مقاله طراحی و ساخت بستر سخت افزاری و نرم افزاری مبتنی بر سیستم عامل اندروید برای پیادهسازی اینترنت اشیا

بخشی از مقاله

چکیده : با توجه به توسعه روزافزون اینترنت اشیا که تمامی وسایل را به هم متصل مینماید و این که اکثر این وسایل از طریق سنسورها با جهان واقعی ارتباط برقرار میکنند به این جهت ساخت سیستمی که زیرساخت ارتباطی این سنسورها را از طریق ارتباط بیسیم فراهم کند بسیار مفید است. در میان ارتباطات بیسیم ارتباط وایفای داری مزایای زیادی از جمله برد مناسب و سرعت انتقال بالا و قابلیت اتصال به اینترنت میباشد که سبب شده به شدت مورد استفاده قرار گیرد. در این مقاله بستر سختافزاری و نرمافزاری مورد نیاز برای برقراری این ارتباط فراهم شده است که شامل طراحی سختافزار، تهیه بورد مدارچاپی و طراحی نرمافزار برای گوشی هوشمند میباشد.

با استفاده از این نرمافزار میتوان اطلاعات سنسورهایی را که در اینترنت اشیا وجود دارد مشاهده کرد و همچنین رلههای مورد نیاز را قطع و وصل نمود. طراحی این بستر سختافزاری و نرمافزاری به گونهای است که بتوان به راحتی به سیستم، سنسورهای جدیدی را که در اینترنت اشیا نیاز میشود اضافه کرد. ارتباطات در این بستر از طریق وایفای صورت گرفته و با استفاده از مودمهای وایفای که امروزه تقریبا در هر ساختمانی یافت میشوند شبکه مورد نیاز برای این کار فراهم میشود وظیفه خواندن اطلاعات سنسورها و قطع و وصل کردن رلهها را میکروکنترلر انجام میدهد.

-1 مقدمه

با توجه به توسعه روز افزون شبکه اینترنت اشیا طراحی سیستمی که بتواند وظیفه کنترل و مدیریت ارتباطات وایفای را در این شبکه انجام دهد میتواند بسیار مفید باشد. این سیستم زیرساخت ارتباطی مورد نیاز در اینترنت اشیا را فراهم میکند در واقع با این سیستم میتوان به راحتی به سیستمهای اینترنت اشیا سنسور اضافه نمود و این سنسور اضافه شده را در برنامه کنترلکننده مشاهده نمود. کار اصلی این سیستم راحت کردن ارتباطات وایفای قسمتهای مختلف اینترنت اشیا - نودها - میباشد هر کدام از این نودها شامل سنسورهایی است که با دستگاه مرکزی - گوشی هوشمند - دارای ارتباط است و از طریق یک نرمافزار در گوشی هوشمند میتوان تمامی نودهای موجود در شبکه را مشاهده و کنترل کرد و عملیات خواندن اطلاعات سنسورهای نودها و فرمان دادن برای قطع و وصل کردن رلهها را - در صورت وجود - انجام داد.

-2  مروری بر کارهای انجام شده

سیستم پیشنهاد شده دارای سیستمهایی مشابه میباشد که از پروتکلهای متنوع ارتباطی استفاده میکنند ولی این سیستم دارای قیمت تمام شده بسیار پایینتری نسبت به موارد مشابه میباشد که برای رسیدن به این هدف از ماژول وایفای ارزان قیمت ESP استفاده میشود. این ماژول دارای توان مصرفی بسیار پایینی نیز میباشد همچنین در این سیستم دستگاه مرکزی به شکل مرسوم وجود ندارد و از خود گوشی هوشمند به عنوان دستگاه مرکزی استفاده میشود که باعث صرفه جویی در هزینهها میشود از دلایل استفاده از ارتباط وایفای میتوان به موارد زیر اشاره کرد:

-1 عدم نیاز به سیم کشی

-2 تغیر پذیر بودن مکانهای فیزیکی سنسورها

-3 وجود مودم - اکسس پوینت - در اکثر خانههای امروزی برای تشکیل شبکه بین نودها

-4 ارزان بودن ماژول وایفای

-1-2   

برای اتباط دو قسمت در یک شبکه بیسیم میتوان از تکنولوژیهای مختلف استفاده کرد که انتخاب تکنولوژی مورد نظر به نیازها بستگی دارد در زیر تعدادی از این تکنولوژیها بیان شده و درباره معایب و محاسن آنها بحث شده است.

