P13 Plateforme expérimentation IOT : Différence entre versions

Version actuelle datée du 24 mars 2016 à 14:21

Présentation du projet

Contexte

Dans un monde qui va devenir connectée, il a été décidé de réaliser un projet sur ces nouvelles technologies. La plateforme pourra être implantée dans la nouvelle bibliothèque universitaire du campus de Lille.
Les utilisateurs pourront bénéficier d’informations disponibles tel que les places disponibles, la température, la luminosité … Ces informations dépendront des capteurs mis sur le nœud.

Le deuxième intérêt que l’internet des objets nous procure, c’est l’historique et la prévision. En effet on aura une possibilité de stocker les informations.

Exemple :

• Commander le chauffage en fonction des températures extérieures ou d’estimer la consommation par rapport aux années précédentes.
• Effectuer un suivi de la fréquentation de la bibliothèque. Cette fréquentation pourra être analysée afin de mettre plus de personnel lors des périodes de forte affluence comme des jobs étudiant.

Le but de ce projet est de développer une plateforme d’expérimentation.

Cahier des charges

Objectif :
-Réaliser un noeud de capteur

Il a été défini lors des réunions les points suivants :

-Structure d'un nœud de capteur
Un nœud de capteur sera composé d'une carte mère, de 8 cartes filles . Sur chacune des filles il y aura deux capteurs implantés dessus.
Ci-dessous un nœud de capteur :

-Communication interne du nœud
Le noeud sera capable de se recongifurer tout seul via la raspberry.
Par soucis de sécurité on pourra remonter les données issues des capteurs soit par la liaison série ou par liaison usb.Il faut noter que la liaison USB sera utilisé en fonctionnement normal
Chaque capteur communique en liaisons radios entre eux.

-Communication externe du noeud
Le noeud communiquera vers d'autre noeud ou vers un puit grâce à une liaison radio située sur les cartes des petites filles soit via le cable éthernet placé sur la carte mére.

-Information que l'on souhaite avoir
Afin de réaliser un noeud il a été choisi de faire remonter les informations suivantes :

Ces informations correspondent à des données utilisables en bibliothèque pour les étudiants que pour le personnel. Ces données pourront être stockées en vue d'analyse. Ces dernières seront traitées dans le projet P10.

A la découverte de la programmation PDI

Présentation du PDI

Le Programme et Débogue l'Interface (PDI) est une interface propriétaire Atmel pour la programmation externe et son débogage.Il est constitué de deux éléments:
-Clock
-Data

Schéma du connecteur pour la programmation en pdi

Horloge

Relevé de l'horloge (PDI CLK)
On observe des oscillations. Ces dernières ont un dépassement de 20%
La fréquence minimale de programmation est de 10 KHZ . Nous sommes à la fréquence de 2 Mhz

Données

Relevé de la trame de données (PDI DATA)
Fréquence de la trame : 2.7174 Hz

Programmation à l'aide du mkII

Matériel nécessaire

-Pc avec AVR Studio
-Connecteur MKII
-Atxmega
-Led
-Résistance

Schéma d'installation :

AVR Studio

Le logiciel AVR Studio est disponible à l'adresse suivante :http://www.atmel.com/microsite/avr_studio_5/

Exemple

Clignotement d'une Led :
Code C :

1. include <avr/io.h>
   

int main(void)
{
int i;
PORTB_DIR= 0XFF;
while(1)
{
PORTB_OUT= 0x00;
for(i=0;i<=10000;i++);
PORTB_OUT= 0xFF;
for(i=0;i<=10000;i++);
}
}

Relevé du résultat :

Programmation via une Raspberry

Matériel nécessaire

Le matériel nécessaire pour programmer les cartes avec une Raspberry est le suivant :
- Pc
- Microcontrôleur : Atxmega par exemple
- Platine d'expérimentation
- Led
- Résistance

Bibliothèque

Les bibliothèques suivantes sont nécessaire pour reprogrammer en PDI :
- gcc-avr
- binutils-avr
- https://github.com/DiUS/xmega-pdi-pi2
- build-essential
- g ++
-libcm2835

