Projekt. Smart Home Control

Transkript

1 Projekt Smart Home Control 1

2 Projektbeschreibung Smart Home: Unter diesem Titel war es mein Ziel, ein System zu entwickeln, das verschiedene Anwendungen in einem Raum nicht nur steuert, sondern auch automatisiert ablaufen lässt. Als Einund Ausgabegerät sollte das TTControl evision2 Display fungieren, indem es dem Benutzer die aktuellen Daten und Werte visualisiert und Befehle entgegennimmt. Um die verschiedenen Komponenten anzusteuern, war geplant, ein Microcontrollerboard einzusetzen, das Sensordaten einliest, Befehle aufbereitet und weitergibt. Einige solcher Elemente wären beispielsweise Temperatursensoren, Luftfeuchtigkeitssensor, verschiedene Lichtquellen im Raum, einzelne Geräte, die nur ein- und ausgeschaltet werden,... Von der großen Bandbreite an Möglichkeiten habe ich mir vorgenommen, so viele wie möglich umzusetzen. Das gesamte System sollte außerdem auch über den IoT Cup hinaus erweiterbar sein. Ziel des Projektes Ziel des Projektes ist die Interaktion mit dem Benutzer über das stationäre TTControl e Vision2 Display und einer Android App, die den mobilen Zugriff auf das System ermöglicht. Notwendig ist dafür zum einen die Visualisierung der Programme, zum anderen die Kommunikation zwischen App, Display und der angeschlossenen Hardware. Um die Hardware anzusteuern, braucht es je nach Anwendung Schaltungen (Sensoren einlesen, PWM für Farbsteuerung der RGB Streifen, Quellen nur ein- bzw. ausschalten). Funktionen Kommunikation zwischen Raspberry und Arduino Kommunikation zwischen Raspberry und Android Steuerung der Deckenlampe über I2C Steuerung von Funksteckdosen über 433MHz Funkmodul Einlesen eines Temperatursensors über I2C Android App zur Bedienung und Visualisierung Steuerung von Geräten über IR Schnittstelle Sprachausgabe für beliebige Informationen (Temperatur, Wetter,...) Schreibtischbeleuchtung durch Warmweiß- und Kaltweiß-LED-Streifen (Farbtemperatur, Intensität) 2

3 Kommunikation zwischen Raspberry und Arduino Als primäre Steuereinheit verwende ich einen Raspberry B+, der alle Befehle verwaltet, selbst ausführt oder weiterleitet. Alle Aktoren oder Sensoren werden von einem Ardunino Nano ausgeführt und diese bei Bedarf an den Raspberry übermittelt. Kommuniziert wird über eine serielle Schnittstelle, wobei bei beiden der USB-Anschluss verwendet wird. Das Arduino Nano wird per Mini-USB an einen USB 2.0 Typ A des Raspberry angeschlossen. Am Raspberry wurde die Schnittstelle in C programmiert, wobei auf die Bezeichnung des Ports geachtet werden muss, an den das Arduino angeschlossen ist. Port: "/dev/ttyusb0" Ebenfalls müssen die Berechtigungen des jeweiligen Benutzers am Raspberry eingestellt werden. C Code: Funktion um Befehle einzulesen: int readbytes(int fd) char buf[101]; /* Eingabepuffer */ int anz; /* gelesene Zeichen */ anz = read(fd, (void*)buf, 100); if (anz < 0) perror("read failed!"); else if (anz == 0) perror("no data!"); else buf[anz] = '\0'; /* Stringterminator */ printf("%i Bytes: %s", anz, buf); C Code: Funktion um Befehle zu senden: int sendbytes(int fd, char * Buffer, int Count) /* Sendet Count Bytes aus dem Puffer Buffer */ int sent; /* return-wert */ /* Daten senden */ sent = write(fd, Buffer, Count); if (sent < 0) perror("sendbytes failed - error!"); return -1; if (sent < Count) perror("sendbytes failed - truncated!"); Florian Haslhofer return sent; 3

4 Am Arduino wurde die Bibliothek Serial.read() verwendet, die die jeweils gesendeten Bytes abholt und zusammensetzt. In der Hauptschleife wird laufend abgefragt, ob Daten verfügbar sind. Wenn ja, wird der aktuelle Befehl eingelesen und aufgeteilt in device ( das anzusprechende Gerät) und in action (der jeweilige Befehl für das Gerät). Arduino Code: Funktion um Daten einzulesen: String serialread() String buff = ""; //alle anliegenden daten in buff speichern while(serial.available()) buff += (char)serial.read(); delay(2); return buff; Arduino Code: Code in der Mainloop um Befehle zu verarbeiten: void loop() //falls Daten vorhanden -->einlesen data = serialread(); delay(2); if(data.indexof(":")!=-1) //String in Teil vor und nach dem ":" aufteilen device=data.substring(0, data.indexof(":")); action=data.substring(data.indexof(":")+1); //Befehle für Soundsystem; sende ein IR Signal if(device =="soundsystem") if(action=="volup") irsend.sendnec( 0x807f7a85, 32); if(action=="voldown") irsend.sendnec( 0x807f6a95, 32); if(action=="display") irsend.sendnec( 0x807FE817, 32); 4