-2-2  

بلوتوث یک استاندارد رادیویی و پروتکل ارتباطی برای مصارف با توان پایین و برد کوتاه میباشد که با استاندارد 802,15 IEEE هم شناخته میشود. ولی در این طرح نمی توان از آن استفاده کرد به این علت که دستگاه مرکزی که بتوان همه نود ها را در ساختمان به آن متصل کرد وجود ندارد وبلوتوث برد کوتاهی دارد.

-3-2  RF

برای استفاده از این تکنولوژی ماژول های آمادهای وجود دارد این ماژولها اغلب بورد بیشتری نسبت به ارتباط وایفای دارند ماژول NRF2401 از دسته ماژولهایی است که از این تکنولوژی استفاده میکند مدولاسیون پیشرفته ارتباطی ماژولRF24L01 به صورت GFSK است دیتاریت ماژول NRF24L01 حداکثر 2 مگا بیت بر ثانیه است که میتوان از آن برای انتقال اطلاعات سنگینی مشابه صوت و یا حتی ویدئو استفاده کرد> این ماژول امکانات خوبی را در اختیار کاربر قرار میدهد ولی به خاطر این که اغلب در ساختمانها نیاز به بوردی به این اندازه نیاز نمی باشد و همچنین نمیتوان این ماژولها را به شبکه اینترنت متصل کرد برای این طرح مناسب نمیباشد.

-2 بورد سنسوری که به نود طراحی شده، از طریق کانکتورهای روی آن وصل میشود. این بورد به وسیله پروتکلی که تعریف می شود به نود وصل میشود - پروتکل سختافزاری و نرمافزاری - . 

-3 نرم افزار اندرویدی که از طریق وایفای به access point وصل شده و میتواند با نود ارتباط برقرار کند و اطلاعات مربوط به سنسور متصل شده به آن را مشاهده کند.

-4-2  GSM

با استفاده از این تکنولوژی میتوان از راههای بسیار دور با سیستم ارتباط برقرار کرد این ارتباطات در قالب پیامک و یا تماس صوتی میباشد این تکنولوژی از خطوط مخابراتی استفاده میکند و برای برقراری ارتباط باید هزینههای مربوطه پرداخت شود که برای این سیستم مناسب نمیباشد.

-5-2  WIFI

با فناوری »وایفای« ارتباطی با قدرتی بیشتر از بلوتوث ایجاد میشود. ارتباط وایفای بیشتر بر پایه ارتباط شبکه اینترنت به صورت بیسیم تأکید میکند و همین امر باعث محبوبیت بسیار زیاد آن شده است در این مدل حداکثر سرعت انتقال اطلاعات Mbps 11 است و از فرکانس رادیویی 4/2 گیگاهرتز استفاده میکند. برای سرعت بخشیدن به این استاندارد مدل دیگری نیز به نام n 802 11 ایجاد شده که سرعت انتقال را حداقل تا Mbps 200 افزایش میدهد.

برد وایفای در حدود 20 متر است امروزه شخص برای استفاده از این نوع ارتباط بیشتر با موبایل وتبلتهای خود که دارای این نوع خدمات است استفاده میکنند البته اغلب لپتابهای امروزی نیز دارای آن هستند. برای دسترسی به اینترنت در گوشیهای همراه باید به اکسس پوینتی که به اینترنت متصل است وصل شد این فناوری به جهت این که امروزه تقریبا در تمامی ساختمان ها مودم وایفای موجود است و به علت این که ماژول ارتباط وایفای قیمت بسیار پایینی دارد و به این جهت که وایفای دارای برد مناسب و سرعت انتقال بالا است و قابلیت اتصال به اینترنت را دارد برای این طرح بسیار مناسب است.

-1-3  

برای پیادهسازی فلوچارت کاری این سیستم ابتدا باید سختافزاری که در نود نیاز است طراحی شود. ابتدا قسمتهای مختلفی را که به آن ها نیاز است را مشخص کنیم:

-    مداری جهت تغذیه میکروکنترلر و ESP

-    مداری برای ریست میکرو

-    پورتی برای اتصال بورد سنسور، پروگرم کردن میکروکنترلر و مشاهده پورت سریال در کامپیوتر