Installation de la libcm2835
wget http://67.192.60.197/mikem/bcm2835/bcm2835-1.46.tar.gz
tar xvfz bcm2835-1.4.6.tar.gz;
cd bcm2835-1.46;
./configure;
make;
sudo make install

Connexion du Pdi sur la Raspbrerry

Le PDI sera connecté sur les broches suivantes de la Raspberry :
-broche 1 : 3.3V
-broche 25 : GND
-broche 16 : PDI_Data
-broche 18 : PDI_clk
Correspondance entre les broches et les gpio :

Programmation

Un exemple de programmation du microcontrôleur via le PDI

- Compilation du fichier C
$ avr-gcc -g -Os -mmcu=atxmega64a1 -c demo.c

- Génération du fichier .hex
$ avr-gcc -g -mmcu=atxmega64a1 -o demo.elf demo.o
$ avr-objcopy -j .text -j .data -O ihex demo.elf demo.hex

- Transfert du fichier .hex à la racine de la raspberry
scp nom_fichier.hex pi@adresse_raspberry:~/

- Transfert de la raspberry vers l'atxmega
sudo ./pdi -c (Numéro de la GBIO de la Clock) -d (Numéro de la GBIO de la Data) -a override base address (note: PDI address space) - F Nom du fichier.hex

Exemple

Clignotement d'une Led :
Code C :

1. include <avr/io.h>
   

int main (void)
{
int i;
PORTB.DIR= 1;
while(1)
{
PORTB.OUT=0;
for(i=0;i<=10000;i++);
PORTB.OUT= 1;
for(i=0;i<=10000;i++);
}
}

Fichier hex généré pour l 'atxmega

Extrait du fichier hex :

1001F0000C94080111241FBECFEFDFE2DEBFCDBF9C

1002000018BE19BE1ABE1BBE0E940A010C94120130

100210000C9400008FEF80932006109224068093A8

080220002406FBCFF894FFCF88

00000001FF

Résultat :

Programmation via un microcontrôleur

Le matériel nécessaire pour programmer les cartes avec un microcontrôleur est le suivant :
-2 microcontrôleur de type Atxmega
-Platine d'expérimentation
-Led
-Résistance

Schéma de connexion entre les microcontrôleurs  :

Atmel Software Framework (ASF)

Présentation

Extrait issue du site Atmel :

The Atmel® Software Framework (ASF) is a MCU software library providing a large collection of embedded software for Atmel flash MCUs: megaAVR, AVR XMEGA, AVR UC3 and SAM devices.

It simplifies the usage of microcontrollers, providing an abstraction to the hardware and high-value middlewares ASF is designed to be used for evaluation, prototyping, design and production phases ASF is integrated in the Atmel Studio IDE with a graphical user interface or available as standalone for GCC, IAR compilers ASF can be downloaded for free

Access the ASF documentation.

Note: ASF in Atmel Studio does not require a specific download. Use Atmel Studio Extension Manager (Tools->Extension Manager) or visit Atmel Gallery to update ASF in Atmel Studio.

Le site se situe à l'adresse suivante : asf framework

Capture d'écran du site :

USART

Format de la trame

Le projet P10 souhaite que la trame issue de l'USART soit la suivante :

Exemple :

Implantation

Fonctionnement durant la procédure de test

Commande hub USART (carte A)

Génération de trame aléatoire

Code : Fichier:Generateur trame aleatoire.zip
Le fichier main (usart_example.c) se trouve dans le dossier suivant :
generateur_trame_aleatoire\USART_EXAMPLE2\src\config\usart_example.c

Pour régler la vitesse de l'usb et de l'uart il faut modifier le fichier suivant :
generateur_trame_aleatoire\USART_EXAMPLE2\src\config\conf_usart_example.h

Modification de la vitesse pour la liaisons série : #define USART_SERIAL_J1_BAUDRATE 9600
Modification de la vitesse pour la liaisons USB : #define USART_SERIAL_J4_BAUDRATE 115200

Simulation d'une trame donnée

Code : Fichier:Generateur trame donne.zip
Le fichier main (usart_example.c) se trouve dans le dossier suivant :
generateur_trame_donne\USART_EXAMPLE2\src\config\usart_example.c

Pour régler la vitesse de l'usb et de l'uart il faut modifier le fichier suivant :
generateur_trame_donne\USART_EXAMPLE2\src\config\conf_usart_example.h

