Visualisierung der Beschleunigung eines Sunspots

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1 Visualisierung der Beschleunigung eines Sunspots Silvia Kolozsi Matr. Nr.: Jucan Raluca Matr. Nr.: Technische Visualisierung Fachhochschule Wiesbaden

2 Inhaltsverzeichnis Einleitung...3 Motivation...3 Projektbeschreibung...3 Entwicklungs Tools...4 Sun SPOT...4 Sun SPOT Architektur...4 Basisstation...6 Implementierung...7 Sun SPOT Anwendung...7 Host Anwendung...8 Installation...11 Application Requirements...11 Anwendung...11 Benutzer Handbuch...12 Ergebnisse und Interpretation...15 Erweiterungen...17 Fazit

3 Einleitung Motivation Am Anfang des Semesters haben wir bei Multimedia-Kommunikationssysteme ein Projekt mit Sun SPOTs bekommen. Wir sollten das AODV Routing Protokoll implementieren. Aber die Sun SPOTs haben auch verschiedene Sensoren und wir wollten sehen was konnte man mit die Sensordaten anfangen und wie genau werden die Daten gemessen. Projektbeschreibung Die Haupaufgabe des Projekts ist die Visualisierung in Echtzeit der Beschleunigungen in der drei Richtungen: x, y und z. Die gemessene Beschleunigunen werden als Eingangspunkt genommen um die Geschwindigkeit und dann die Distanz zu berechnen. Man kann die Bewegung eines Sun SPOTs visualisieren und die Genauigkeit der Messungen und der Berechnungen prüffen.

4 Entwicklungs Tools Für das Projekt waren ein Sun SPOT und eine Basisstation als Geräte benutzt. Die Implementieung haben wir in Java über Netbean programmiert. Als Platformen waren Windows XP und Windows Vista benutzt. Sun SPOT Was ist überhaupt ein Sun SPOT? Der Sun SPOT (Sun Small Programmable Object Technology) ist eine Java-Plattform zur Anwendungsentwicklung für drahtlose Netzwerke und eingebettete Systeme. Er hat mehrere Anwendungsbereiche wie zb. Robotertechnik, Kunst, Spielwaren, Endnutzergeräte, Kommerzielle Anwendungen und Telemetrie. Sun SPOT Architektur Der Standard SPOT hat drei Schichten (Abb. 1): - Batterie - Prozessor-Board mit drahtlosen Netzwerkschnittstellen - Sensor-Board mit eine zusätzliche Karte Abbildung 1: Sun SPOT Architektur

5 Das Gerät basiert sich auf dem IEEE Standard. Im Gegensatz zu anderen verfügbare Systeme, ist das Sun SPOT auf dem Squawk Java Virtual Machine gebaut. Abbildung 2: Sun SPOT Sensor Board Im Abb. 2 man kann die Komponenten eines Sun SPOT Sensor Boards sehen: 1. LEDs - Der Sun SPOT hat 8 Leds mit rot, grün und blau-komponenten 2. Zwei Schalter - sie haben keine feste Funktionen, diese kann man im Java- Programm einbauen 3. Beschleunigungs- und Temperatursensor 4. Lichtsensor Die LIS3L02AQ ist ein Low-Power-, Drei-Achsen-Linear-Beschleunigungssensoren, die sich auf der Demo-Sensor Bord des Sun SPOTs befindet. Die Beschleunigungssensoren kann auch die Orientierung in Bezug auf die G-Kraft des SPOTs messen. Die Z-Achse ist senkrecht zur Sun SPOT Board. Die X-Achse ist parallel zur Reihe der LEDs auf der Sensor Bord. Die Y-Achse ist parallel zur langen Kante des Sensor Bords (siehe Abb. 3). Abbildung 3: Beschleunigungen eines Sun SPOTs

6 Das Pluszeichen (+) auf das Ende einer Achse zeigt an, dass, wenn das Gerät die Beschleunigung des SPOTs sich in diese Richtung erhöht. Wenn der SPOT still auf einem Tisch sitzt, dann, wegen der G-Kraft der Erde, wird die Beschleunigung entlang der Z-Achse 1g und 0g entlang der X-und Y-Achsen. Die Beschleunigung wird in G gemessen wobei 1G = m. Basisstation Die Basisstation sieht genauso wie einem Sun SPOT aber hat nur ein Prozessor-Board. Die Basisstation hat keine Batterie und kein Sensor-Board. Die Kommunikation zwichen ein Sun SPOT und ein Host sieht wie im Abb. 4 aus: Abbildung 4: Kommunikation zwischen Anwendungen und Geräte Der Zweck der Sun SPOT-Basisstation-Software ist, die Kommunikation zwischen die Host Anwendungen und die Target Anwendungen zu ermöglichen. Die Basisstation wird mittels ein USB Kabel an dem Host verbunden. Der Host kann jeder der unterstützten Plattformen (zb Windows-PC, Mac) sein. Die Host Anwendung ist ein J2SE Programm. Die Target Anwendung ist ein Squawk Java Programm und läuft auf dem Sun SPOT.