5 Kommunikation Raspberry Android Am Raspberry wurde die Kommunikation mit Android in einem PHP- Skript geschrieben. Die Android App greift auf den installierten Webserver zu und sendet ihm Befehle via GET. Im PHP- Skript wird der gesendete GET- Befehl erkannt und je nach Aktion direkt an den Arduino weitergeleitet oder selber verarbeitet. Die Befehle werden im JSON Format gesendet und in Java durch eine Funktion ausgelesen. <?php Befehel in PHP auswerten: error_reporting(e_all); echo "we are testing se serial<br>"; if(isset($_get['anlage'])) echo "Writing ".$_GET['anlage']." to the serial!<br>"; $pipe=popen("/var/www/a.out ".$_GET['anlage'], "r"); $read = fread($pipe, 4096); echo $read."<br>"; pclose($pipe); elseif(isset($_get['soundsystem'])) $pipe=popen("/var/www/a.out "."soundsystem".":".$_get['soundsystem'], "r"); $read = fread($pipe, 4096); pclose($pipe); elseif(isset($_get['light'])) if($_get['light']=='islight') $pipe=popen("/var/www/a.out ".$_GET['light'], "r"); $read = fread($pipe, 4096); echo $read."<br>"; pclose($pipe); else $pipe=popen("/var/www/a.out "."light".":".$_get['light'], "r"); $read = fread($pipe, 4096); pclose($pipe);?> 5

6 Steuerung der Deckenlampe über I2C Da ich in einem meiner vorherigen Projekte bereits eine Deckenlampe aus Plexiglas und LEDs realisierte, die durch einen I2C Bus ansprechbar ist, verwende ich auch jetzt den I2C Bus. Die Lampe ist darüber dimmbar und die Lichtquelle steuerbar (High Power- LEDs, grüne Effektbeleuchtung, weiße LEDs). Die Dimmbarkeit der Lampe machte ich mir zu Nutze und realisierte eine Sonnenaufgangssimulation, die die Steuerung übernimmt. Einstellbar ist das Intervall, indem das Licht von 0% -100% heller wird sowie die Zeit an der mit der begonnen/geendet werden soll. Der Master des I2C Bus ist das Arduino Nano, wodurch die Endgeräte ihre Befehle erhalten und gegebenenfalls Daten senden. Arduino Code: I2C writer void i2cwriter(string msg, int val) Wire.beginTransmission(2); // sende an Gerät 2 Wire.write("hpleds"); // sende "hpleds" als erkennung Wire.write(val); // sende das PWM Verhältnis Wire.endTransmission(); // Ende der Verbindung Da nicht permanent Daten gesendet werden, wird die Funktion nur bei Bedarf(nicht in der Hauptschleife) aufgerufen. Ebenso die Funktion, um von einem I2C Gerät zu lesen, wird nicht permanent abgefragt. Arduino Code: I2C reader int i2creader() int c =0; Wire.requestFrom(2, 1); // lese 1 byte von gerät 2 while(wire.available()) // solange Daten vorhanden c= Wire.read(); // lese in int Variable return c; 6

7 Steuerung von Geräten über IR Schnittstelle Um in sich abgeschlossene externe Systeme ebenfalls steuern zu können, verwende ich zusätzlich eine IR- Schnittstelle. Mit dieser wird die Fernbedienung simuliert, um auf das System zuzugreifen. Natürlich muss Vorarbeit geleistet werden, damit man die Codes für die einzelnen Tasten der Fernbedienung auslesen kann. Dazu wurde die IRremote Bibliothek für Arduino verwendet. Zunächst baut man die Schaltung mit dem IR-Receiver auf und stellt den angeschlossenen PIN im Programm ein. Der nächste Schritt besteht darin, das Programm auf den Arduino zu flashen und mit der Fernbedienung auf den IR-Receiver zu zielen. Nun kann man alle gewünschten Tasten nacheinander drücken, am Serial Monitor wird das gesendete Signal binär oder im HEX Code ausgegeben. Zusätzlich ist auf die Codierungsmethode des IR-Signals zu achten, da mit diesem Programm nicht jede Codierung erkannt wird. Die Ausgabe des Signals, um das eigentliche Endgerät über den Microcontroller zu bedienen, ist wesentlich einfacher. Dazu wird ein PIN mit einer IR- Diode verbunden, das Signal wird durch abwechselnde HIGH- LOW Pegel an der LED ausgegeben. Diese Aufgabe erledigt die verwendete Bibliothek. Arduino Code: Ausage IR Signal irsend.sendnec( 0x807f7a85, 32); Steuerung von Funksteckdosen über 433MHz-Funkmodul Zur Steuerung von Lampen, TV oder sonstigen Geräten, die an 230V angesteckt sind, werden 433MHz-Funkmodule verwendet, über die Funksteckdosen geschalten werden können. Es gibt schließlich mehrere Möglichkeiten, um Funksteckdosen unter Kontrolle zu bringen. Eine davon wäre, den beigelegten Taster/die Fernbedienung so zu modifizieren, dass ein PIN des Microcontrollers den Schalter simuliert. Diese Methode ist allerdings nicht sehr elegant. In meinem Fall verwende ich gekaufte 433MHz Module, die das Ausgangssignal eines µc PIN s sendet. Die Vorgangsweise ist ähnlich jener der IR Signalen. Zuerst muss das Schaltersignal eingelesen werden, damit die Sendesignale bekannt sind. Anschließend können diese Signale vom Microcontroller gesendet werden. Als Bibliothek verwende ich die mcp9700a.h 7