Modification de la vitesse pour la liaisons série : #define USART_SERIAL_J1_BAUDRATE 9600
Modification de la vitesse pour la liaisons USB : #define USART_SERIAL_J4_BAUDRATE 115200

USB

Présentation de la board EVB-USB2517

The SMSC USB2517 MultiTRAK™ is a Low-Power Full-Featured High-Speed USB 2.0 compliant hub with seven down-stream ports. The EVB-USB2517 Evaluation Board demonstrates a standalone application for the hub with advanced power saving options and configurable port assignments. It is a demonstration and low-cost evaluation platform that robustly demonstrates the unique features of this device using a low-cost PCB implementation with individual port power control. The EVB-USB2517 is designed for a low cost, power efficient implementation of a High-Speed USB Hub that supports internal default hub configurations as well as optionally supports an external EERPOM configuration. This evaluation platform supports a red LED indicator for the High-Speed hub state as well as standard USB Amber/Green LED indicators for operational state indication.
Source : Microship

Implantations

Normalisation électrique

Configuration des Raspberry

Raspberry PI

Mapping de connection du noeud :

Raspberry PI 2

Exemple de capteur

Mesure de la température

Ce type de capteur utilise le convertisseur analogique numérique du microcontroleur. Les paramétres à configurés seront les suivantes :

* Quantum

* Plage de mesure

* Registre 

Ce capteur à les caractéristiques suivantes :
Fournisseur : Conrard
Référence :Capteur de température numérique TSIC506 boîtier TO 92 B & B Thermotechnik TSIC506-TO92
Plage de mesure :-10 C - 60C
Tension d'alimentation :3-5.5V
Précision : +/- 0.1 C
Consommation : 30 - 60 µA


Implantation
Les cartes Xplained mise à notre disposition sont équipées de capteur de température.Nous avons implanté un pseudo noeud de capteur dans la salle E306 le 1 février
Code : Fichier:Capteur temperature.zip
Le fichier main (adc_example1_gfx.c) se trouve dans le dossier suivant :
capteur_temperature\src\adc_example1_gfx.c

Pour régler la vitesse de l'usb et de l'uart il faut modifier le fichier suivant :
capteur_temperature\src\config\conf_usart_spi.h

Modification de la vitesse pour la liaisons série : #define USART_SERIAL_J1_BAUDRATE 9600
Modification de la vitesse pour la liaisons USB : #define USART_SERIAL_J4_BAUDRATE 115200

Mesure du volume sonore

La mesure d'un volume sonore se réalise par la transformation d'un vibration en un signal éléctrique.Afin de pouvoir l'exploiter il faudra le connecté sur le convertisseur analogique numérique du microcontroleur.Les paramétres à configurés seront les suivantes :

* Quantum

* Registre 

Ce capteur à les caractéristiques suivantes :
Fournisseur : Zartronic.fr
Référence :Capteur Sonore Analogique
Tension d'alimentation :5V


Exemple de courbe généré par le générateur de trame

Mesure de la luminosité

La mesure de la luminosité s'effectue avec l'aide d'un photo-transistor. Le photo-tansistor fera varier une résistance. On peut mesurer sa tension a ses bornes. Cette tension étant trés faible il est nécessaire d'avoir un amplificateur en sortie. La tension sera exploitable par le convertisseur analogique numérique du microcontroleur.Les paramétres à configurés seront les suivantes :

* Quantum

* Registre 

Ce capteur à les caractéristiques suivantes :
Fournisseur : Conrard
Référence :Photo-résistance FW200

Composition d'un noeud

La carte mère

Composition
La carte mère est constitué de  :
- une carte raspberry pi
- un hub USART (matérialisé ici par une carte XMega-A3BUX Xplained)
- un hub USB

Amont (Réseaux)
Hub UART	Rapsberry	Hub USB
Aval (Vers carte fille)

Fonctions

Connexions

La carte fille

Composition
La carte fille est constituée d'une carte Xplained

Amont (Vers Raspberry )

Aval (Vers carte petite fille)

Fonction
Les fonctions de la carte sont :

Connexion

La carte petite fille

Présentation
Cette carte ne sera pas présente dans le nœud. Le générateur de trame nous simulera les informations remontées par cette dernière .
Fonction

Connexion
Dénomination des cartes :

Interface web

Adresse du site de présentation : lien

Page Home :

Page Setting :

Plateforme intermédiaire

Schéma

Implantation

Information

Plateforme

Nœud 1

Composition

Le nœud 1 est constitué de :
carte mère :
-1 Raspberry PI2
-2 cartes EVB-USB2517

carte fille :
-6 cartes d'essai Xplained

carte petite fille :
Ces cartes ne sont pas implantées sur le nœud. On simulera les capteurs.