7 Implementierung Das Projekt hat zwei Applikationen, eine für den Sun SPOT - MyAccel-OnSpot und die andere für den Host Anwendung - MyAccel-OnDesktop. Sun SPOT Anwendung Das MyAccel-OnSpot Projekt ist verantwortlich für die Sendung von Daten an der Host Anwendung. Es enthält ein Packet org.sunspotworld.spotapp mit eine Klasse - SpotApplication (Abb. 5). Abbildung 5: UML Diagramm der SpotApplication Klasse Die Klasse hat mehrere Methoden um die Schalter Events zu behandeln wie z.b. sw1opened() bzw. sw2opened() und sw1closed() bzw. sw2closed() wann der entsprechende Schalter geöffnet / geschlossen wird. Es gibt noch zwei Methoden: startsw1watchthread() und startsw2watchthread() die einen separaten Thread für jeden Schalter generieren, um Veränderungen in dem entsprechenden Schalter zu beobachten. Hier werden auch die open und close Methoden für den entsprechende Schalter aufgerufen.

8 Die Main Funktion heisst startapp(). Hier wird das Array von Leds initialisiert und die Methode run() aufgerufen. Run() ist unsere Hauptmethode. Am Anfang der Methode wird das Sensor Board instantiert. Dann werden alle Leds, beide Schalter und der Beschleunigungsmesser instantiert. Eine neue Datagram-Verbindung wird auf dem Port 37 gebaut. Der SPOT sendet die Packete mit broadcast, das heisst alle Basisstationen oder auch andere SPOTs die auf das Port hören können die Packete bekommen. Am Anfang sind alle Leds ausgeschalten. Wenn man auf den erste Schalter drückt wird die zweite Led mit grün eingeschaltet. Eine neue Datagram wird erzeugt mit die folgende Informationen: Paket Typ, 0 in diesem Fall, die Zeit von dem SPOT, die Beschleunigung auf der X-Achse, die Beschleunigung auf der Y-Achse und die Beschleunigung auf der Z-Achse. Das Paket Typ wird auf 0 gesetzt wenn zwischen zwei Sendungen ein Sleep() von 100 Milisekunden eingebaut wird und auf 1 gesetzt wenn es kein Sleep() gibt. Wenn man das zweite Mal auf dem ersten Schalter drückt werden Pakete nicht mehr gesendet und die Led wird ausgeschaltet. Man kann auf dem zweiten Schalter drücken und Paketen werden kontinuerlich geschickt, ohne ein Sleep() zwischen je zwei Pakete. Die vorletzte Led wird auf blau eingeschaltet. Wenn man das zweite Mal auf dem zweiten Schalter drückt werden Pakete nicht mehr gesendet und die Led wird ausgeschaltet. Host Anwendung Das MyAccel-OnDesktop Projekt ist verantwortlich für den Empfang der Daten von dem SPOT. Die drei Beschleunigungen werden Echtzeit dargestellt. Man kann auch eine Kalibrierung machen und die empfangene Daten im verschiedene Arte visualisieren. Das Projekt enthält ein Packet org.sunspotworld.hostapp mit zwei Klassen(Abb. 6). Die erste Klasse - SpotData wird benutzt um alle Daten von einem Paket zu Speichern. Die Klasse hat folgende Felder: - private long time - private double accelx - private double accely - private double accelz. Die Hauptklasse heisst AccelDesktop. Es ist eine J2EE Applikation und die main() Methode startet zwei Threads: die startreceiverthread() Methode und die startchartthread() Methode. Das erste Thread wird für den Datenempfang benutzt und das zweite Thread wird für der Datenvisualisierung benutzt.

9 Abbildung 5: UML Diagramm der Host Anwendung Klassen In der startreceiverthread() Methode eine neue Radiogram-Verbindung auf dem Port 37 wird gebaut. Das Thread wartet immer auf Pakete von dem SPOT. Wenn der User sich für eine Kalibrierung entscheidet werden für einen Zeit Abschnitt von 10 Sekunden Paketen empfangen und alle Daten in einem Array von SpotData Elementen gespeichert. Am Ende der 10 Sekunden wird die getmittelwert() Funktion aufgerufen. Diese Funktion berechnet für jede Achse den Mittelwert (Summe alle Daten auf eine Achse durch der Anzahl der Elementen). Von hier an wird das Mittelwert von alle weiter empfangene Daten abgezogen. Man kann sich auf für ein bestimmte graphische Darstellung entscheiden z.b. man will die Distanz, die der SPOT gefahren hat, die Beschleunigung oder die Geschwindigkeit visualisieren. Man klickt dann auf dem Collect Data Button und alle Daten werden in einem Array gespeichert bis man auf dem Stop collecting Button klickt. Die Daten werden dann weiter bearbeitet von der calculatedistance() Methode. Hier werden