-    LED ها جهت نمایش وضعیت

-    پول آپ کردن پایه chip enable

-2-3  

برای تامین تغذیه میکروکنترلر، ماژول ESP، سنسورها ، رلهها و... میبایست ولتاژ مورد نیاز آنها را در بورد سنسور بسازیم تقریبا تمام عناصری که در بورد نود استفاده شده اند از تغذیه 5v استفاده میکنند به جز ماژول ESP که از تغذیه 3.3v استفاده میکند به این منظور از رگولاتور ولتاژ 7805 برای ساخت ولتاژ 5v و از LF33 برای ولتاژ 3.3v استفاده میکنیم برای کاهش نویز مطابق از دو خازن بزرگ 470 uF در خروجی این دو رگولاتور قرار میدهیم [3] همچنین میبایست از خازن 100nF در نزدیکی ماژول ESP استفاده شود در صورت استفاده نکردن از این خازن ماژول ESP ممکن دچار ریست شدن های پیاپی بشود[10] ولتاژ ورودی رگولاتورها از طریق جک ورودی آدپتور تامین میشود ورودی کل این قسمت با استفاده از یک کلید قطع و وصل میشود. 

-3-3 

به دلیل استفاده از ارتباط سریال که نیاز به دقیق بودن فرکانس پردازنده است از اسیلاتور خارجی در این طرح استفاده شده است و همچنین به خاطر این که ممکن است نیاز به استفاده از بادریتهای متفاوت داشته باشیم از کریستال 11.9592 MHZ استفاده شده است در صورت استفاده از منبع کلاک داخلی خود میکروکنترلر خطای به وجود آمده بسیار زیاد میشود در صورتی که با این کریستال میتوان از بادریتهای متفاوت با کمترین نرخ خطا استفاده کرد.[4]

-4-3 

برای مواقعی که برنامه میکرو متوقف یا دچار مشکلی شود نیاز است تا بتوان سیستم را راهاندازی مجدد کرد این کار از طریق پایه ریست میکروکنترلر انجام میشود به این صورت که اگر به مدت 1.5ʽs صفر شود میکروکنترلر ریست میشود برای اینکار این پایه را از طریق یک مقاومت به 5v و با یک کلید فشاری به زمین وصل کردهایم.

-5-3 

برای اتصال بورد سنسور، پروگرم کردن میکرو، کانفیگ ESP نیاز است بر روی بورد نود پورتهایی موجود باشد در این بورد ما این پورتها را با استفاده از پین هدر بهوجود میآوریم:

-    پورت پروگرمر

-    پورت برای بورد سنسور

-    پورت برای مشاهده اطلاعات میان میکرو و ESP

-    جامپر برای انتخاب AREF

-    سوکت اتصال میکرو

-    پین هدر برای اتصال ماژول ESP

-    LEDها

-6-3  

بعد از طراحی شماتیک مدار در نرم افزار آلتیوم آن را به بورد مدار چاپی تبدیل میکنیم با استفاده از قابلیت Auto Route تراکهای را که نیاز است رسم میکنیم با تعریف قوانین برای رسم تراک برای تراکهایی که به vcc وgnd مربوط است از تراکهایی با قطر بیشتر استفاده شده است برای چاپ این مدار چاپی به شرکتهای که این کار را انجام میدهند مراجعه شده است شکل 3 نیز بورد چاپ شده را نشان میدهد.

-7-3  

در این قسمت ساختار کلی کار نود بیان شده است. همان گونه که در شکل 1-3 نشان داده شده است پس از روشن شدن دستگاه میکرو باید دستورات مربوط به راهاندازی یعنی دستوراتی که یکبار انجام میشوند را اجرا کند این دستورات شامل اتصال ESP به اکسس پوینت، اجرای یک سوکت سرور بر روی یک پورت خاص و گوش دادن به آن است پس از این مرحله ESP به اکسس پوینت متصل میشود در مرحله بعد سیستم تا زمانی که گوشی هوشمند به آن متصل نشده در همان حالت باقی میماند. پس از اتصال گوشی سیستم منتظر درخواست از طرف گوشی میماند و زمانی که درخواستی از سمت گوشی بیاید بسته به این که این درخواست از چه نوعی است به آن واکنش نشان می دهد و اگر نیاز به ارسال پاسخ باشد پاسخ آن را ارسال میکند این سیستم تا حدودی شبیه به سیستمهای در خواست و پاسخ است و درخواست دهنده در این سیستم گوشی هوشمند میباشد.

-8-3  

بخش نرمافزاری این طرح از دو قسمت تشکیل شده است قسمت اول مربوط به میکروکنترلر و ارتباط با ماژول ESP و خواندن سنسورها و قطع و وصل رلهها می باشد و قسمت دوم مربوط به گوشی هشمند است که از طریق آن فرمان خواندن سنسورها و قطع و وصل رلهها صادر میشود.