Fun with Fan part 4

Teoria już za nami - czas na kodzik!

Na dobry początek rozważmy rozwiązanie wykorzystujące mechanizm przerwań i timer. Sygnał tacho podepniemy pod zewnętrzne przerwanie INT2 (PD3 w mojej Atmedze), a timer skonfigurujemy tak, by generował przerwanie co 1 sekundę. W obsłudze przerwania INT2 będziemy zliczać impulsy, a co sekundę, dzięki timerowi policzymy, ile obrotów wykonał nasz wentylator. Wiemy, że na pełen obrót składają się 2 impulsy, dlatego sumę impulsów podzielimy przez 2.

Żeby mieć jako takie pojęcie o tym, co się dzieje na pokładzie mikrokontrolera, wyślemy ilość obrotów na minutę USARTem przez bluetooth'a wprost do aplikacji terminala odpalonej na telefonie z Androidem. Informację o prędkości będziemy wysyłać również co sekundę. Skąd będziemy wiedzieć kiedy dokładnie? Ustawimy flagę send w obsłudze przerwania!

Do dzieła!

Wyślij SMS o treści...

Wyrównujemy szanse

Dodajmy kolejną możliwość do naszej komunikacyjnej piaskownicy. Za pośrednictwem modułu jesteśmy w stanie przekazać wiadomość SMS do Atmegi. Wyrównajmy szanse - niech teraz Atmega będzie w stanie wysłać SMSa do nas.

W tym celu musimy skonfigurować połączenie z modułem GSM jak poprzednio. Uruchomić moduł, odczekać 15 sekund potrzebne na zalogowanie się do sieci i wysłać - niespodzianka - sekwencję komend AT, które sprawią, że przez sieć GSM poleci SMS od Atmegi wprost do telefonu o wskazanym przez nas numerze telefonu - najlepiej, żeby był to nasz telefon - przynajmniej będziemy wiedzieć, że działa, a karta SIM włożona do modułu GSM nie posłuży nam do wysyłania niechcianych wiadomości do losowych ludzi...

Procedura wysyłania SMSa

Ustalamy tryb tekstowy

AT+CMGF=1

Po otrzymaniu informacji

OK

Podajemy numer telefonu odbiorcy

AT+CMGS=000000000 lub AT+CMGS=+48000000000

Następnie oczekujemy na znak zachęty:

>

Zachęceni podajemy treść SMSa:

Daj sie poznac!

Koniec treści SMSa komunikujemy kombinacją Ctrl+Z... czyli za pomocą kombinacji:

\x1A

Możemy jeszcze zaczekać na potwierdzenie nadania wiadomości

+CMGS: ...

Po otrzymaniu tak rozpoczynającego się ciągu znaków, możemy uznać, że SMS został wysłany - nasz trud skończony.

W optymistycznym przypadku...

...nie będziemy musieli się martwić o nieprzewidziane sytuacje. Jednak warto być świadomym, że każda nasza komenda może zostać niezrozumiana przez moduł GSM, o czym w najlepszym przypadku poinformuje nas pięknym komunikatem ERROR, który przyjdzie do nas zamiast oczekiwanej wiadomości pozytywnej. Dlatego komunikując się z modułem GSM za pomocą komend AT warto określać stan aplikacji - będzie o wiele łatwiej zarządzać kodzikiem i decydować, co w danym momencie powinniśmy zrobić - będziemy mieć informację na temat stanu, w jakim się aktualnie znajdujemy i wiadomości, jaka aktualnie przyszła - sporo wiedzy - warto ją spożytkować w należyty sposób - nie zawsze mamy aż tyle informacji o stanie systemu...

Kodzik
Aby wysłać SMS o treści podanej w kodzie programu powinniśmy wprowadzić aplikację w stan "GSM_Init". W celu odebrania SMSa od modułu GSM, wprowadzamy aplikację w stan "SMS_ReadInit". Zmiana stanu aplikacji może nastąpić na przykład pod wpływem odczytu określonej temperatury (jeżeli podepniemy do układu termometr) lub pod wpływem przerwania wywołanego przez zwarcie lub rozwarcie zewnętrznego układu - kiedy dokładnie - zostawiam Tobie!