10 die Geschwindigkeit und die Distanz anhand der Beschleunigung und der Zeit berechnet. 2 Die Beschleunigung und die Zeit werden in m / s bzw. in Sekunden konvertiert. Die Berechnungen werden im folgender Abschnitt presentiert: Das zweite Thread hat mehrere Methoden, die wichtigsten davon sind die createchart(xydataset xydataset), createserie() und createchart() Methoden. Das Hauptfenster und alle Variablen für die Beschleunigungs-Echtzeit- Diagramm werden im Konstructor der Klasse initialisiert und die Daten werden dann in der createchart(xydataset xydataset) Methode hinzugefügt. Für die Diagramm haben wir JFreeChart benutzt und für die Echtzeit Darstellung das TimeSeries Datatyp. TimeSeries enthält die Beschleunigungen auf die drei Achsen und die Zeit. Als neue Daten ankommen, werden diese an der Diagramm hinzugefügt. Die createserie() und createchart() Methoden werden benutzt um bestimmte Visualisierungen zu machen. Als Typ wird XYSeries benutzt. Es definiert ein Graph mit zwei Achsen.

11 Installation In der folgende Abschnitte wird die Installation und Deployment des Softwares beschrieben. Application Requirements Das Sun SPOT Paket kommt mit einem Instalattions-CD. Da findet man den SPOT sdk der installiert werden muss und auch ein Tool - Sun SPOT Manager, das für die Verwaltung der Sun SPOTs und des Basisstation verantwortlich ist. Man muss auch prüfen ob Java schon installiert ist. Wenn keine geeignete Sun Version von Java verfügbar ist, muss eine installiert werden und die entsprechenden Environment-Variablen (JAVA_HOME, PATH) initialisiert bzw. aktuallisiert werden. Um beide Projekte laufen zu lassen braucht man auch Netbeans. Eine Version von Netbeans kann man auf dem Sun SPOT-CD finden oder auch im Internet an der folgende Adresse: Anwendung Im lib Verzeichnis unter Project findet man zwei jar-datei die für die graphische Darstellung benutzt werden. Diese konnen auch auf die Seite heruntergeladen werden. Man muss das Verzeichnis oder die Biblioteken local kopieren und dann im build.properties von das MyAccel-OnDesktop Projekt bei user.classpath das Pfad für jede jar-datei eintragen. Um die Anwendungen laufen zu lassen NetBeans afumachen und beide Projekte öffnen. Für beide Projekte muss man ein Clean and Build Project machen. Das MyAccel- OnDesktop Projekt ist die Host-Anwendung und das MyAccel-OnSpot Projekt ist die Sun SPOT Anwendung. Zuerst verbiendet man den SPOT mittels der USB-Kabel an dem Host und macht ein Deploy für das MyAccel-OnSpot Projekt auf dem SPOT. Man muss dann den SPOT neu starten. Man kann jetzt das MyAccel-OnDesktop Projekt laufen lassen. Die User-Interface erscheint und die Sun SPOT Beschleunigungsdaten werden Echtzeit dargestellt.

12 Benutzer Handbuch Für unsere Application braucht man ein SunSPOT und eine Basisstation. Erstens muss der SunSPOT an den Rechner angesclossen sein und MyAccel-OnSpot auf den Spot deployen (right click auf das Projekt und dann Deploy to Sun SPOT ).Der SunSPOT wird durch den control Switch gestartet. Um mit den zwei verfügbaren Buttons zu arbeiten muss der Deckel entfernt sein. Dann die Basistation wird an den Rechner angesclossen und MyAccel-OnDesktop ausgeführt.

