W części drugiej artykułu przedstawiono zastosowanie mikrokontrolera ATmega 328 i układu bazowego ARDUINO UNO w celu zaprojektowania i wykonania stanowiska dydaktyczno-badawczego systemu sygnalizacji włamania i napadu (SSWiN). Opracowane stanowisko będzie wykorzystywane przez studentów zdobywających wiedzę z zakresu inżynierii systemów bezpieczeństwa (mających oczywiście podstawową wiedzę z zakresu elektroniki [1,2]). Umożliwi zapoznanie się z urządzeniami alarmowymi w praktyce i z zasadami ich współpracy z centralą alarmową.
Fot. 1. Moduł wyświetlacza wraz z ARDUINO UNO
1. Zastosowane urządzenia peryferyjne
Platforma Arduino jest wyposażona w wiele modułów peryferyjnych umożliwiających projektowanie i konstruowanie urządzeń zgodnych z wymaganiami użytkownika. Dla potrzeb stanowiska dydaktyczno-badawczego SSWiN wybrano następujące moduły [3]:
- moduł wyświetlacza LCD 16x2 (fot. 1; umożliwia wyświetlanie danych w formacie alfanumerycznym),
- cyfrowy czujnik temperatury i wilgotności (fot. 2; dokonuje pomiaru temperatury i wilgotności otoczenia),
- pasywna czujka podczerwieni PIR ME003 (fot. 3),
- serwomechanizm SG90 (fot. 4),
- moduł zegara czasu rzeczywistego,
- czytnik kart RFID wraz z kartami (fot. 5).
Fot. 2. Czujnik DHT11 wraz z ARDUINO UNO
2. Oprogramowanie Arduino IDE
Do prawidłowej pracy mikrokontrolera wymagane jest oprogramowanie, które steruje jego działaniem. Głównym językiem, w jakim pisze się programy dla mikrokontrolerów, jest Asembler. Układ w swojej wewnętrznej pamięci ROM ma zakodowaną listę rozkazów, które wywoływane są poprzez kolejne komendy napisane w języku Asembler. Znajomość Asemblera jako języka niskiego poziomu nie jest zbyt rozpowszechniona w środowiskach programistycznych. Obecnie edukacja informatyczna ukierunkowana jest na naukę języków wysokiego poziomu, takich jak JAVA, C, C++, C#. Większość studentów lepiej radzi sobie w środowisku JAVA niż z Asemblerem.
Fot. 3. Czujka PIR ME003 i zastosowany w niej element piroelektryczny
Twórcy platformy Arduino, dążąc do maksymalnej elastyczności systemu, stworzyli własne środowisko programistyczne z własnym językiem programowania oraz dużą liczbą bibliotek zawierających dane umożliwiające dopasowanie różnych urządzeń peryferyjnych do mikrokontrolera. Biblioteki te mogą być w prosty sposób edytowane przez użytkownika, co rozszerza możliwości – umożliwia podłączanie kolejnych, nowych urządzeń.
Fot. 4. Widok serwomechanizmu SG90 wraz z ARDUINO UNO i innymi modułami
Do pisania oprogramowania stworzony został język WIRING. Język ten jest oparty na strukturach języków C i C++. Podobnie jak to miało miejsce w języku C program składa się ze zmiennych, funkcji oraz struktur. Konstrukcja programu dla mikrokontrolera ATmega jest przejrzysta i prosta.
Oprogramowanie Arduino IDE zostało stworzone przez twórców platformy Arduino w celu łatwego pisania programów w języku WIRING oraz wgrywania stworzonego kodu wynikowego do mikrokontrolera. Arduino IDE ma w swojej strukturze kompilator z edytorem, co oznacza, że przed wgraniem do układu program jest sprawdzany pod względem poprawności. Ewentualne błędy są wyświetlane w oknie edycyjnym Arduino IDE.
