Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Разработка и исследование модуля управления с удаленным доступом в микроконтроллерной системе на базе интерфейса Wi-Fi

Содержание

Введение

В настоящее время, микроконтроллерные системы внедряются повсеместно: от «домашнего» применения, обеспечивающего человека комфортом и безопасностью, до промышленного, позволяя автоматизировать процесс производства и повысить точность.

С внедрением микроконтроллерных систем бурное развитие получила концепция «Интернет вещей», сформулированная еще в 1999 [1] году и подразумевающая исключение из разного рода процессов участия человека. Позже, в 2004 году была опубликована посвященная этой концепции статья [2], в которой была приведена иллюстрация, показывающая, как бытовые приборы, домашние системы, датчики, и «вещи» взаимодействуют друг с другом посредством коммуникационных сетей и делают процессы полностью автоматизированными. Важным моментом в развитии «Интернета вещей» были 2008-2009 годы, когда количество устройств, подключенных к глобальной сети, превысило численность населения Земли [3].

Не маловажную роль в развитии концепции «Интернет вещей» сыграли и беспроводные технологии, самым распространенным из которых является интерфейс Wi-Fi. Внедрение этого интерфейса позволило создавать бесконтактные микропроцессорные системы, обеспечивая гибкость в их использовании.

1. Актуальность темы

Автоматизированные процессы не всегда работают идеально и могут давать сбой. Также эти процессы могут выполняться в труднодоступных для человека местах. В подобных ситуациях необходимо вмешательство извне. И применение беспроводных технологий в микроконтроллерной системе позволяет с легкостью решить эту проблему, например, с использованием смартфонов, практически каждый из которых сегодня оснащен интерфейсом Wi-Fi, либо обеспечив доступ к микроконтроллерной системе через Интернет, что и вовсе позволит получить к ней доступ из любой точки мира.

Также, сегодня активно развивается модель «туманных вычислений», в которой данные и их обработка находятся максимально близко к устройству. Необходимость этой модели появилась в связи с огромным количеством устройств и большими объемами данных, которые нужно обрабатывать с малой задержкой в режиме реального времени [4]. Данная концепция требует активного взаимодействия между устройствами, что тесно связывает ее с «Интернетом вещей» и беспроводными технологиями.

В свое время, современные беспроводные технологии имеют свои недостатки, связанные, прежде всего, с интерференцией и преодолением препятствий.

Существует множество примеров применения микроконтроллерных систем с удаленным доступом. Например, Абдрахманов Вали Хызырович, Важдаев Константин Владимирович и Салихов Ренат Баязитович в своей статье [5] исследовали возможность повышения качества молочной продукции с помощью сетевых электронных технологий и контроля по сети и мониторинга доильного оборудования.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью работы является разработка модуля управления с удаленным доступом в микроконтроллерной системе на базе интерфейса Wi-Fi и исследование процесса передачи данных. Для достижения цели выделены следующие задачи:

  1. Анализ аппаратной базы для построения модели.
  2. Построение экспериментальной модели.
  3. Разработка программного обеспечения для экспериментальной модели.
  4. Исследование процесса передачи данных.

3. Анализ микроконтроллера ESP8266

ESP8266 – микроконтроллер китайского производителя Espressif с интерфейсом Wi-Fi. Помимо Wi-Fi микроконтроллер отличается возможностью исполнять программы из внешней флеш-памяти с интерфейсом SPI. Данный микроконтроллер привлек внимание в 2014 году в связи с выходом первых продуктов на его базе по необыкновенно низкой цене.

Данный микроконтроллер содержит:

Микроконтроллер не имеет на кристалле пользовательской энергонезависимой памяти. Исполнение программы ведется из внешней SPI ПЗУ путём динамической подгрузки требуемых участков программы в кэш инструкций. Подгрузка идет аппаратно, прозрачно для программиста. Поддерживается до 16 МБ внешней памяти программ. Возможен Standard, Dual или Quad SPI интерфейс.