- SMS Przyszedł! - Czego chce?

Połączenie

Uruchomienie modułu to dopiero początek. Teraz musimy się z nim dogadać. Na chwilę obecną Fibocom G510 jest połączony z mikrokontrolerem jedynie linią POWER_ON. Do pełni szczęścia potrzebne nam jest jeszcze połączenie USART - 2 kolejne linie. Zatem standardowo - łączymy linię RxD modułu z linią TxD mikrokontrolera, a linię TxD modułu z linią RxD mikrokontrolera. Jak pamiętamy z posta o USART, potrzebna jest też znajomość parametrów transmisji. Domyślnie port UART1 modułu G510 skonfigurowany jest następująco:

• 8 data bits
• 1 stop bit
• no parity
• none flow control
• auto baud rate detect 

Ta ostatnia opcja jest o tyle ciekawa, że to my możemy zdecydować, z jaką prędkością odbywać się będzie nasza komunikacja. Osobiście wybrałem 115200 bps. Radośnie zakładam, że karta SIM jest już na swoim miejscu, a moduł znajduje się tam, gdzie jest zasięg sieci, do której będzie próbował się logować.

Wait a minute...

Połączenie utworzone, czas włączyć moduł i wyciągnąć z niego interesujące nas informacje. Na dzień dobry musimy uzbroić się w ok. 15 sekund cierpliwości - w tym czasie moduł powinien zalogować się do sieci. Sukces tego procesu zostanie oznajmiony poprzez zmianę częstotliwości migania diody podpiętej do linii LPG. To opóźnienie nie jest wymagane w momencie odczytu SMSów obecnych na karcie SIM, aczkolwiek myślę, że warto o nim wspomnieć - choćby po to, by zapamiętać na przyszłość - kiedy to zasięg sieci będzie krokiem wymaganym (choćby po to, by odebrać tego pierwszego SMSa :))

Porozmawiajmy!

G510 komunikuje się z nami za pośrednictwem komend AT. W celu sprawdzenia komunikacji, powinniśmy wysłać do modułu proste "AT" i oczekiwać czegoś w rodzaju "OK" lub "AT OK" - w zależności, czy moduł ma włączone echo, czy nie. Echo może się przydać do kontroli wysyłanych wiadomości - tj. przetwarzając odpowiedź, najpierw sprawdzamy, czy zapytanie, na które odpowiada to to samo, na które oczekujemy. Oprócz tego w ten sposób można sprawdzić poprawność konfiguracji połączenia. Przy pomocy komend AT opisanych w odrębnym dokumencie możemy dowiedzieć się wielu ciekawych rzeczy o stanie modułu. Skupmy się jednak na tych, które pozwolą nam "odebrać SMSa".

Odczyt SMSa z karty SIM

Na początek ustawmy format wiadomości - interesuje nas tekst. zatem:

AT+CMGF=1

oczekujemy odpowiedzi

OK

Następnie wskazujemy, skąd chcemy odczytać SMSa

AT+CPMS="SM"

w odpowiedzi uzyskamy informację zaczynającą się od

+CPMS ...

Teraz właściwe żądanie odczytu SMSa. Do tego celu potrzebujemy id interesującej nas wiadomości. Załóżmy, że przed nadejściem naszego SMSa karta była pusta, zatem chcąc odczytać pierwszą wiadomość:

AT+CMGR=1 lub AT+MMGR=1

Różnica między tymi komendami jest taka, że ta pierwsza zmienia status wiadomości na karcie - tj. ze statusu "REC UNREAD" (otrzymana nieprzeczytana) na status "REC READ" (otrzymana przeczytana). W odpowiedzi otrzymamy strukturę zawierającą informację na temat otrzymanego SMSa (w zależności od parametru ustawionego komendą AT+CSDH) - m. in. numer, z jakiego został wysłany, czas otrzymania i w końcu - treść SMSa.