Fot. 5. Czytnik kart MIFARE MF522 oraz widok czytnika kart wraz z ARDUINO UNO
3. Ćwiczenia dydaktyczno-badawcze z zakresu SSWiN
Ćwiczenia praktyczne z wykorzystaniem platformy Arduino są bardzo dobrym edukacyjnym rozwiązaniem dla studentów kierunków technicznych (związanych nie tylko z inżynierią systemów bezpieczeństwa). W ramach tych ćwiczeń student wykorzystuje walizkę (fot. 6), w której znajdują się modułowe elementy systemu, do których należą:
- moduł ARDUINO UNO,
- pośrednia płytka połączeniowa,
- komplet kabli połączeniowych,
- moduły peryferyjne: wyświetlacz LCD 16x2, czujka PIR ME003, czytnik kart RFID z trzema kartami chipowymi, moduł zegara czasu rzeczywistego TinyRTC, sensor temperatury i wilgotności DHT11, serwomechanizm SG90, kabel USB do podłączenia modułu ARDUINO UNO do komputera PC,
- elementy dyskretne: potencjometr, rezystory, diody LED,
- płyta CD zawierająca instrukcje do ćwiczeń, programy i schematy.
Integralną częścią platformy są instrukcje prowadzące krok po kroku przez ćwiczenia – od najprostszych do skomplikowanych. Instrukcje zostały napisane tak, że można uruchomić układy bez dostępu do Internetu. Na końcu każdego ćwiczenia znajduje się lista zagadnień i zadań do samodzielnego wykonania (np. połączenie ćwiczenia dotyczącego wyświetlacza z ćwiczeniem opisującym czytnik RFID lub dodanie diod LED, czerwonej i zielonej, wskazujących stan dostępu w tym czytniku).
Fot. 6. Zestaw dydaktyczno-badawczy z widocznymi modułami i akcesoriami
4. Podsumowanie
W artykule zaprezentowano stanowisko wykorzystywane w celach dydaktyczno-badawczych, służące do ćwiczeń z zakresu SSWiN. Do jego zaprojektowania i wykonania wykorzystano moduł bazowy ARDUINO UNO z mikrokontrolerem ATmega 328 oraz urządzenia peryferyjne, m.in.: wyświetlacz LCD, czujkę PIR, czytnik kart RFID, sensor temperatury i wilgotności, serwomechanizm. Umożliwia to studentom studiującym inżynierię systemów bezpieczeństwa praktyczne zapoznanie się z funkcjonowaniem poszczególnych urządzeń wchodzących w skład SSWiN. Jednocześnie można też dokładnie poznać zasady współpracy urządzeń zewnętrznych z płytą główną centrali alarmowej z uwzględnieniem różnego rodzaju formatów transmisji danych.
Możliwa jest dalsza rozbudowa opisanego stanowiska – dodanie do niego kolejnych urządzeń zewnętrznych (np. czujek ultradźwiękowych, czujek magnetycznych, czujek magistralowych). Stanowisko to jest tak skonstruowane, że umożliwia dowolną rozbudowę użytkownikom zainteresowanym programowaniem i konstruowaniem urządzeń wykorzystujących mikrokontrolery AVR firmy ATMEL.
Bibliografia
- W. Szulc, A. Rosiński Wybrane zagadnienia z elektroniki cyfrowej dla informatyków (część II – cyfrowa), Warszawa 2012.
- W. Szulc, A. Rosiński Wybrane zagadnienia z miernictwa i elektroniki dla informatyków (część I – analogowa), Warszawa 2012.
- M. Wieczorek, Projekt stanowiska dydaktyczno-badawczego z wykorzystaniem Arduino – platformy edukacyjnej opartej na mikrokontrolerach firmy Atmel, dyplomowa praca inżynierska, Wyższa Szkoła Menedżerska w Warszawie, Wydział Menedżerski i Nauk Technicznych, Warszawa 2014.
inż. Maciej Wieczorek
dr inż. Adam Rosiński
Politechnika Warszawska
Wydział Transportu
Zakład Telekomunikacji w Transporcie