Пульсометр на базе arduino uno с выводом информации на графический tft дисплей adafruit 160х128 пикселей

ФЕДЕРАЛЬНОЕ Государственное АВТОНОМНОЕ образовательное учреждение высшего образования«БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»(НИУ «БелГУ»)ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРНЫХ И ЦИФРОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙКафедра информационных и робототехнических системОТЗЫВруководителя на курсовую работупо дисциплине «Микроконтроллеры и микроконтроллерные системы»студентки 3 курса группа тема курсовой работы: «Онлайн метеостанция на базе ArduinoUNO и IoT сервиса ioControl»Руководитель курсовой работы: ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________(заполняется руководителем вручную)«___»____________2022 г. ______ ____________________ подпись (расшифровка подписи)ПЛАН КУРСОВОЙ РАБОТЫпо дисциплине «Микроконтроллеры и микроконтроллерные системы»на тему «Онлайн метеостанция на базе Arduino UNO и IoT сервиса ioControl»Введение1. Обзор существующих решений3. Проектирование системы4. Проектирование аппаратной части устройства5. Проектирование программной части МПСЗаключениеСписок использованных источниковПриложенияСОДЕРЖАНИЕ TOC \o "1-3" \h \z \u ВВЕДЕНИЕ PAGEREF _Toc102423332 \h 51Обзор существующих решений PAGEREF _Toc102423333 \h 62Требования пользователя и построение функциональной спецификации PAGEREF _Toc102423334 \h 93Проектирование системы PAGEREF _Toc102423335 \h 103.1 Arduino Uno R3 PAGEREF _Toc102423336 \h 103.2 Барометр BMP280 PAGEREF _Toc102423337 \h 123.3 Датчик влажности и температуры KY-015 (DHT11) PAGEREF _Toc102423338 \h 144Проектирование аппаратной части устройства PAGEREF _Toc102423339 \h 164.1 Разработка функциональной схемы устройства PAGEREF _Toc102423340 \h 164.2 Разработка принципиальной схемы PAGEREF _Toc102423341 \h 165 Проектирование программной части МПС PAGEREF _Toc102423342 \h 175.1 Разработка алгоритма PAGEREF _Toc102423343 \h 175.2 Разработка программной части МПС PAGEREF _Toc102423344 \h 175.3 Руководство программиста заданного модуля PAGEREF _Toc102423345 \h 17ЗАКЛЮЧЕНИЕ PAGEREF _Toc102423346 \h 18СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ PAGEREF _Toc102423347 \h 19ПРИЛОЖЕНИЕ А PAGEREF _Toc102423348 \h 20ВВЕДЕНИЕИзмерение влажности, температуры и атмосферного давления регулярно производится во многих современных учреждениях: теплицы, фермы, больницы и др. Нарушение температурного режима в теплицах и на фермах может спровоцировать гибель урожая или пожар на складах удобрений. Контроль температуры и влажности в помещениях операционных больниц крайне необходим для соблюдения комфортных условий для работы персонала. Метеорологические факторы являются одной из наиболее важных санитарно-гигиенических характеристик условий труда и оказывают существенное влияние на работоспособность и самочувствие человека, а также производительность и безопасность его труда. В связи с этим мониторинг данных параметров является востребованной задачей, реализованной во многих электронных устройствах.Автоматические метеостанции позволяют комплексно решить задачу дистанционного мониторинга метеорологических условий внутренней среды помещений. Сбор информации производится в режиме реального времени, что позволяет вовремя обеспечить безопасность различных учреждений.Целью курсового проектирования является разработка онлайн метеостанции на базе Arduino UNO и IoT сервиса ioControl с использованием лабораторного стенда, включающего в себя необходимые для нас компоненты: барометр, датчик влажности и температуры.