Arduino i nadzor parametara prostorije

Seriju članaka o malenim, ali moćnim platformama, zaokružit ćemo Arduinom pomoću kojeg ćemo mjeriti temperaturu i vlažnost prostorije, te količinu svjetla.

Arduino je razvijen u Italiji za poučavanje programiranja u  C/C++ programskim jezicima. Napravljen je od open source hardverskih komponenti koje su spojene na 8-bitni Atmel AVR mikrokontroler ili 32-bitni ARM procesor. Trenutno postoji 16 različitih modela, a svi se mogu proširivati sa tzv. shield-ovima, gotovim PCB-ovima koji imaju različite funkcije. Arduino dolazi u različitim veličinama, na slici 1 prikazani su Arduino Uno i Arduino (Pro) Mini zajedno s jednom AA baterijom, čisto za usporedbu veličine.

Slika 1.

U našem primjeru koristit ćemo model Uno čiji su dijelovi opisani na slici 2. Što se tiče cijene, kineske kopije mogu  se pronaći za 9,99 USD, a nude istu funkcionalnost kao i talijanski originali uz nešto manju kvalitetu izrade.

Slika 2. (klik za uvećanje)

Arduino se programira putem Arduino Software-a, besplatnim IDE-om u kojem se piše C/C++ programski kod i prebacuje na Arduino. On radi na Windows platformi, MAC OS X-u i Linuxu, a može se doći i do izvornog koda. S IDE-om dolazi velik broj primjera koji mogu dobro poslužiti za upoznavanje s programiranjem.

Slika 3.

Klikom na prvu ikonu gore lijevo (znak "viđeno") obavlja se kompajliranje, a sljedeće dugme (sa strelicom udesno) prebacuje program na Arduino koji je na računalo spojeno USB kabelom. Koliko je programiranje jednostavno možete zaključiti iz priloženog programskog koda koji naizmjenično pali i gasi jednu ledicu spojenu na Arduino. Ovo je jedan od primjera iz IDE-a:

int led = 5;

void setup() {                
 pinMode(led, OUTPUT);     
}

void loop() {
 digitalWrite(led, HIGH);   
 delay(1000);               
 digitalWrite(led, LOW);   
 delay(1000);              
}

Petlja unutar programa na digitalni izlaz (pin 5) svake sekunde šalje naizmjenično signale HIGH i LOW, što u prijevodu znači da se ledica pali i gasi.

Program se pokreće odmah po prebacivanju na Arduino. Ovisno o tome što radi, rezultati su vidljivi (primjerice, na nekoj vizualnoj komponenti poput ekrana) ili je potrebno uključiti Serial Print (pod opcijom Tools) kojim može uživo pratiti rezultate programa koji se negdje zapisuju. Arduino se uključuje odmah po detekciji napona i program se, ako postoji, počinje automatski izvršavati, što je zgodno pri nestanku struje. Također, ne postoji tipka za gašenje, dovoljno je isključiti napajanje.

Spomenuli smo shield-ove, kojima se svaki Arduino može proširiti. Trenutno postoji više od 300 shield-ova od 125 različitih proizvođača, a osim gotovih, moguće je napraviti i svoj. Brojke pokazuju da je Arduino vrlo popularan i da ne postoji njegova primjena koja nije riješena na neki način. Shield-ovi se mogu slagati jedan na drugog (eng. stacking). Na slici 4 su prikazani neki od shield-ova, a od zanimljivijih spomenimo servo motore.