Implantation

Information

Nœud 2

Composition

Le nœud 2 est constitué de :
carte mère :
-1 Raspberry PI
-1 carte EVB-USB2517
-1 hub usb
-1 boutons poussoirs pour effectuer une remise à zéro
-1 dispositif de visualisation

carte fille :
-4 cartes d'essai Xplained

carte petite fille :
Ces cartes ne sont pas implantées sur le nœud. On simulera les capteurs.

Implantation

Sans liaison USB	Avec liaison USB

Information

Code source

• ces commandes sont possible si on crée un path

Code d'exemple pour l'UART:Média:UART.zip
Code d'exemple pour l'USB :Média:USB.zip

Vous trouvez l'ensemble des codes dans ce fichier :Média:Lilliad_plateforme_code_source.zip

Réalisation d'un support de présentation

Procédure et historique

Mode de programmation

Programmation simple

Ce câblage est le plus utilisé sur le nœud car on reprogramme une carte avec un fichier.
Schéma :

Programmation Multiple

Ce cablage nous permet de connecter plusieurs carte ensemble afin d'utiliser qu'un seul programme

Procédure pour programmer un nœud

La commande pour programmer un nœud est la suivante : programmer
La commande a besoin d'argument pour reprogrammé le noeud. Ces arguments sont des fichier .hex
En fonction du nombre d'argument le programme va réalisé les programmations suivantes :

Capture d'écran du programme:

Procédure pour remettre à zéro un nœud

Pour remettre à zéro l'ensemble du nœud il faut appuyer sur le boutons poussoirs pendant 5 secondes. Ensuite la raspberry remettra le nœud à zéro via le programme RAZ. Capture d'écran de la remise à zéro.

A cela s'ajoute une LED qui s'allume dés que la demande du boutons a été prise en compte et ceux jusqu’à la fin de la procédure de la remise à zéro.

Procédure de démarrage

Cette procédure doit être exécuter à chaque démarrage de la Raspberry. Cette procédure initialise les GPIO, remet à zéro le nœud et lance en tache de fond la gestion du boutons poussoirs Capture d'écran de la procédure de démarrage:

Historique des bug sur la plateforme

-25 janvier
Programmation (PDI ) : Error : failed to rewrite at the adress 4096 -> Reprogrammation effectué
8 tentative avant la reprogrammation de la flash

- 3 février
Programmation (PDI ) : Error : failed to rewrite at the adress 0 sur les GPIO 5 et 6 -> changement du mapping de la raspberry

- 3 février au 9 février
aucun problème n'a été constaté . Des tests sont effectués régulièrement sur la reprogrammation des cartes et sur la lecture des données

- 9 février 16:00
Le nœud 1 est inaccessible en attente de la modifications du réseau par le projet P10

- 9 février 16:00 - 16 février 16:00
Problème de configuration réseaux. Les cartes sont ré-configurés en local. En dehors des heures de projet les nœuds sont hors tension

- 10 février
Aucun test de remonter de donné n a pu être réalisé .Des tests en local ont effectué après une journée de non alimentation des nœuds. Il s'est relevé l'erreur suivante :Error Fail to rewrite at the adres xxxx.
Recherche du problème

- 11 février
Des tests en local sont en cours afin de trouver une procédure de redémarrage.Les premiers semble aboutir. Le noeud a été mis au repose pendant une journée afin de recommencer la procédure

- 12 février
Suite des tests de la procédure de redémarrage
- Programmation (PDI ) : Error : failed to rewrite at the adress 8704 -> Reprogrammation effectué
- RAZ : Error :failed to perform chip erase ->Opération effectué
Taux de réussite des tests : 7/10
La procédure de démarrage est quasi opérationnel . Les prochains tests nous permettrons de fiabiliser la procédure