+CMGR ...

Do nas należy decyzja, co zrobimy z otrzymanymi danymi. Wypadałoby wyłuskać treść SMSa. Co może nieść ze sobą ta treść? Na przykład informację o tym, że powinniśmy włączyć którąś diodę podpiętą do mikrokontrolera albo załączyć przekaźnik, który załączy nam ogrzewanie w domu albo... co tylko sobie wymyślisz :)

Chcąc wykorzystać bardziej informacje zawarte w komendzie zwrotnej +CMGR - powinniśmy pokusić się o utworzenie struktury danych, która przechowa nam to, co dla nas ważne.

Po odczytaniu SMSa możemy go usunąć z karty SIM komendą:

AT+CMGD=1

Która usunie nam wiadomość o identyfikatorze 1 (czyli tą, którą przed chwilą odczytaliśmy). Spodziewamy się odpowiedzi:

OK

Usuwanie SMSów zaraz po ich przetworzeniu odejmuje nam jeden problem - karta SIM nie zapełni się zbyt szybko i nasz układ będzie "responsywny". Od konkretnego problemu zależy, czy będziemy chcieli trzymać SMSy na karcie SIM i jak długo... Jednakowoż uważam, że istnieją lepsze sposoby archiwizacji danych, niż trzymanie ich na karcie SIM.

GSM Fibocom G510

What's next?

Ograniczenia wynikające z utrzymaniem połączenia z mikrokontrolerem za pośrednictwem modułu Bluetooth zmuszą nas prędzej czy później do rozważenia rozwiązania o większym zasięgu. Skoro producenci telefonów komórkowych potrafią jakoś podpiąć kartę SIM do obecnego w telefonie mikrokontrolera, dlaczego my nie moglibyśmy zrobić tego samego? Bezpośrednie łączenie pól karty SIM z Atmegą nie jest najlepszym pomysłem - zastosujmy do tego interfejs!

GSM

Moduł GSM Fibocom G510 jest takim właśnie interfejsem. Z jednej strony podpinamy go do Atmegi (USART - a jakże!), z drugiej strony - montujemy antenę i wkładamy kartę SIM (przed włożeniem karty do slotu warto wyłączyć blokadę SIM - korzystając z telefonu komórkowego). Po podłączeniu do prądu nasza karta powinna się zalogować w sieci - tym samym umożliwić nam komunikację z naszym układem wszędzie tam, gdzie jest zasięg.

Możliwości są ograniczone tylko naszą wyobraźnią. 

Moduł możemy wykorzystać do nawiązywania połączeń, wysyłania SMSów, korzystania z transmisji danych - nasze Rzeczy mogą uzyskać dostęp do Internetu - a Internet... do nich. Zanim jednak przejdziemy do rozmowy z modułem - zobaczmy, w jaki sposób możemy się z nim porozumieć...

Zasilanie

Sięgnijmy po raz kolejny do datasheetu. I tu niestety porażka (przynajmniej w moim przypadku). Producent podaje przedział napięcia od 3.3V do ok. 4V. Podpowiem - na 3.3 nie ma szans - moduł owszem - uruchomi się, ale nie zaloguje się do sieci. Musimy dostarczyć mu rekomendowane przez producenta 4.0-4.1V, co może skutkować pewną akrobatyką, jeżeli chodzi o sposób, w jaki takie zasilanie dostarczymy do układu. Możemy bawić się w konwertery napięcia - by Atmega zasilana napięciem 3.3V była w stanie "dogadać się" z modułem, ale to tylko zwiększa koszt rozwiązania. Warto pomyśleć nad układem, który pracuje na wspólnym napięciu. W tym celu powinniśmy wykorzystać "konfigurowalny" stabilizator napięcia, albo posłużyć się prawami fizyki i wymusić spadek napięcia przed wejściem do układu.
Warto też zwrócić uwagę, że w celu uruchomienia modułu musimy podać stan niski na wejście POWER_ON. Więc zanim zaczniecie panikować, że układ nie działa, upewnijcie się, że takowy stan występuje. Ma to swoje zalety - możemy wyłączać moduł, by oszczędzać energię.

