P13 Plateforme expérimentation IOT

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 à l'aide de la 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/bcm2835-1.4.6.tar.gz
tar xvfz bcm2835-1.4.6.tar.gz;
cd bcm2835-1.4.6;
./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 à l'aide d'un microcontrôleur

Matériel nécessaire

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  :

Cette solutions ne sera pas développée car la Raspberry PI2 possède un nombre nécessaire de GPIO pour pouvoir programmer un noeud

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 :

Mode de transmission ( S : USART ; U : USB ; R : Radio)

ID

Numéro de la carte fille

Numéro de la carte petite fille

Data

Exemple :

S	005	8	2	255
Data transmise via l'uart	Noeud 5	Carte fille 8	Carte fille 2	Mesure d'une témperature

Implantation

Fonctionnement durant la procédure de test

Commande hub USART (carte A)

Action	Envoi	Reception
Récupérer l'ensemble des trames du noeud	A	-Trame B -Trame C -Trame D -Trame E -Trame F -Trame G -Trame H -Trame I
Récupération partiel sous réserve de validation
Récupérer la trame de la carte B	B	Trame B
Récupérer la trame de la carte C	C	Trame C
Récupérer la trame de la carte D	D	Trame D
Récupérer la trame de la carte E	E	Trame E
Récupérer la trame de la carte F	F	Trame F
Récupérer la trame de la carte G	G	Trame G
Récupérer la trame de la carte H	H	Trame H
Récupérer la trame de la carte I	I	Trame I

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

Normalisation électrique

Couleur	Fonction associée
Jaune	PDI (Data et Clock )
Rouge	+ 3.3 V
Bleu	Masse
Vert/Jaune	UART

Configuration des Raspberry

Raspberry PI

Mapping de connection du noeud :

	PDI_DATA		PDI_CLOCK		Action
	Broche	Gpio	Broche	Gpio
Carte A (Hub USART)	16	23	18	24	Reprogrammez le HUB USART en pdi Il faut désactiver l'interface SPI de la raspberry
Carte fille B (1)	15	22	13	27	Reprogrammez la carte fille B en pdi
Carte fille C (2)	19	10	21	9	Reprogrammez la carte fille C en pdi
Carte fille D (3)	11	17	12	18	Reprogrammez la carte fille D en pdi
Carte fille E (4)	7	4	22	25	Reprogrammez la carte fille E en pdi

Raspberry PI 2

	PDI_DATA		PDI_CLOCK		Action
	Broche	Gpio	Broche	Gpio
Carte A (Hub USART)	11	17	13	27	Reprogrammez le HUB USART en pdi Il faut désactiver l'interface SPI de la raspberry
Carte fille B (1)	29	5	31	6	Reprogrammez la carte fille B en pdi
Carte fille C (2)	33	13	35	19	Reprogrammez la carte fille C en pdi
Carte fille D (3)	16	23	18	24	Reprogrammez la carte fille D en pdi
Carte fille E (4)	36	16	38	20	Reprogrammez la carte fille E en pdi
Carte fille F (5)	15	22	37	26	Reprogrammez la carte fille F en pdi
Carte fille G (6)	12	18	22	25	Reprogrammez la carte fille G en pdi
Carte fille H (7)	32	12	40	21	Reprogrammez la carte fille H en pdi
Carte fille I (8)	19	10	21	9	Reprogrammez la carte fille I en pdi

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

Plateforme intermédiaire

Composition

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

Ancienne appellation	Nouvelle appellation
Carte fille 1	Carte B
Carte fille 2	Carte C
Carte fille 3	Carte D
Carte fille 4	Carte E
Carte fille 5	Carte F
Carte fille 6	Carte G
Carte fille 7	Carte H
Carte fille 8	Carte I