- 15 février
Procédure de redémarrage fiabiliser. Nous sommes en mesure de reprogrammer l'ensemble du nœud avec zéro erreur
Nouvelle procédure de programmation mise en place. Les résultats est de 100 % de réussite a chaque programmation , chaque redémarrage quelque soit le programme

- 16 février
Déploiement de la nouvelle méthode de programmation sur les deux noeuds. Le nœud 2 est opérationnel pour effectuer une démonstration lors de la soutenance. Le réseaux a été rétabli à 16h

- 17 février
Cette journée a été consacrée à la prise en main de la plateforme existante par les encadrants.Aucun problème constaté sur la plateforme

- 18 février
Ajout de la fonction Remise à zéro du nœud par simple appui sur le boutons poussoirs et de la procédure de démarrage. Arrêt temporaire de développement de la plateforme

- 19 février - 23 février
Rédactions des livrables de fin de projet

- 22 février
Tournage de la vidéo

- 25 février
Rendu des codes sources. Fin du projet

Évolution vers un nœud implantable dans un lieux public

Mesure de l' énergie

Implantée sur la carte mère la mesure de l'énergie nous indiquera la consommation du nœud. Cette dernière sera mesurer à l'aide de convertisseurs analogique-numérique
La consomation ne peut pas être mesuré directement. Pour cela on va utiliser une résistance de quelque ohms.La façon la plus simple est de connaitre les éléments suivants :
-la valeur de la résistance
-la tension

Formule à utiliser pour estimer la puissance:
On pose :
Mr : valeur issue du CAN
Ir: Estimation du courant dans la résistance
U : tension d'alimentation

Afin d'estimer le courant de la résistance il faut convertir Mr suivant la courbe du CAN. Cette dernière est linéaire.
Un fois la valeur convertie on aura à appliquer la formule suivante : P=U*Ir

Modification de la trame de donnée

La trame utilisé lors des différents essai ne correspond pas totalement aux besoins de l'utilisateur. C'est pour cette raison que nous allons remplacé la trame par celle-ci:

Alimentation externe du nœud

Actuellement nous alimentons le nœud via la raspberry. L’idée est de passé sur une alimentation secteur 230 V.

Remplacement des cartes d'essais

Carte mère
On conserve la Raspberry ainsi que l’hub USB. On supprimera les câbles série USB par une carte dédiée à l’UART.
Cette carte sera composée d’un ATxmega32A4U qui a les caractéristiques suivantes :
- Reprogrammation en PDI
- 5 ports USART
- CAN
- USB
- 7 port SPI
- 2 portI2C

Pour plus d'informations cliquez ici
Pour les bessoins du noeud nous avons décider de mettre 2 ATxmega32A4U . Ce choix nous permet d'avoir un demi noeud toujours opérationnel. De plus nous avons la possibilité de reprogrammer les deux cartes avec le même fichier .
Exemple de configuration des ports

Schéma de la carte mère :

Le (1) nous montre le remplacements des cartes.Cette carte pourra mesuré de l’énergie d'un demi nœud

Carte fille
La carte Xplained sera remplacée par un ATxmega256C3 qui a les caractéristiques suivantes :
- Reprogrammation en PDI
- 3 ports USART
- CAN
- USB
- 5 port SPI
- 2 portI2C

Pour plus d'informations cliquez ici
Exemple de configuration des ports

Carte petite fille
Actuellement nous fonctionnons avec un générateur de trame il sera remplacé par une carte STM32F4

Les différents changements nous conduirons a ce schéma :

Légende :

La sélection des microcontrôleurs est donnée à titre d'exemple. Vous avez la possibilité de choisir vôtre microcontrôleur en utilisant l’outil de sélection de chez Atmel qui se trouve ici

Avancement du projet

Dans cette section vous trouverez une vue de l'avancement du projet. Cette section doit être interactive.

Problème rencontrées

A faire

Matériel supplémentaire

5 duplicateurs de ports USB
3 alim 5V / 15W
3 câbles pour alim
3 câbles FTDI intégrés
8 XMEGA-A3BU Xplained