LPG

LED - najprostszy "Hello World" w elektronicznym świecie.

Sugerowany przez producenta sposób podpięcia diody do sygnału LPG (źródło: dokumentacja)

Moduł posiada wyprowadzenie LPG - warto podpiąć do niego diodę, gdyż jest to pierwsza linia sygnałowa, która podpowie nam, w jakim stanie znajduje się obecnie moduł. Sygnał ten możemy poprowadzić też bezpośrednio do naszego mikrokontrolera, by już na poziomie kodu móc śledzić stan modułu. O czym nam opowie sygnał LPG? Sięgnijmy do noty katalogowej.

Stan modułu sygnalizowany przez diodę podpiętą do sygnału LPG (źródło: dokumentacja)

USART

Na pokładzie modułu znajdują się 3 układy USART. Ciekawostką jest fakt, że jeden z nich można wykorzystać do programowania samego modułu. Producent na egzemplarzach oznaczonych OPEN CPU zaimplementował możliwość wgrania swojego małego programu. Na potrzeby niewielkich projektów - mega feature! Skupmy się jednak na komunikacji... A ta przebiega standardowo - musimy skrzyżować linie RxD i TxD modułu z odpowiadającymi liniami mikrokontrolera.

Język

Jak większość modułów tego typu i w tym przypadku do komunikacji wykorzystamy modemowe komendy tekstowe AT. Lista obsługiwanych komend i przykładowe "procedury" - tj. określona kolejność ich wysyłania, w celu uzyskania konkretnego skutku - znajdziemy w dokumentacji. W kolejnych postach opiszę sposób obsługi SMSów (wysyłanie i odbieranie).

Im łatwiej tym lepiej

Moduł możemy zakupić "nagi" - tj. gotowy do lutowania powierzchniowego - jednak na potrzeby prototypowania i niejako zabawy :) warto dorzucić kilka złotych i zakupić układ z wlutowanymi niezbędnymi do prawidłowego działania elementami (gniazdem antenowym, stabilizatorem napięcia, slotem na kartę SIM) z wyprowadzeniami USART na goldpinach. Jak już przyjdzie "co do czego" - zaprojektujemy własny układ i poprowadzimy wszystkie wymagane sygnały.

W oczekiwaniu na podłączenie do zasialnia...

Ważna linia cd.(DS1822-PAR)

Po co mi ta wiedza?

Swego czasu stałem się szczęśliwym posiadaczem czujnika temperatury DS1822-PAR. Czujnik ten jest o tyle ciekawy, że wg noty katalogowej posiada tylko 2 nóżki, do których możemy cokolwiek podpiąć: nóżkę danych (1-Wire) i nóżkę masy (GND). A zasilanie?! No właśnie - i tu jest moc, siła i potęga tego czujnika. Końcówka PAR pochodzi od angielskiego parasite (pasożyt) i nie jest to wcale przesadzone - czujnik czerpie zasilanie z linii danych - wiedzie na niej pasożytnicze życie - jak jemioła na drzewach na przykład...

Co to oznacza dla konstruktora-programisty?

Nie mniej - nie więcej tyle, że trzeba to zasilanie czujnikowi dostarczyć - w przeciwnym wypadku, niczego ciekawego się od niego nie dowiemy - a zwłaszcza, jaka temperatura panuje w naszym otoczeniu. To od czego zacząć? Jak zwykle - od czytania dokumentacji.

