa kao i papirnatim uputama koje se dobiju u kompletu može se naći predložak koda (isječak) koji vrši ove aproksimacije. Njega korisnik može kopirati i koristiti bez dubljeg razumijevanja termootpornika i elektrotehnike. Isječak koda 3.1. Predložak koda koji aproksimira temperaturu [16] int B = 3975; int a = analogread(0); float resistance = (float)(1023-a)*10000/a; float temperature = 1/(log(resistance/10000)/B+1/298.15) ; Temperaturni senzor može čitati temperature od -40 do 125 Celzijevih stupnjeva uz preciznost od +/-1.5 Celzijeva stupnja. [16] 13

14 Grove senzor zvuka Senzor zvuka je mikrofon čiji izlazni napon odgovara amplitudi zvuka. Jedan problem ovog senzora je to što su mu očitanja poprilično osjetljiva na vibracije, pozadinsku buku i slično, te su u nekim trenucima naizgled nasumična zbog čega može biti dosta teško detektirati korisne zvukove u blizini senzora. Sljedeća mjerenja su obavljena u tihoj prostoriji sa zatvorenim prozorima. Vrijednost sa senzora šalje se na računalo preko serijske veze gdje se ispisuje na grafu (jedna od dodatnih funkcionalnosti Arduino IDE-a). Na slici 3.3. dobro se vidi spomenuta pojava. Iako se proizvedeni zvukove vide na grafu, očitanja grafa kad nema primjetnih zvukova često dosežu četvrtinu ili čak polovicu korisnih zvukova, što nam nije primjereno za većinu primjena u automatizaciji. Na primjer, ako želimo napraviti sustav koji pali svijetlo kad netko uđe u kuću, ovakva očitanja će vrlo vjerojatno okinuti paljenje svijetlo i kad nema nikog, zbog visokih smetnji i pozadinske buke. 14

15 Slika 3.3. Graf svakog očitanja senzor u nekom vremenu Ovaj problem lako možemo riješiti tako što za svako očitanje vrijednost sa senzora očitamo više puta i izvučemo prosjek. Na ovaj način ćemo dobiti puno jasnije podatke. Na slici 3.4. vide se prosječne vrijednost svakih pet očitanja. Valja primijetiti da su ovaj put proizvedeni zvuci bili glasniji, no i dalje se vidi učinak smanjenja pozadinske buke. 15

16 Slika 3.4. Prosječne vrijednosti iz uzorka od 5 očitanja Učinak postaje još malo izraženiji s većim uzorkom (Slika 3.5.). Slika 3.5. Prosječne vrijednosti iz uzorka od 10 očitanja 16

17 Grove servo motor Grove servo motor je aktuator rotacijskog tipa koji se može pozicionirati na kuteve između 0 i 180 stupnjeva od početnog položaja s preciznošću od jedan stupanj. Servo motor se kontrolira analognim signalom, što znači da ga moramo spojiti na digitalni priključak koji podržava pulsno širinsku modulaciju. Specifičnost korištenja servo motora u kombinaciji s Arduinom je da se na njih ne piše direktno funkcijom analogwrite već se koristi gotova Arduino biblioteka Servo.h. Servo.h se koristi preko objektno orijentiranog sučelja tako što se instancira objekt razreda Servo, njemu se prikači priključak metodom attach, nakon čega mu se mogu slati željene pozicije metodom write. Nakon slanja pozicije dobro je pričekati neko vrijeme da se servo motor postavi u poslanu poziciju prije nego pošaljemo novu poziciju. Metoda write prima položaj u stupnjevima (od 0 do 180) kao parametar. Ako imamo vrijednost koja je omeđena drugačijim intervalom, a želimo je linearno mapirati na vrijednost unutar željenog intervala, za to postoji ugrađena funkcija map. [16, 17] Ostale Grove komponente Ostale komponente u ovom kompletu nemaju neke specifičnost vezane za korištenje već se koriste standardnim Arduino sučeljem. Dugme, prekidač i senzor dodira su tipične digitalne ulazne komponente, znači spajamo ih na digitalni priključak i čitamo funkcijom digitalread, dok su senzor svjetlosti i rotacijski potenciometar tipične analogne ulazne komponente i koje se čitaju na analognim priključcima funkcijom analogread. [16] 3.2. Programska podrška za Grove Starter Kit Plus Implementacija programske podrške Zbog raznolikosti komponenata periferije korisno je osmisliti i implementirati objedinjeno sučelje preko kojeg će se one koristiti. Za primjer, u ovom radu će se koristiti funkcija ovog prototipa: char* sensor_control( const char* ctrlstr, void* obj, 17