8 Einlesen des Temperatursensors per I2C Bei dem verwendeten Temperatursensor handelt es sich um einen DS1631 mit einer Genauigkeit von +-0,5 C. Um Werte vom Sensor zu Lesen, muss dieser Vorkonfiguriert werden. Die Adresse mit der er angesprochen wird, wird über gegen Masse geschlossene PINs eingestellt. Das Temperaturvorzeichen gibt ein extra Vorzeichenbit an. Sprachausgabe Die Sprachausgabe für beliebige Informationen übernimmt der Raspberry. Dafür wurde die TTS- Software SVOX-pico verwendet. Die Software erstellt aus einem Text ein Wave-File, das abgespeichert wird und direkt danach über einen Player abgespielt wird. In meinem Fall, wird es auch anschließend wieder gelöscht, damit sich keine überflüssigen Daten ansammeln. Zusätzlich wird nicht die interne analoge Soundausgabe des Raspberry verwendet, sondern eine USB- Soundkarte. Dies muss in den Einstellungen eingetragen und als Standardausgabegerät definiert werden. Zu jetzigem Projektfortschritt, kann nur Uhrzeit und Temperatur ausgegeben werden. Ziel wäre es jedoch Wetterinformationen auszugeben. 8

9 Schreibtischbeleuchtung Da am Arbeitsplatz eine gute Beleuchtung sehr wichtig ist, aber je nach Tätigkeit (Löten, Lernen, Lesen, ) eine andere Farbtemperatur geeignet ist, baute ich mir selbst eine geeignete Beleuchtung. Die Idee war in ein Aluprofil 2 Ledstreifen (Kaltweiß und Warmweiß) zu Kleben und dieses Profil in das darüber liegende Regal einzufräsen. Durch einen Diffusor über dem Aluprofil, wird das Licht er beiden Ledstreifen gut vermischt und es entsteht eine angenehm gleichmäßige Beleuchtung. Aluprofil mit Ledstreifen 1 in das Regal eingefräst 1 mit Diffursorabdeckung 1 Die Farbtemperatur wird durch ein PWM Verhältnis der beiden Streifen eingestellt. Zusätzlich soll noch die Helligkeit einstellbar sein. Das Problem dieser Anforderungen ist das gleichbleibende Verhältnis bei linearem Helligkeitsverlauf. Da das Auge die Helligkeit logarithmisch wahrnimmt, reicht es nicht, das PWM Signal linear zu erhöhen. Lösung des ganzen Problems ist eine logarithmische Tabelle, die die Werte für das PWM Signal enthält. Somit wird nicht das PWM Verhältnis von 0-100% durchlaufen, sondern die Tabelle und man erhält einen gleichmäßigen Helligkeitsverlauf bei gleichbleibender Farbtemperatur. Um Helligkeitssprünge zu vermeiden wurde der Arduino interne Timer verändert. Der Timer wurde über die zuständigen Timer-Register auf eine 10-Bit Fast PWM eingestellt. Somit hat die PWM eine Auflösung von 1024 Schritten statt 255 Schritten. Arduino Code: Umändern der Register und Aufruf void setup() TCCR1A = (1<<COM1A1) (1<<WGM11) (1<<WGM10); //Fast PWM, OC1A TCCR1B = (1<<WGM12) (1<<CS00); //F_CPU ohne Prescaler void loop() //abändern der PWM in der Schleife analogwrite(ledpin, 600 ); 9

10 Android App Das Haupteingabegerät ist zurzeit das Smartphone auf dem eine App installiert ist. Über die App sind alle Funktionen der Steuerung bedienbar. Aufgeteilt ist die App in eine Startoberfläche und eine Oberfläche, die als Fernbedienung für das Soundsystem dient. In der Startoberfläche kann man das Licht bedienen, sowie 10

11 Sponsoren: Danke an die Firmen die mich Materiell unterstützt haben: 11