13 Das Hauptfenster wird angezeit. Der erste Teil ist ein Diagramm, das die Beschleunigung in x, y und z Richtungen Echtzeit zeichnet. Um dieses Diagramm zu starten muss man den ersten Knopf des SunSPOTs drücken. Die zweite LED des SunSPOTs wird grün gefärbt um zu anmelden, dass jetzt Daten von SunSPOT zur Basisstation übertragen werden. Die Übertragung für Echtzeit Diagramm wurde mit einem Sleep von 100 Millisekunden ermittelt, das heisst, dass ungefähr 5 Daten pro Sekunde geschikt werden. Um das Diagramm zu stoppen muss man nochmal auf den ersten Button drücken. Unten gibt es drei Knöpfe, die die Funktionalität unser Application beschreiben. Calibrate ist der Knopf für die Eichung. Diese dauert 10 Sekunden und der SunSPOT muss still in seine Initialposition gelasssen sein. Es ist wichtig die Eichung vor jede Messung zu realisieren. Collect data ist der zweite Knopf. Sein Ziel ist die Daten für Messungen zu sammeln. Die Daten werden gespeichert bis der Benutzer Stop collecting drückt. Inzwischen der SunSPOT kann auf die gewünschte Fläche bewegt sein. Anhand der Beschleunigung- Daten wird die Geschwindigkeit und die Distanz in der 3 Richtungen berechnet sein. Um die Daten vollständiger zu sein, es gibt die Möglichkeit die Beschleunigungen in der 3 Richtungen ohne sleep zu schicken. Das kann man erhalten wenn die Übertragung mit Sleep gestoppt ist (zewites Mal auf ersten Knopf drücken, zweite LED wird ausgeschaltet) und dann auf zweiten Knopf drücken (siebte LED wird blau gefärbt). Diese Übertragung kann auch gestoppt sein wenn man nochmal auf den zweiten Knopf drückt. Das Echzeit Diagramm wird bei dieser Übertragung gestoppt. Graphic, der letzte Button wird dann verfügbar sein, wenn mindestens einmal Daten gesammelt werden. Dieser Knopf wird ein zweites Fenster öffnen. Hier hat der Benutzer die Möglichkeit die vorige Bewegung, für die die Daten gespeichert werden, zu analysieren.

14 Man kann die gewünschten Daten auf x und auf y (Beschleunigung, Geschwindigkeit, Distanz in x, y, z Richtung oder Zeit) wählen und dann das Diagramm zeichnen lassen nachdem man den Button Show Graphic gedrückt hat. Mehrere Diagrammen können geöffnet sein. Beschleunigung auf der x-achse Geschwindigkeit auf der y-achse Distanz auf der z-achse Distanz auf der x und y-achse

15 Ergebnisse und Interpretation Der SunSPOT steht für 4 Sekunden still. (Ergebnis: 3 cm x Achse, 5,5 cm y Achse) Der SunSPOT war ungefähr 6 cm nach rechts bewegt. Rechts ist die Bewegung auf der negative Achse. (Ergebnis: 15 cm x Achse, 5 cm y Achse) Die Bewegung ist unten und links. Unten ist die positive y Achse also y wächst und x bleibt ziemlich konstant. Nach links ist die positive x Achse, x wächst und y bleibt konstant.

16 Die Bewegung ist ein Quadrat (unten, rechts, oben, links). Diagramm begint mit (0,0); unten ist die Bewegung in positive y Richtung y wächst; rechts ist in negative x Richtung; oben ist in negative y Richtung; links ist positive Bewegung x wächst. Hier wurde ein Kreis simuliert. Die erste Bewegung ist oben rechts. Der SunSPOT wird wie eine Welle nach rechts verschoben. Die Bewegung war ungefähr 10 cm auf x und 7 cm auf y.

17 Erweiterungen Zur Zeit hat das Projekt mehrere Möglichkeiten die Daten zu visualisieren. Man kann verschiedene 2D Graphen nach Wunsch erzeugen. Eine schöne Erweiterung von das Projekt wäre eine 3D Visualisierung der Beschleunigungen, Geschwindigkeiten und Distanzen. Man konnte besser die Genauigkeit der empfangene Daten und auch die Bewegung des Sun SPOTs sehen. Eine Problem, die wir von Anfang an hatten war die Genauigkeit der Beschleunigungsmessungen. Wir haben das Problem durch die Implementierung eines Mittelwertsfilter ein bisschen behoben aber die Ergebnisse sind noch nicht optimal. Es gibt immer Rausch bei den Messungen. Man konnte auch andere Filtern implementieren und sehen welches am besten passt.

18 Fazit Der Ziel des Projektes war die Visualisierung der Beschleunigungen auf der drei Achsen x, y und z und auch die Berechnung der Position des SPOTs im Raum. Während der Entwicklung sind mehrere Schwirigkeiten erschienen. Erstens die Kalibrierung der empfangenen Daten. Dafür haben wir zwei Methoden getestet eine mit einen Schwellwert und die andere mittels eine Mittelwert-Funktion. Wir haben uns für die Mittelwert-Funktion entschieden weil es mehr realistisch ist. Zweitens auch nach der Eichung gibt es noch Rausch und die Messfehler wechsen proportional zu der Zeit. Die Visualisierung war mittels JfreeChart realisiert, die mehrere Möglichkeiten zur Darstellung der Daten bietet. Das Projekt war eine gute Gelegenheit für uns um mit physicalischen Daten zu arbeiten. Wir könnten diese Daten anhand des Sun SPOTs sammeln und dann die mit selbst implementierte Funktionen weiter zu bearbeiten. Schliesslich haben wir die Daten dargestellt, die einer der besten Methode um die Daten zu analisieren und interpretieren ist.