Для достижения цели курсового проекта были определены следующие задачи:осуществить обзор существующих решений;определить требования пользователя и функциональную спецификацию проектируемой системы;проектирование системы;проектирование аппаратных средств МСП;проектирование программных средств МСП;разработка руководства программиста заданного модуля.Обзор существующих решенийВ настоящее время существует множество разнообразных удаленных метеостанций с использованием различных сервисов. Преимущественно все метеорологические станции основываются на микроконтроллерных платах с подключенными к ним датчиками и модулями.Широкое распространение при проектировании автоматических метеостанций получили такие микроконтроллерные платы как Arduino, Raspberry PI 3, MSP430 и ESP8266.Arduino – это электронный конструктор, платформа быстрой разработки электронных устройств, предназначенная как для новичков, так и для профессионалов. Устройства на базе Arduino могут получать информацию об окружающей среде посредством различных датчиков, а также могут управлять различными исполнительными устройствами. Данная плата основана на 8-битном микроконтроллере ATmega328P. Платформа имеет 14 цифровых вход/выходов (6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ), 6 аналоговых входов, кварцевый генератор 16 МГц, разъем USB, силовой разъем, разъем ICSP и кнопку перезагрузки [1].Рисунок Х – Лицевая сторона платы Arduino UnoRaspberry Pi 3 — это одноплатный компьютер с операционной системой Linux, USВ разъемами для подключения мыши и клавиатуры, а также с видеовыходом HDMI для подключения монитора. Raspberry Pi 3 является наиболее популярным в мире компьютером на плате размером с кредитную карту. В частности, плата Raspberry Pi sense hat имеет «на борту» необходимые для проектирования метеостанции компоненты: датчик влажности, термометр, гироскоп, акселерометр и барометр.Рисунок Х – Лицевая сторона платы Raspberry Pi 3MSP430 – это семейство микроконтроллеров фирмы «Texas Instruments». MSP430 построен на 16-битном процессоре, содержит периферийные модули и систему тактирования, которая объединена общими шинами адреса (MAB) и шинами данных (MDB) [2]. Основным преимуществом MSP430 является ультранизкое энергопотребление. При проектировании автономных метеостанций на базе MSP430 как правило используется датчик температуры и влажности SHT21.Рисунок Х – Лицевая сторона MSP430ESP8266 – это китайский микроконтроллер производителя Espressif Systems с поддержкой Wi-Fi интерфейса. Помимо наличия Wi-Fi, микроконтроллер отличается тем, что у него отсутствует флеш-память в SoC, пользовательские программы исполняются из внешней флеш-памяти с использованием интерфейса SPI. Возможно создание простой метеостанции на базе ESP8266 с использованием датчика температуры, влажности и давления BME280.Рисунок Х – Лицевая сторона микроконтроллера ESP8266Необходимые для измерения влажности и температуры воздуха датчики DHT11 и DHT22/AM2302 от AOSONG получили широкое распространение при проектировании метеорологических станций. Они довольно просты в использовании, недорогие, отлично подходят для новичков. Для измерения атмосферного давления чаще всего используют датчик BMP280, который является новой версией датчика BMP180. Управление данным барометром возможно через интерфейсы I2C и SPI. BME280 – высокоточный метеорологический датчик, позволяющий измерять одновременно такие параметры микроклимата как температура, влажность и атмосферное давление.Мониторинг метеорологических параметров через сеть Интернет возможен с помощью различных сервисов. Наиболее популярными из них являются ioControl, ThingSpeak, Blynk, предназначенные для реализации различных проектов тематики интернета вещей (IoT).