18 char* retstr, int retstrsize); Prvi argument kojeg će funkcija primiti je kontrolni niz znakova. Taj kontrolni niz znakova je ovog formata: {INIT GET SET} IMEKOMPONENTE BROJPRIKLJUČKA [VRIJEDNOST] Prva riječ u nizu je naredba koju treba izvršiti, druga je simboličko ime komponente koju koristimo, treća je broj priključka na kojem se ta komponenta nalazi, a četvrta riječ je vrijednost koju želimo upisati ako izvršavamo SET naredbu. Ako izvršavamo neku drugu naredbu, zadnja riječ se zanemaruje. Komponente koriste ova simbolička imena: LED SOUND LIGHT TEMPERATURE TOUCH BUTTON ROTARY SWITCH SERVO Za svijetleće diode se u polju VRIJEDNOST upisuje ON ili OFF, a za servo se upisuje kut u stupnjevima. Drugi parametar u funkciji je opcionalan i prima pokazivač na objekt s kojim funkcija treba raditi. To nam treba za rad sa servom ili sličnim komponentama kojima treba pristupati preko objektnog sučelja. Ako koristimo komponentu koja ne koristi taj parametar, onda se on zanemaruje pa se funkciji na tom mjestu može predati i NULL pokazivač. Funkcija vraća niz oblika IMEKOMPONENTE VRIJEDNOST ili prazan niz ako nema vrijednost koju mora vratiti. Postoje dva način prosljeđivanja rezultata korisniku. Prvi je preko parametara. Treći parametar je polje znakova u kojeg se pohranjuje rezultat, a četvrti veličina tog polja. Funkcija će u ovom slučaju vratiti pokazivač na to polje znakova. Drugi način je preko statičkog polja. Ako se umjesto 18

19 trećeg parametra preda NULL pokazivač, funkcija će svoj rezultat vratiti preko statičkog polja definiranog unutar tijela funkcije, a četvrti parametar će se zanemariti. Povratna vrijednost u tom slučaju će biti pokazivač na to statičko polje. Ako dođe do greške (npr. neispravan kontrolni niz, premalo polje za rezultat ili slično), funkcija vraća NULL pokazivač, a retstr se ne mijenja. U isječku koda 3.2. prikazana je izvedba ovakvog načina rada. #define STATIC_ARRAY_SIZE 20 Isječak koda 3.2. Izbor načina prosljeđivanja rezultata char* sensor_control(const char* ctrlstr, void *obj, char* retstr, int retstrsize) { } static char staticretstr[static_array_size]; char *pretstr; int size;... if (retstr!= NULL) { pretstr = retstr; size = retstrsize; } else { pretstr = staticretstr; size = STATIC_ARRAY_SIZE; }... return pretstr; Bitno je uočiti da će se podaci u statičkom polju prepisati novim rezultatom svaki put kad se ono koristi, što znači da ako korisnik želi imati spremljena dva ili više rezultata, bolje je da koristi prvi način prosljeđivanja. Drugi način korištenja je čitljiviji ako je korisniku potreban samo jedan rezultat u bilo kojem trenutku ili ga rezultat uopće ne zanima. Uz to ima i prednost da se korisnik ne mora zamarati s time koliko mu memorije treba jer će funkcija biti napisana tako da podrži i najduži mogući rezultat. Ostatak funkcije svodi se većinom na parsiranje kontrolnog niza što se radi kombinacijom sscanf i strcmp funkcija. Jedna zanimljiva stvar za prokomentirati je 19