Slika 4. (klik za uvećanje)

Na slici 4 prikazani su shieldovi redom: 1 – ekran Nokije 3310 (nije baš originalni shield), 2 - 10BASE-T ethernet shield, 3 – RF primopredajnik, 4 – senzor za razinu vode, 5 – LCD ekran 16x2, 6 – konverter USB na TTL Serial, 7 – ultrazvučni senzor za udaljenost (do 2m), 8 – akcelerometar, 9 – PIR senzor, 10 – IR odašiljač, 11 – žiro senzor, 12 – RF primopredajnik, 13 – shield za SD karticu, 14 – IR prijemnik, 15 – RF prijemnik (433MHz), 16 – breadboard (400 pinova), služi za priključivanje elemenata i shield-ova na Arduino, 17 – RFID čitač/pisač, 18 – RF prijemnik, 19 – numerička tipkovnica

Vratimo se na naš primjer mjerenja temperature i vlažnosti zraka, te količine svjetla. Za to će nam trebati dva senzora, jedan za mjerenje temperature i vlažnosti, a drugi za mjerenje količine svjetla. Osim njih spojit ćemo i ethernet shield. Time smo omogućili spremanje podataka na udaljeno računalo ili nadzor parametara u realnom vremenu. Za spajanje shield-ova koristit ćemo breadboard, ali sve komponente je moguće staviti tj. zalemiti na do-it-yourself pločicu i to sve spakirati kao gotov proizvod. Breadboard se uglavnom koristi za testiranje i nije baš preporučljivo postavljati ga trajno u radno okruženje.

Senzor za temperaturu i vlažnost ima oznaku DHT11, a mjeri temperaturu u opsegu od 0 do 50 stupnjeva Celzijusa s preciznošću od +-2 stupnja, te vlažnost u opsegu od 20 do 80% s greškom 5%. Iz priloženog je vidljivo da mu preciznost nije jača strana, ali cijena jest, može se naći za nešto više od 1 USD. Senzor radi na 5V, a izlaz koji daje je digitalni. Ako vam je preciznost bitna, možete nabaviti DHT22 koji mjeri temperaturu u opsegu od -40 do +125 stupnjeva Celzijusa uz preciznost 0.5 stupnjeva. On je nešto skuplji, cca 4 USD.

Senzor količine svjetla je, ustvari, fotootpornik (LDR) vrlo malih dimenzija, u promjeru ima samo 5 mm. Raspon otpora je od 200 KOhma (mrak) do 10 KOhma (svjetlost jačine 10 luxa), a osjetljiv je na svjetlo valnih duljina od 400 nm (ljubičasto) do 600 nm (narančasto). On također radi na 5V, a izlaz je analogna vrijednost koja ima raspon vrijednost od 0 (mrak) do 1023 (jako svjetlo). Dovoljno je osjetljiv da se može koristiti kao alarm za čuvanu sobu u slučaju da "provalnik" ima samo malu ručnu lampu. Cijena mu je otprilike 0,11 USD. Priznat ćete, iznos zvuči smiješno. Na slici 5 su uvećana oba senzora.

Slika 5.

Zadnji shield koji ćemo koristiti je 10BASE-T ethernet shield koji radi na 3.3V. Opet, brzina mu nije najjača strana, ali je i više nego dovoljna za našu primjenu. Cijena mu je oko 3,5 USD.

Spajanje komponenti je prikazano u koracima na slici 6. Na početku su prikazani Arduino Uno i breadboard bez ikakvih drugih elemenata. Kasnije smo dodavali senzore, otpornike i spajali kabele na odgovarajuće pinove, a na zadnjoj slici je prikazan kompletan sklop zajedno s ethernet shield-om (krajnje desno).

Slika 6. (klik za uvećanje)

Slijedi pisanje programa. Ideja je da senzori svaku sekundu očitaju vrijednosti i prikažu ih na web stranici koju ćemo staviti na Arduino. Time ćemo moći u svakom trenutku pristupiti "stroju" preko mreže i očitati vrijednosti. Naravno, umjesto web stranice podaci se mogu zapisivati na memorijsku karticu (potreban je novi shield ili drugi model Arduina) ili na neki drugi poslužitelj.