Требования пользователя и построение функциональной спецификацииДля достижения целей курсового проектирования были определены следующие требования пользователя:система должна осуществлять сбор показаний влажности, температуры и атмосферного давления;система должна отправлять данные на IoT сервису ioControl, для этого должно быть реализовано подключение к данному сервису.Учитывая пользовательские требования, была составлена функциональная спецификация системы:для сбора показаний температуры и влажности используется цифровой датчик температуры и влажности DHT11;для сбора показателей атмосферного давления используется датчик атмосферного давления BMP280;в качестве микроконтроллера, осуществляющего прием показателей датчиков DHT11 и BMP280, подключение к сети и передачу данных на IoT сервис ioControl используется микроконтроллерный модуль Arduino Uno R3; питание модуля Arduino Uno R3 осуществляется от источника постоянного тока с напряжением 5-20 В.Проектирование системы К проектируемой онлайн метеостанция были выдвинуты следующие пользовательские требования: устройство должно считывать показатели температуры в градусах Цельсия, а влажности в процентах;устройство должно измерять давление в мм рт. ст.;отслеживание данных должно происходить с помощью IoT сервиса ioControl.Для реализации курсового проекта необходимы следующие компоненты:микроконтроллерный модуль Arduino Uno R3;барометр BMP280;датчик влажности и температуры KY-015 (DHT11);Ethernet шилд W5100 для Arduino Uno;ПК для доступа в IoT сервис. Структурная схема устройства представлена на рисунке Х. Далее рассмотрим каждый из компонентов схемы более подробно.Рисунок Х – Структурная схема метеостанции3.1 Arduino Uno R3Микроконтроллерный модуль Arduino Uno R3 частично был рассмотрен в обзоре существующих решений. Характеристики платы представлены в таблице 1. Схема Arduino Uno R3 изображена на рисунке Х. Рисунок Х – Схема Arduino Uno R3Таблица 1. Характеристики Arduino Uno R3МикроконтроллерATmega328Рабочее напряжение5ВНапряжение питания (рекомендуемое)7-12ВНапряжение питания (предельное)6-20ВЦифровые входы/выходы14 (из них 6 могут использоваться в качестве ШИМ­выходов)Аналоговые входы6Максимальный ток одного вывода40 мАМаксимальный выходной ток вывода 3.3V50 мАFlash­память32 КБ (ATmega328) из которых 0.5 КБ используются загрузчикомSRAM2 КБ (ATmega328)EEPROM1 КБ (ATmega328)Тактовая частота16 МГцПлата Arduino Uno может питаться через USB-соединение или от внешнего источника питания. Источник питания выбирается автоматически. Внешнее (не USB) питание может подаваться либо от адаптера, либо от аккумулятора. Адаптер можно подключить, вставив штекер 2,1 мм в разъем питания платы. Выводы от батареи могут быть подключены к контактам GND и Vin разъема POWER. На контакт "5 В" выводится напряжение +5 В от установленного на плате интегрального стабилизатора [3].Каждый из 14 цифровых выводов может работать в качестве входа или выхода. Уровень напряжения на них ограничен 5 В. Все выводы сопряжены с внутренними подтягивающими резисторами номиналом 20–50 кОм. Arduino Uno R3 имеет 6 аналоговых входов (A0–A5), которые могут представить аналоговое напряжение в виде 10-битного числа (1024 различных значений). По умолчанию измерение напряжения осуществляется относительно диапазона от 0 до 5 В. В Arduino Uno R3 есть восстанавливаемые предохранители, которые защищают USB-порт компьютера от коротких замыканий, а также перегрузок. Если от USB-порта потребляется ток больше, чем 500 мА, то предохранитель автоматически разрывает соединение до устранения причин короткого замыкания или перегрузки [4].3.2 Барометр BMP280Модуль представляет из себя высокоточный цифровой измеритель атмосферного давления на базе микрочипа BMP280 от фирмы BOSH. Обладает малыми размерами, низким энергопотреблением и высокой измерительной способностью, что позволило завоевать популярность среди множества разработчиков проектов Arduino. BMP280 может подключаться к I2C и SPI шинами микроконтроллера и работать от 3-5V, если на плате есть стабилизатор, или 3V, если его нет [5]. Модуль BMP280 представлен на рисунке ниже.