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

	Données				Programmation
	USART		USB		PDI		SPI / I2C ...
	Amont (vers la raspberry)	Aval (vers les capteurs)	Amont (vers la raspberry)	Aval (vers les capteurs)	Amont (vers la raspberry)	Aval (vers les capteurs)	Amont (vers la raspberry)	Aval (vers les capteurs)
Carte B	Carte A	- Carte B1 - Carte B2	-	-	Carte mère (Voir configuration Rasbperry)	-	-	- Carte B1 - Carte B2
Carte C	Carte A	- Carte C1 - Carte C2	-	-	Carte mère (Voir configuration Rasbperry)	-	-	- Carte C1 - Carte C2
Carte D	Carte A	- Carte D1 - Carte D2	-	-	Carte mère (Voir configuration Rasbperry)	-	-	- Carte D1 - Carte D2
Carte E	Carte A	- Carte E1 - Carte E2	-	-	Carte mère (Voir configuration Rasbperry)	-	-	- Carte E1 - Carte E2
Carte F	Carte A	- Carte F1 - Carte F2	-	-	Carte mère (Voir configuration Rasbperry)	-	-	- Carte F1 - Carte F2
Carte G	Carte A	- Carte G1 - Carte G2	-	-	Carte mère (Voir configuration Rasbperry)	-	-	- Carte G1 - Carte G2
Carte H	Carte A	- Carte H1 - Carte H2	-	-	Carte mère (Voir configuration Rasbperry)	-	-	- Carte H1 - Carte H2
Carte I	Carte A	- Carte I1 - Carte I2	-	-	Carte mère (Voir configuration Rasbperry)	-	-	- Carte I1 - Carte I2

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 :

Carte parent	Ancienne appellation	Nouvelle appellation
Carte B (Ex carte fille 1)	Carte Petite fille 1	Carte B1
	Carte Petite fille 2	Carte B2
Carte C (Ex carte fille 2)	Carte Petite fille 1	Carte C1
	Carte Petite fille 2	Carte C2
Carte D (Ex carte fille 3)	Carte Petite fille 1	Carte D1
	Carte Petite fille 2	Carte D2
Carte E (Ex carte fille 4)	Carte Petite fille 1	Carte E1
	Carte Petite fille 2	Carte E2
Carte F(Ex carte fille 5)	Carte Petite fille 1	Carte F1
	Carte Petite fille 2	Carte F2
Carte G (Ex carte fille 6)	Carte Petite fille 1	Carte G1
	Carte Petite fille 2	Carte G2
Carte H (Ex carte fille 7)	Carte Petite fille 1	Carte H1
	Carte Petite fille 2	Carte H2
Carte I (Ex carte fille 8)	Carte Petite fille 1	Carte I1
	Carte Petite fille 2	Carte I2

Connexion

	Données					Programmation
	USART		USB		Type de données	PDI		SPI / I2C ...
	Amont (vers la raspberry)	Aval (vers les capteurs)	Amont (vers la raspberry)	Aval (vers les capteurs)		Amont (vers la raspberry)	Aval (vers les capteurs)	Amont (vers la raspberry)	Aval (vers les capteurs)
Carte B1	Carte B	-	Hub USB (interface USB0)	-	Température	-	-	Carte B	-
Carte B2	Carte B	-	Hub USB (interface USB0)	-		-	-	Carte B	-
Carte C1	Carte C	-	Hub USB (interface USB1)	-	Température	-	-	Carte C	-
Carte C2	Carte C	-	Hub USB (interface USB1)	-		-	-	Carte C	-
Carte D1	Carte D	-	Hub USB (interface USB2)	-		-	-	Carte D	-
Carte D2	Carte D	-	Hub USB (interface USB2)	-		-	-	Carte D	-
Carte E1	Carte E	-	Hub USB (interface USB3)	-		-	-	Carte E	-
Carte E2	Carte E	-	Hub USB (interface USB3)	-		-	-	Carte E	-
Carte F1	Carte F	-	Hub USB (interface USB4)	-		-	-	Carte F	-
Carte F2	Carte F	-	Hub USB (interface USB4)	-		-	-	Carte F	-
Carte G1	Carte G	-	Hub USB (interface USB5)	-		-	-	Carte G	-
Carte G2	Carte G	-	Hub USB (interface USB5)	-		-	-	Carte G	-
Carte H1	Carte H	-	Hub USB (interface USB6)	-		-	-	Carte H	-
Carte H2	Carte H	-	Hub USB (interface USB6)	-		-	-	Carte H	-
Carte I1	Carte I	-	Hub USB (interface USB7)	-		-	-	Carte I	-
Carte I2	Carte I	-	Hub USB (interface USB7)	-		-	-	Carte I	-