#include <EtherCard.h>
#include <dht.h>
#define dht_dpin A0 

dht DHT;
int LDRPin = 1;
int LDR; 

static byte mymac[] = { 0x74,0x69,0x69,0x2D,0x30,0x31 };
static byte myip[] = { 192,168,0,5 };
byte Ethernet::buffer[1000];
BufferFiller bfill;

void setup () {
 if (ether.begin(sizeof Ethernet::buffer, mymac) == 0)
  Serial.println( "Failed to access Ethernet controller");
  ether.staticSetup(myip);
}

static word homePage() {
 DHT.read11(dht_dpin);
 LDR = analogRead(LDRPin);
 bfill = ether.tcpOffset();
 bfill.emit_p(PSTR(
   "HTTP/1.0 200 OK\r\n"
   "Content-Type: text/html\r\n"
   "Pragma: no-cache\r\n"
   "\r\n"
   "<meta http-equiv='refresh' content='1'/>"
   "<body bgcolor='#E6E6FA'>"
   "<div style='display: block;width:300px;height:100px;top:15%;margin-left:auto;margin-right:auto'>"
   "<img src='http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/87/Arduino_Logo.svg/720px-Arduino_Logo.svg.png' alt='arduino' width='180' height='100' align='center'>"
   "</div>"
   "<title>Parametri sobe</title>"
   "<h3>Nadzor stanja server sobe</h3>"
   "&nbsp;"
   "<table border='1' color='blue'><tr><td><b>Temperatura:</b></td><td>$D C</td></tr><tr><td><b>Vlaznost</b></td><td>$D %</td></tr><tr><td><b>Svjetlost</b></td><td>$D</td></tr></table>"
   "&nbsp;"
 ),

 byte(DHT.temperature),
 byte(DHT.humidity),
 byte(LDR));
 return bfill.position();
}

void loop () {
 word len = ether.packetReceive();
 word pos = ether.packetLoop(len);

if (pos)
 ether.httpServerReply(homePage());
}

Kako programski jezici C/C++ nemaju naredbe za HTML, potrebno je učitati biblioteku koja to omogućava. Međutim, ne radi se o potpunom HTML-u, a i samo pisanje tagova nije zgodno kao u "pravom" HTML-u, što je vidljivo iz primjera. Na početku smo uključili potrebne biblioteke. Ethernet shield, za razliku od klasičnih mrežnih kartica, nema tvornički upisanu MAC adresu pa je nju potrebno ručno postaviti, kao i IP adresu. Nakon provjere da li je ethernet shield uopće priključen, kreiramo HTML tablicu i u njoj ispisujemo parametre koje dobivamo od senzora. Glavni dio programa u beskonačnoj petlji poziva prikaz stranice ukoliko postoje podaci koji dolaze sa ethernet priključka, a stranica se osvježava svake sekunde. Prilično jednostavno, zar ne? Rezultat programa je web stranica prikazana na slici 7.

Slika 7.

Nismo naveli najzgodniju stvar, a to je izbacivanje samog Arduina iz igre. Naime, program je moguće "spržiti" na mikrokontroler (primjerice, ATMEGA 328P-PU) kojeg onda smjestimo na pločicu zajedno s kristalom koji daje takt (16 MHz) i dva keramička kondenzatora (0,1 pF). Na istu pločicu spojimo shield-ove i ostale elemente, dovedemo napajanje i tako dobijemo neovisni sustav, a Arduino nam ostaje slobodan za novu igru.

Načine primjene Arduina ograničava samo vaša mašta. Primjerice, korisnim se može pokazati IR odašiljač kojim je moguće upaliti klima uređaj kad struja nestane i vrati se. Ili s IR prijemnikom napraviti daljinski upravljač za otvaranje garaže. Još jedna "luda" ideja je samostalni sustav za zalijevanje cvijeća. A naš sustav iz primjera se lako može nadograditi da glumi pravu meteorološku stanicu. Kad krenu, nove ideje same naviru, a sve za iznos koji se lako potroši u jednom večernjem izlasku. Sustav koji smo naveli u primjeru ukupno košta 100-njak kuna, a zabava uz učenje je neprocjenjiva.

Vezani članci:

Raspberry Pi i Arduino - 1. dio
Raspberry Pi i video nadzor