Производитель не предоставляет документации на внутреннюю периферию микроконтроллера. Вместо этого он дает набор библиотек, через API которых программист получает доступ к периферии. Поскольку эти библиотеки интенсивно используют ОЗУ контроллера, то производитель в документах не указывает точное количество ОЗУ на кристалле, а только приблизительную оценку того количества ОЗУ, что останется пользователю после линковки библиотек — порядка 50 кБ. Предположительно, он содержит 32 кБ кэша инструкций и 80 кБ ОЗУ данных.

ESP8266 может работать как в роли точки доступа, так и в роли оконечной станции. При нормальной работе в локальной сети ESP8266 конфигурируется в режим оконечной станции.

Основное применение находит в управлении разнообразными бытовыми приборами через беспроводные сети. Концепцию такого управления называют «Internet of Things». Верхний уровень этой концепции представлен разнообразными приложениями под управлением популярных платформ (Android, Windows и т.д.).

Для разработки была выбрана плата LoLin v3 NodeMcu Lua на базе ESP8266. Данная плата используется для программирования, контроля, управления в различных проектах, в которых нужно использование микроконтроллера или возможно подключение к программному обеспечению, выполняемому на компьютере. LoLin NodeMcu v3 поставляется на плате с гнездом MicroUSB и преобразователем USB – UART CH340G, что позволяет не использовать внешние преобразователи USB – UART и не беспокоиться на счет большого потребления чипа ESP8266.

Плата LoLin v3 NodeMcu Lua

Рисунок 1 – Плата LoLin v3 NodeMcu Lua

Для использования LoLin NodeMcu v3 нужно подключить его к USB порту компьютера с помощью кабеля USB тип A – microUSB тип B. Операционная система компьютера определит устройство как USB Serial CH340. После подачи питания на плате контроллера начнет мигать синий светодиод (индикация передачи данных). После подключения контроллера к компьютеру нужно скачать и установить программное обеспечение для работы. LoLin NodeMcu v3 поставляется с уже загруженной на ESP8266 прошивкой NodeMCU. Данная прошивка воспринимает код, написанный на языке программирования LUA.

Но, также есть возможность работать с Arduino IDE на языке программирования С и С++. Перед прошивкой нужно зажать кнопку Reset, затем, не отпуская Reset, зажать кнопку Flash, затем отпустить сначала Reset потом Flash. Для обновления прошивки в программе Arduino IDE по адресу: вкладка «Файл», пункт «Настройки», в поле «Additional Boards Manager URLs:» водится строка http://arduino.esp8266.com/package_ esp8266com_index.json. Далее вкладка «Инструменты», пункт «Плата:», во всплывающем списке выбирается «Boards Manager…», в строке поиска нужно набрать ESP, под строкой поиска появится название модуля, далее жмем кнопку «INSTALLED». После того, как информация загрузится и пройдет установка, появится возможность выбрать в программном обеспечении Arduino IDE модуль ESP8266 как контроллер и напрямую писать под него программы. После этого возвращаемся во вкладку «Инструменты», пункт «Плата:» ищем и выбираем NodeMCU 1.0.

Предусмотрено три варианта использования в беспроводном режиме: Клиент (STA), Точка доступа (AP), Клиент+Точка доступа (STA+AP).

Распиновка LoLin v3 NodeMcu Lua

Рисунок 2 – Распиновк LoLin v3 NodeMcu Lua

Выводы

В ходе выполнения научно-исследовательской работы были изучены материалы, касающиеся темы магистрской работы. Были проанализированы возможности различных плат на базе выбранного микроконтроллера и выбрана аппаратная база для дальнейшей работы над магистрской работой. Также был намечен план дальнейших работ.

Список источников

  1. Леонид Черняк. Платформа Интернета вещей. Открытые системы. СУБД, №7, 2012. Открытые системы
  2. Neil Gershenfeld, Raffi Krikorian, Danny Cohen. The Internet of Things
  3. Dave Evans. The Internet of Things. How the Next Evolution of the Internet Is Changing Everything
  4. Bonomi, Flavio; Milito, Rodolfo; Zhu, Jiang; Addepalli, Sateesh (2012-08-17). Fog computing and its role in the internet of things
  5. Абдрахманов В.Х., Важдаев К.В., Салихов Р.Б. Разработка средств автоматизации с использованием Wi-Fi модулей ESP8266 и LPWAN технологий