Рисунок Х – Плата BMP280На обратной стороне платы не просто так написано «BME280/BMP280» – BMP является урезанной версией BME, в которой отсутствует влажность.Данная модификация, в отличие от своего младшего брата, предоставляет пользователю целых 2 последовательных интерфейса обмена данными (SPI и I2C), а также 3 режима работы:NORMAL – модуль «просыпается» с определённой периодичностью, затем выполняет необходимые измерения и снова «засыпает». Частота измерений задаётся программным путём, а считывание результата происходит при необходимости;SLEEP –максимально пониженное энергопотребления;FORCED – позволяет «будить» модуль подачей внешнего управляющего сигнала. После выполнения измерений, модуль автоматически переключается в режим пониженного энергопотребления [5].Некоторые важные характеристики BMP280:напряжение питания: от 3,3 до 5 В;макс скорость I2C интерфейса: 3,4 МГц:потребляемый ток: 2,7 мкA при частоте отсчетов в 1 Гц;относительная точность (от 950 до 1050гПа, 25°C.): 0,12 гПа (1м);абсолютная точность (от 950 до 1050гПа, от 0 до 40°C.): 1 гПа;уровень шума: до 0,2 Па (1,7 см) и 0,01 температуры;диапазон измеряемого атмосферного давления: от 300 гПа до 1100 гПа (9000 м до -500 м) [6].3.3 Датчик влажности и температуры KY-015 (DHT11)Модуль датчика температуры и влажности KY-015 обеспечен цифровым последовательным интерфейсом для измерения влажности и температуры и передачи показаний Arduino.Рисунок Х – Модуль KY-015Модуль KY-015 состоит из цифрового датчика влажности и температуры DHT11 и резистора 1 кОм. DHT11 использует внутренний термистор и емкостной датчик влажности для определения условий окружающей среды, а внутренний чип отвечает за преобразование показаний в последовательный цифровой сигнал [7]. Основные характеристики данного датчика влажности и температуры представлены в таблице 2.Таблица 2. Характеристики KY-015 (DHT11)Рабочее напряжениеОт 3,3 до 5,5 ВДиапазон измерения влажностиОт 20% до 90%Точность измерения влажности± 5%Разрешение измерения влажности1%Диапазон измерения температурыОт 0 ºC до 50 ºCТочность измерения температуры± 2 ºCРазрешение измерения температуры1 ºCДальность передачи сигнала20 мДатчик DHT11 имеет 4 вывода стандарта 2,54 мм (рисунок Х):VCC (питание 3–5 В);DATA (вывод данных);не используется;GND (земля).Рисунок Х – Выводы датчика DHT11 Проектирование аппаратной части устройства4.1 Разработка функциональной схемы устройстваИсходя из пользовательских требований и функциональной спецификации, разработанное устройство должно измерять показания влажности, температуры и атмосферного давления и передавать данные измерения на панель сервиса ioControl.Для сбора показаний температуры и влажности будет использоваться цифровой датчик DHT11, для измерения атмосферного давления – барометр BMP280. Отправка данных на сервис ioControl будет осуществляться с помощью Ethernet шилда W5100 для Arduino Uno. На рисунке Х представлена функциональная структура системы.Рисунок Х – Функциональная схема метеостанции4.2 Разработка принципиальной схемыНеобходимо разработать принципиальную схему системы. Основой проектируемой метеостанции является плата Arduino Uno R3. Обмен данными между барометром BMP280 и микроконтроллером происходит с помощью протокола I2C. Принципиальная схема системы представлена на рисунке ниже.