Schéma

Implantation

Information

Programmation
	PDI_DATA	PDI_Clk
Carte A	GPIO 23	GPIO 24
Carte B	GPIO 22	GPIO 27

Vitesse de transfert
USART	9 600
USB	115 200

Configuration
	Amont (vers la raspberry)	Aval (vers les capteurs )
Raspberry	Réseau - Projet P10	Carte A Carte USB
Carte A	Raspberry	Carte B
Carte B	-Carte A - Carte USB	NC
Carte USB	Raspberry	Carte B

Connections
Carte Xmega-A3BU
	Port J1	Port J2
Carte A	Broche Rx et Tx USART vers la Raspberry	Broche Rx et Tx USART vers la carte B
Carte B	Broche Rx et Tx USART vers la carte A	Broche Rx et Tx USART vers la carte USB
Raspberry
Broche
1	Alimentation de la carte A
8	USART TX
10	USART RX
13	PDI Clk carte B
14	GND Carte A
15	PDI Data Carte B
16	PDI Data carte A
17	Alimentation Carte B
18	PDI Clock Carte A
25	GND Carte B

Câble de connexion
Couleur
Rouge	+3.3 V
Bleu	GND
Jaune	PDI
Vert /Jaune	UART

Implantation sur le réseaux

Développement web

Adresse du site de présentation : [lien ]

Évolution

Mesure de l' énergie

Cette carte mesure également la consommation du nœud. En effet on mesurera sur les convertisseurs analogique-numérique le courant.
Le courant ne peut pas être mesuré directement. Pour cela on va utiliser une résistance de quelque ohms.
Pour estimer la puissance consommé par le nœud on aura besoin de connaitre :
-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

Avancement du projet

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

Problème rencontrées

	Bloquant	En voie de résolution	Résolu
ASF de atmel			Développé sur Atmel Studio (Window)
compilation des fichiers exemple de l'usart disponible sur l'asf sous debian			les fichiers sont compilé sous Windows et ensuite on envoie le .hex généré sur la raspberry
saturation de la mémoire flash de la board (Erreur de type : Error failed to rewrite at the adress 2048)	Faut le passer en force jusqu’à 5 fois parfois.
Liasion série sur la raspberry ne fonctionne pas pour remonter les données			Mr REDON m'a aidé à résoudre ce problème
Programmé l'USART avec un seul fichier en pdi sur les cartes	Plusieur test ont été réalisé le 15 /01 /2016. Ce test consistait à mettre l'ensemble du programme de l'USART qui a été développé. Ce dernier a été envoyé sur l'ensemble des cartes connecté en pdi. Le résultat est le suivant: aucune informations n'ont pu être remonter à la raspberry

A faire

	A faire	En cours	Terminé
Reconfiguration en pdi des cartes via l'usart	Il existe une probabilité que cette tache ne soit pas réalisé du fait qu'on développe sous Windows Pour développer sous Linux il nous faudrait la bibliothèque ASF
Mise en place de la liaison USB			Carte mise en place sur le nœud
USART			Un code d'essai est opérationnelle. Nous somme en mesure de remonter plusieurs trame de données à la raspberry
Reprogrammation des cartes d'exemples en PDI			La reprogrammation en PDI est opérationnelle. Cependant quelque résidu nous pose problèmes

PDI bug

-25 janvier
Erreur to failed at the adress 4096 -> Reprogrammation effectué
8 tentative avant la reprogrammation de la flash