20 korištenje snprintf funkcije za zapis rezultata. Implementacija te funkcije i sličnih funkcija na Arduino platformi ponaša se ponešto drugačije nego kako bismo to očekivali u C-u. Zbog ograničenja u programskoj memoriji, iz implementacije je isključena mogućnost upisivanja decimalnih brojeva. Umjesto toga, svaka pojava %f specifikatora će u rezultatu biti zamijenjena sa znakom upitnika (? ). To znači da ako želimo zapisivati decimalne brojeve u niz znakova pomoću jedne od takvih funkcija, to moramo činiti ručno. Primjer toga može se vidjeti u isječku koda 3.3. Isječak koda 3.3. Zaobilaženje %f specifikatora char dec = (long) (retval * 100) % 100; if (dec < 0) dec = - dec; int printsize = snprintf(pretstr, size, "%s %d.%02d", sensor, (int) retval, (int) dec); if (printsize >= size printsize < 0) { return NULL; } Broj koji vratimo ovom metodom će uvijek biti decimalan i to zaokružen na dvije decimale Korištenje programske potpore Sad kad je funkcija za rad implementirana, možemo vidjeti kako se njome inicijalizira senzor svijetla na analognom priključku 1: sensor_control( INIT LIGHT 1, NULL, NULL, 0); Ili kako se nakon toga s njega čita vrijednost: char *p; p = sensor_control( GET LIGHT 1, NULL, NULL, 0); Ako želimo imati spremljena dva podatka s dva različita senzora, to možemo činiti na ovaj način: char temp[30]; char light[25]; sensor_control( GET TEMPERATURE 1, NULL, temp, 30); sensor_control( GET LIGHT 1, NULL, light, 25); Ako korisnik nije siguran da je alocirao dovoljno memorije, trebao bi provjeriti jesu li pozivi funkcije vratili NULL pokazivač. 20

21 Servo se mora koristiti u kombinaciji s objektom koji ga predstavlja: sensor_control( INIT SERVO 1, &servo, NULL, 0); sensor_control( SET SERVO 1 90, &servo, NULL, 0); Jedna malo naprednija mogućnost korištenja bila bi primanje kontrolnih nizova iz nekog vanjskog izvora podataka, npr. serijske veze. Isječak 3.4. prikazuje primjer Arduino skice koja će to raditi. #include <Sensors.h> Isječak koda 3.4. Arduino skica koja učitava naredbe sa serijske veze void setup() { Serial.begin(9600); while (! Serial) {;} } sensor_control("init LED 2", NULL, NULL, 0); sensor_control("set LED 2 OFF", NULL, NULL, 0); void loop() { char ctrlstr[50]; char *p; for (int i = 0; i < 50; i++) { while (! Serial.available()) {;} char c = Serial.read(); } if (c == '\n') { ctrlstr[i] = '\0'; break; } ctrlstr[i] = c; } sensor_control("set LED 2 OFF", NULL, NULL, 0); if ((p = sensor_control(ctrlstr, NULL, NULL, 0)) == NULL) { sensor_control("set LED 2 ON", NULL, NULL, 0); } else { Serial.println(p); Serial.flush(); } S druge strane serijske veze možemo slati naredbe po definiranom formatu. Ako pošaljemo naredbu koja ne odgovara formatu upalit će se svjetleća dioda na priključku 2, a ugasit će se nakon slanja sljedeće naredbe. Ako je naredba ispravna, Arduino će na serijsku vezu poslati vraćeni niz znakova. 21