Рисунок Х – Принципиальная схема метеостанцииК микроконтроллерному модулю Arduino Uno R3 (поз. обозн. CPU2) подключены следующие устройства:датчик влажности и температуры DHT11 (поз. обозн. DH1 – 8 пин);датчик атмосферного давления BMP280 (поз. обозн. BMP1 – пин SCL и SDA);Ethernet шилд W5100 (пин 10), передающий данные на сервис ioControl.5 Проектирование программной части МПС5.1 Разработка алгоритма5.2 Разработка программной части системыДля реализации передачи данных метеостанции на сервис ioControl необходимо создать и настроить панель на сайте iocontrol.ru. Для этого были выполнены следующие действия:создана учётная запись на сайте iocontrol.ru;создана панель с уникальным названием «Dunaeva12001909»;были созданы переменные Temperature (температура), Humidity (влажность) и Pressure (атм. давление). При создании данных переменных был указан тип с плавающей точкой.были настроены подписи переменных, указывающие на единицы измерения тех или иных параметров (Temperature -°C, Humidity - %, Pressure - mm).Созданная панель изображена на рисунке Х.Рисунок Х – Созданная панель Разработанный скетч проекта представлен в Приложении A. Для написания программного кода на языке программирования Arduino Wiring была использована среда разработки Arduino IDE.Для работы с датчиком BMP280 существуют различные библиотеки, упрощающие работу. К ним относятся BMP280_DEV, Adafruit_BMP280_Library. Для датчика BMP280 будет используется библиотека от Adafruit.Благодаря использованию готовых библиотек, появилась возможность вмалые сроки настроить подключение к сети Интернет и обмен данными с IoTсервисом Blynk.5.3 Руководство программиста заданного модуляЗАКЛЮЧЕНИЕДля заключения +-Arduino Uno  — это устройство на основе микроконтроллера ATmega328. В настоящий момент Arduino Uno является наиболее универсальным и распространенным компонентом технических средств автоматизации. Устройство способно получать и обрабатывать данные об окружающей среде с помощью присоединяемых и программируемых датчиков. Интернет технологий вещей (IoT) создает реальную основу для мониторинга метеорологических процессов в режиме реального времени, используя средства обмена информацией между различными датчиками и сенсорам. IoT позволяет полностью автоматизировать процессы управления группами устройств.СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВМакаров, С.Л. Arduino Uno и Raspberry Pi 3: от схемотехники кинтернету вещей [Текст] / С.Л. Макаров. – М.: ДМК-Пресс, 2019. – 616 с.Семенов, Б. Ю. Микроконтроллеры MSP430: первое знакомство / Б. Ю. Семенов - Москва: СОЛОН-ПРЕСС, 2009. - 128 с.Arduino Uno R3 [Электронный ресурс]. URL:https://hcomp.ru/downloads/arduino/UNOr3/arduino_uno_r3_RUS.pdfПетин В.А., Биняковский А.А. Практическая энциклопедия Arduino.– М.: ДМК Пресс, 2017. – 152 сArduino и метеодатчик BME280/BMP280 [Электронный ресурс]. URL: https://kit.alexgyver.ru/tutorials/bme280/#iМодуль барометра BMP280 [Электронный ресурс]. URL: https://robotclass.ru/tutorials/arduino-bmp280/Иго, Том Arduino, датчики и сети для связи устройств / Том Иго. - М.: БХВ-Петербург, 2017. - 534 c.ПРИЛОЖЕНИЕ А#include #include #include #include iarduino_Pressure_BMP bmp(0x77); iarduino_DHT sensor(8);const char* myPanelName = "Dunaeva12001909";const char* VarName_Temperature = "Temperature";const char* VarName_Humidity = "Humidity";const char* VarName_Pressure = "Pressure";EthernetClient client;iocontrol mypanel(myPanelName, client);byte mac[] = { 0xDE, 0xED, 0xDE, 0xAD, 0xFA, 0xCC}; void setup(){ Ethernet.init(10); Ethernet.begin(mac); bmp.begin(); mypanel.begin();}void loop(){ bmp.read(); sensor.read(); mypanel.write(VarName_Temperature, sensor.tem); mypanel.write(VarName_Humidity, sensor.hum); mypanel.write(VarName_Pressure, bmp.pressure); mypanel.writeUpdate();}