Министерство образования и науки Российской Федерации ФГБ ОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет» Факультет электроники и вычислительной техники Кафедра «Электронно-вычислительные машины и системы» Выпускная работа бакалавра на тему «Разработка реконфигурируемого контроллера сенсорной сети» Выполнил: студент группы ИВТ-461 Аниськов Роман Валерьевич Научный руководитель: старший преподаватель Еременко Алексей Владимирович

Актуальность На сегодняшний день сенсорные сети находят применение в различных прикладных областях: Автоматизация производства Медицина Сельское хозяйство Системы «умный дом» Системы мониторинга (че - то еще наверное надо добавить, а то слайд пустой)

Аналоги Бла бла

Цель и задачи Целью данной работы является разработка контроллера сенсорной сети, который будет позволять автономно управлять сетью на основе скрипта (программы) заданной пользователем. В ходе работы были выделены следующие задачи: Подбор технологий: Выбор элементной базы для реализации контроллера Выбор сетевого интерфейса датчиков и исполнительных устройств Выбор программного обеспечения микроконтроллера (операционной системы реального времени) Выбор технологии «программирования» контроллера Реализация: Разработка и создание прототипа устройства, связующего микроконтроллерную систему и сенсорную сеть Разработка программы (прошивки) для микроконтроллера, включая адаптацию выбранной операционной системы реального времени для работы с имеющейся микроконтроллерной системой Создание системы обработки на микроконтроллере пользовательских скриптов, созданных с использованием выбранной технологии.

Выбор микроконтроллера Для данной разработки необходим микроконтроллер имеющий достаточное количество памяти, а так же обладающий соответствующим быстродействием. Так же очень желательны встроенные аппаратные интерфейсы для связи МК с внешним миром (например Ethernet). Так же необходимо оценивать доступность выбранного базового микроконтроллера и возможности его применения в контексте сложности монтажа и разработки печатной платы. На данном этапе целесообразнее использовать микроконтроллер смонтированный на оценочной (отладочной) плате, смонтированной в заводских условиях ввиду сложности ручного монтажа и изготовления такой платы в домашних условиях. Таким образом, к микроконтроллеру были выдвинут следующие требования: 32х битный процессор ARM архитектуры Количество встроенной FLASH памяти не меньше 512 килобайт (желательно 1 мегабайт) Поддержка Ethernet интерфейса Поддержка «стандартных» для микроконтроллеров интерфейсов (в частности I2C) Доступность для приобретения, в том числе – невысокая цена Наличие готовых оценочных (отладочных) плат со смонтированным микроконтроллером для быстрого начала разработки программного обеспечения (прошивки) контроллера

Выбранная микроконтроллерная система Списку требований к микроконтроллеру полностью соответствует микроконтроллер STM32F217ZG, производства фирмы STMicroelectronics. Основные характеристики: ….. Так же была найдена и приобретена оценочная плата с данным микроконтроллером: (фото, краткое описание) ….

Выбор технологии сенсорной сети В качестве технологии сенсорной сети рассматривались как проводные системы, так и беспроводные. На данном этапе предпочтение было отдано проводным технологиям, в виду их большей доступности, простоты реализации прототипов устройств (технологические ограничения для изготовления печатных плат в домашних условиях). В качестве основы сети была выбрана технология 1-Wire (Dallas Semiconductor). Ее основные преимущества перед другими подобными технологиями: Простая физическая реализация, в виду чего – малая стоимость как конечных устройств, так и линий передачи Достаточно простой протокол передачи данных Относительная надежность Наличие большого количества микросхем производства Dallas Semiconductor, которые могут быть и являются основой для различных устройств сети, построенной на базе данной технологии

1-Wire 1-Wire – двунаправленная шина связи для низкоскоростных устройств, данные и питание подаются по одному проводу, «земля» – по второму. Разработана корпорацией Dallas Semiconductor. Топология такой сети – общая шина, что позволяет легко и быстро менять конфигурацию сети. Физические характеристики: … Технология 1-Wire предусматривает наличие так называемого «Мастера» сети, т.е. ведущего устройства, реализующего передачу данных от устройств сети к нему и обратно (опрос датчиков, подача команд и т.д.). Таким мастером может служить как сам базовый микроконтроллер, так и специализированная микросхема (устройство на ее основе) – что является предпочтительным, в виду повышения надежности такого подключения и легкости расширения системы в случаи необходимости.

Реализация мастера сенсорной сети Для реализации мастера сети 1-wire за основу была взята микросхема ds Данная микросхема является стандартной для построения мастера 1-Wire сети и рекомендуема к использованию Dallas Semiconductor. Основные характеристики: Интерфейс связи с управляющим микроконтроллером I2C 8 независимых каналов 1-Wire Микросхема многоканальная, что фактически означает (если принять что 1 канал – 1 шина 1- Wire) возможность построения сети с независимыми каналами-шинами. Данная микросхема имеет интерфейс подключения к микроконтроллеру – I2C (а это адресуемая двухпроводная шина), а так же имеет удобный интерфейс задания адреса устройства на шине I2C. Всего к шине I2C без применения нестандартных схемотехнических решений можно подключить до 8 таких микросхем (мастеров 1-Wire), что означает 64 независимых 1-Wire шины.

Схема мастера 1-Wire

Связь «мастеров» сети и микроконтроллера Интерфейс I2C является стандартным для микроконтроллеров, хорошо описан и имеет простой протокол передачи данных. Представляет данный интерфейс двухпроводную адресуемую шину, на которой в каждый момент времени может находится одно ведомое устройство и множество (до 128) ведомых. В данной разработке, при необходимости ее расширения (использование других технологий сети, возможно одновременно, например – добавление беспроводных интерфейсов сети, таких как ZigBee или BlueTooth) – достаточно будет разработать блок связи МК и «новой» сети (назовем его «мастером» по аналогии) и связать его с МК по тому же интерфейсу I2C.

Выбор операционной системы для микроконтроллера В данной разработке микроконтроллер выполняет функции «ядра» системы, являясь по сути автономным устройством, которое будет управлять сенсорной сетью по заданному сценарию и иметь возможность доступа к устройству по Ethernet. Исходя из этого целесообразно использовать операционную систему реального времени, как основу программного обеспечения контроллера. …

FreeRTOS FreeRTOS многозадачная операционная система реального времени (ОСРВ) для встраиваемых систем. Портирована на несколько микропроцессорных архитектур. Распространяется под модифицированной лицензией GPL с исключением, позволяющим разработчику присвоить модифицированный код операционной системы. Основные приимущества FreeRTOS: Поддержка множества процессорных архитектур (универсальность) Простая реализация самой операционной системы, в следствие чего – упрощение адаптации ОС под конкретный МК Малая требовательность к ресурсам МК Документированность Бесплатность

Реализация возможности программирования контроллера сети пользователем Так как целью данного проекта является разработка реконфигурируемого контроллера сенсорной сети, необходимо средство, которое даст пользователю возможность задавать собственный алгоритм работы сети, посредством скрипта (программы на скриптовом языке).

Структурная схема всего решения Схема

Проблемы реализации Бла бла

Результаты Бла бла

Перспективы Бла бла

Спасибо за внимание!