22 Korisna stvar kod ovog načina upravljanja je da se periferne komponente mogu dodavati i koristiti bez mijenjanja koda koji je na Arduino ploču. Sve što moramo učiniti kad spojimo novu komponentu na ploču je inicijalizirati INIT naredbom, nakon čega je možemo normalno koristiti. Iznimka su komponente koje koriste objektno sučelje, kao što je u našem slučaju servo, jer funkcije koje ih koriste moraju primiti pokazivač na objekt. To, međutim, ne znači da se ostale komponente ne mogu koristiti u kombinaciji sa servom koji je predviđen za vrijeme pisanja koda, već samo da ga ne možemo naknadno dodati ako on nije predviđen Komentari za budući rad Ovako osmišljena programska podrška omogućava nam prvi korak prema Internetu Stvari, no ako želimo veću interoperabilnost među našim napravama, treba razmišljati o standardiziranom formatu u kojem će se slati naredbe i očitani podaci. Jedan takav format je JSON, za kojeg postoje gotove biblioteke za sve popularnije programske jezike pa tako i za Arduino. Sljedeći korak nakon standardizacije formata bio bi standardan protokol za komunikaciju između stvari. Bilo bi korisno da stvari mogu zanemarivati poruke koje im nisu namijenjene, da mogu prosljeđivati poruke i da imaju ugrađenu zaštitu od grešaka pri prijenosu. Kad se implementira protokol, može se početi graditi mreža stvari. 22

23 4. ZAKLJUČAK Cilj ovog rada bio je istražiti mogućnosti Arduino platforme, naučiti kako se koristi te primijeniti naučeno za nešto što se može razviti u Internet Stvari. Sve se to da odraditi u relativno kratkom roku uz pomoć dobro napisane dokumentacije koja je dostupna na Web-u i velike zajednice korisnika koji dijele svoja iskustva. Zbog toga se za primjene istraživanja i brzog razvoja prototipova, Arduino još jednom pokazao kao dobar izbor. Rad je demonstrirao i korištenje Arduino periferije. Iako je nemoguće proučiti sve komponente koje se mogu koristiti u kombinaciji s Arduinom, principi korištenja bit će slični, što još i više potpomaže tu reputaciju usmjerenosti prema korisniku kojeg je platforma stekla. Broj Arduino-kompatibilnih uređaja raste iz dana u dan, kao i biblioteke koje nude napredne funkcionalnosti, a time rastu i mogućnosti u primjenama i istraživanju. 23

24 LITERATURA 1. pristupano pristupano pristupano pristupano pristupano pristupano pristupano pristupano pristupano pristupano pristupano pristupano pristupano pristupano pristupano pristupano pristupano

25 SAŽETAK Naslov rada: Upravljanje napravama spojenim preko Arduino platforme kroz arhitekturu Interneta stvari Rad prvo opisuje općenito Arduino platformu i razvoj za tu platformu, s naglaskom na funkcionalnosti koje će biti korištene kasnije u radu. Razvoj obuhvaća specifičnosti programskog jezika, glavne funkcionalnosti temeljnih biblioteke te proces dodavanja i pisanja dodatnih biblioteka. U drugom poglavlju rad se usredotočuje na periferiju za Arduino platformu, prvo neke općenite informacije o njoj, a zatim specifičnosti različitih komponenata na primjeru Grove Starter Kit Plus kompleta. Nadalje, predstavlja se primjer jednostavnije programske potpore kojom se standardizira upravljanje periferijom. Demonstrira se korištenje te programske potpore te se komentiraju moguća poboljšanja. Ključne riječi: Arduino, Internet Stvari, Arduino IDE, Arduino štit, Grove, Grove Starter Kit Plus, senzori 25

26 SUMMARY Title of the thesis: Controlling devices with Arduino within Internet of Things architecture This thesis first describes the Arduino platform in general and development for Arduino platform, with emphasis on functions which will later be used in the thesis. Development includes the specifics of the programming language, main functionalities of core libraries and process of adding and coding additional libraries. In the second chapter, thesis focuses on the periferal devices for the Arduino platform, first some general information regarding them, and then the distinctive properties of different devices by example of ones found inside the Grove Starter Kit Plus. Furthermore, an example of simple control software which standardizes the management of periferal devices is presented. The use of this software is demonstrated and some comments are given on possible improvments. Keywords: Arduino, Internet of Things, Arduino IDE, Arduino shield, Grove, Grove Starter Kit Plus, sensors 26