Sposób podpięcia czujnika do mikrokontrolera (źródło: datasheet)

Jak widać - w tym przypadku określenie 1-Wire jest pewnym niedomówieniem :) warto jednak pamiętać, że 1-Wire określa tylko ilość linii, jaka jest wykorzystywana do przesyłania danych. Korzystając z pasożytniczego czujnika będziemy potrzebować jeszcze jednego pinu mikrokontrolera, który będzie sterował tranzystorem dostarczającym zasilanie na linię danych.

Najlepszą dokumentacją jest kodzik!

Podłączyliśmy termometr do linii danych, czas te dane z niego wyciągnąć! Bit po bicie... Nasz mikrokontroler będzie działał jako master w tym tandemie, w związku z tym potrzebna mu będzie wiedza, jak wysłać sygnał reset na magistralę:

Kolejnym krokiem - odebranie pojedynczego bitu z magistrali:
Zatem chcąc odebrać bajt:
Jak już potrafimy odczytać, nauczmy się wysyłać: I znowu - bajt:

To jaka jest temperatura otoczenia?

Teraz wystarczy tylko poprosić termometr o podanie temperatury. W tym celu będziemy musieli wysłać mu kilka komend - 0xCC (skip ROM), 0x44 (convert T) oraz 0xBE (read Scratchpad). Szczegółowy opis znajdziecie w dokumentacji. Tam też znajdziecie tabelki z tajemną wiedzą na temat kolejności wysyłania poszczególnych komend. A jak to będzie wyglądać w naszym przypadku? Dane pochodzące z termometru pochodzą z 'brudnopisu' (scratchpad) czujnika. Temperatura zapisana jest na 2 bajtach. W celu wyliczenia prawidłowej wartości, musimy dokonać małej arytmetyki na tych wartościach - ponownie posługując się wiedzą z dokumentacji.

Sposób przechowywania temperatury przez czujnik. Źródło: datasheet.

Zatem co musimy zrobić? Wziąć MS Byte, przesunąć go bitowo o 8 miejsc w prawo, zapisać do 16 bitowej zmiennej, do tego dopisać LS Byte i podzielić całość przez 16 (ujemne potęgi 2 na najmłodszych bitach LS Byte -> 2^4 = 16).

I po co to wszystko?

A z otrzymaną wartością temperatury możemy zrobić, co tylko chcemy - na przykład wysłać ją za pośrednictwem USART do innego urządzenia, a uzyskane dane przedstawić na wykresie:

Na wykresie zaznaczone są pomiary temperatury odnotowane podczas "złapania" czujnika DS1822-PAR w 2 palce (między kciuk a wskazujący). Czujnik złapałem w 21 sekundzie eksperymentu, puściłem w 49. Z wykresu wynika, że czujnik szybciej reaguje na wzrost temperatury niż na jej spadek - posiada pewną bezwładność. Całość dostępna oczywiście na githubie.

Czy w moim AVR jest miejsce na czasownik?

W jakim stanie się znajduje?

Program napisany na mikrokontrolerze wykonuje się w pętli nieskończonej. Podczas jednego przebiegu pętli możemy wyróżnić różne stany, w jakich znajduje się nasza aplikacja. Myśląc o kodziku jako zbiorze stanów, będzie nam łatwiej zarządzać i rozwijać to, co nam głowa do Atmel Studio przyniesie. Weźmy na warsztat jeden z ostatnich kawałków kodu...

czasownik «część mowy obejmująca wyrazy oznaczające czynność lub stan; też: wyraz należący do tej części mowy»  - SJP

Logika biznesowa - Red!

Skomplikujmy nieco ten przykład. Załóżmy, że pewne urządzenie podpięte do naszej Atmegi za pośrednictwem USART powinno zmieniać stan naszych diod. Wiemy jak skonfigurować komunikację. Skąd będziemy wiedzieć, kiedy ma się zmienić stan? Ustalmy protokół: 'A' będzie załączać diodę przy pinie PB0, 'a' - wyłączać. Analogicznie dla diody podpiętej do pinu PB1 'B' ją załączy, a 'b' wyłączy.

Najprostszy pomysł - Green!

Jak mogłaby wyglądać obsługa przerwania USART0_RXC_vect? Na przykład tak:

ISR(USART0_RXC_vect)
{
    char temp;

    temp = UDR0;

    if (temp == 'a')
    {
        PORTB |= (1 << PB0);
    }
    else if (temp == 'A')
    {
        PORTB &= ~(1 << PB0);     
    }
    else if (temp == 'b')
    {
        PORTB |= (1 << PB1);
    }
    else if (temp == 'B')
    {
        PORTB &= ~(1 << PB1);    
    }
}

Działa? Wyśmienicie! Wygląda? Byle jak. Poza tym możemy tu wpaść w pułapkę 'rozwleczenia' przerwania. Jego czas wykonania może stać się niebezpiecznie długie i negatywnie wpłynąć na główny kod programu. Mało tego - traci nam się informacja, co właściwie oznaczały te literki? Pomijam już fakt, że można dać tu switcha.
Zastanówmy się, co powinno wydarzyć się w obsłudze przerwania, na jakiej informacji nam zależy?
Chcemy się dowiedzieć, jaką informację przekazało nam urządzenie podłączone przez USART. Czy pozostałą część kodu interesuje znak, jaki się tu pojawił? Nie. Ważna jest akcja, jaka powinna zostać wykonana po otrzymaniu konkretnego znaku. Przetłumaczmy ją zatem na coś bardziej zrozumiałego.

Refactor!

ISR(USART0_RXC_vect)
{
    char messsage;
    
    messsage = UDR0;
    
    switch (messsage)
    {
        case TurnLed0Off:
            state = Led0Off;
            break;
        case TurnLed0On:
            state = Led0On;
            break;
        case TurnLed1Off:
            state = Led1Off;
            break;
        case TurnLed1On:
            state = Led1On;
            break;
        default:
            state = Idle;
            break;
    }
}

Co się stało?

Nazwaliśmy to, co właściwie wpada do naszego systemu, a oprócz tego wprowadziliśmy zmienną state, do której przypisujemy jakieś wartości. Określają one, w jakim stanie ma się znaleźć mikrokontroler - a dokładniej, jaką akcję powinien wykonać w momencie otrzymania konkretnej wiadomości. Skąd wziąć te wartości? Użyjmy enuma! I umieśćmy gdzieś na początku kodu.

typedef enum 
{ 
    Idle = 0, 
    Led0On, 
    Led0Off, 
    Led1On, 
    Led1Off 
} States;

typedef enum 
{ 
    TurnLed0On = 'A', 
    TurnLed0Off = 'a', 
    TurnLed1On = 'B', 
    TurnLed1Off = 'b' 
} Messages;

Jeszcze tylko zmienna state widoczna w obsłudze przerwania...

volatile States state;

...którą na dzień dobry ustawimy w stan Idle

state = Idle;

I obsługa poszczególnych stanów w kodzie programu:

while (1)
{
    switch (state)
    {
        case Idle:               
            break;
        case Led0Off:
            PORTB |= (1 << PB0);
            state = Idle;
            break;
        case Led0On:
            PORTB &= ~(1 << PB0);
            state = Idle;
            break;
        case Led1Off:
            PORTB |= (1 << PB0);
            state = Idle;
            break;
        case Led1On:
            PORTB &= ~(1 << PB0);
            state = Idle;
            break;
        default:
            break;       
    }    
}

W ten sposób otrzymaliśmy działający kodzik gotowy na implementację kolejnych bardziej lub mniej zawiłych zasad i reguł. Zwróć uwagę, że obsługa danego stanu kończy się przejściem w stan bezczynności (Idle).

Rozpatrzyliśmy dość trywialny przypadek oparty o diody i 4 komendy. Czy to podejście można zastosować do implementacji 'rozmowy' z jakimś modułem zewnętrznym? WiFi? GSM?