В рамках codelab мы создадим умное офисное кресло, которое поможет вам во время делать перерывы и вставать разминаться. Нас ждет увлекательная командная работа – соединение электронных компонентов, программирование микроконтроллера, подключение/настройка Firebase и разработка Web приложения для отображения собираемой информации. Пройдя codelab вы научитесь основам программирования Arduino микроконтроллеров и поймете как использовать связку Arduino+Firebase для быстрого прототипирования IoT решений.
Мы хотим, чтобы наше умное офисное кресло отображало "состояние здоровья" с помощью индикатора подобного уровню заряда батарейки в телефоне. Когда мы сидим на кресле "уровень здоровья" должен уменьшаться, разряжаясь полностью за N минут. Если мы встали с кресла, то "здоровье" должно увеличиваться, заряжаясь полностью за M минут.
<описать какое железо нам понадобиться и в какие шаги мы будем собирать кресло>
Для работы c WioLink нам потребуется установить драйвер - http://www.silabs.com/products/mcu/pages/usbtouartbridgevcpdrivers.aspx
В качестве среды разработки мы будем использовать PlatformIO - http://platformio.org/get-started. Это кроссплатформенная IDE на базе текстового редактора Atom, позволяющая программировать под большое количество микроконтроллеров.
После установки и запуска Platform IO IDE необходимо создать новый проект (Меню: Platform IO > Initialize or Update PlatformIO Project). В диалоге создания проекта необходиму указать тип платы микроконтроллера и путь по которому будет размещаться наш проект. WioLink основана на процессоре esp8266, поэтому среди предложенного перечня плат нам подойдет Espressif ESP8266 ESP-12E. После нажатия кнопки Process, Platform IO скачает все необходимые файлы для работы с нашим микропроцессором.
Помимо служебных файлов во вновь созданном проекте будет содержаться папки lib и src. Папка lib является хранилищем библиотек, подключенных к этому проекту, а папка src предназначена для кода проекта. Точками входа приложения выступают функция void setup - для разового запуска настроек и функция void loop - для зацикленного запуска необходимой логики. Компилятор ищет эти функции во всех файлах в директории src.
Например, мы можем создать файл main.cpp в папке src, подключить библиотеку Arduino.h и объявить функции setup и loop следующим образом:
#include <Arduino.h>
void setup() {
// инициализация Serial порта c baudrate равным 28800
Serial.begin(28800)
// Для включения GPIO портов на плате WioLink необходимо подать высокий сигнал на 15-ый пин микропроцессора.
pinMode(15, OUTPUT);
digitalWrite(15, HIGH);
}
void loop() {
Serial.println("Hello World! Devfest Siberia 2016 rulezzzz");
delay(1000);
}
Для того, чтобы запустить данную программу на микроконтроллере нужно подключить его к компьютеру с помощью кабеля USB-microUSB и залить прошивку на контроллер (с помощью кнопки в виде стрелочке в toolbar слева или из меню Platform IO - Upload).
Для отображения информации с последовательного порта в Platform IO необходимо включить монитор последовательного порта из меню (Platform IO - Serial Monitor), указав baudrate (в нашем случае 28800) и соответствующий порт (типа CP2102 USB to UART Bridge controller).
Задача: Реализовать схему, выводящую на консоль “Devfest Siberia 2016 rulezzzz” ~ раз в 1000 миллисекунд. Если вы справились с этой задачей значит вы корректно настроили окружение и готовы двигаться вперед к реализации нашего умного кресла!
Заметка 1: Периодически при работе с WioLink после прошивки плата “зависает”. В этом случае помогает нажатие кнопки reset, расположенной на WioLink. Если ваша программа делает вид, что работает, но ничего не выводит на консоль значит плата зависла и вам нужно нажать кнопку reset.
Заметка 2: Вы узнали старый добрый синтаксис? Да, наша программа написана на C++. При этом в Arduino сообществе нет четко определенного code style и каждый пишет как умеет. Вы еще успеете посетовать на это подключая сторонние библиотеки в Шаге 1. А пока настройтесь писать несовершенный код, это же кодлаб, рефакторить будете потом, а сейчас будем творить!
На WioLink размещены 6 Grove совместимых разъемов. Из них 3 цифровых (Digital), 1 аналоговый (Analog), 1 UART и 1 I2C. Рядом с разъемами подписаны пины контроллера, подключенные к этим разъемам, а также пины к которым подключены 3.3 вольта и земля. К разъемам подключаются датчики и исполнительные механизмы.
Для отображения "уровня здоровья" мы будем использовать Grove Led Bar. Этот элемент имеет четыре пина: два сигнальных пина (dcki и di), пин для подключения питания (3.3 - 5 В) и пин для подключения земли. Как и любой другой grove совместимый элемент, наш Led Bar легко и надежно подключается к плате с помощью grove кабеля. Если вы воткнете Led в разъем Digital 1, то dcki займет 13 пин контроллера, а di займет 12-ый.
Для взаимодействия с Led Bar рекомендуем использовать подключаемую библиотеку https://github.com/Seeed-Studio/Grove_LED_Bar. Нужно скачать репозиторий библиотеки, распаковать архив и полученную папку перенести в папку lib нашего проекта.
Подключение библиотеки осуществляется с помощью #include <Grove_LED_Bar.h> и позволяет создавать объекты Grove_LED_Bar с помощью конструктора Grove_LED_Bar(pinDcki, pinDi, direction), где pinDclk, pinDi - номера соответствующих сигнальных пинов, direction - направление загорания диодов (0 - прямое, 1 - обратное). Для инициализации полученного объекта необходимо вызвать метод объекта begin() в функции setup. Для управления LED Bar-ом рекомендуем использовать метод setLevel (float level), значение level может варьироваться от 0 до 10, включая дробные значения. В зависимости от выбранного level будет включаться соответственное количество диодов (от 0 до 10). В случае если указано дробное число, будет меняться яркость свечения последнего диода.
Задача: Реализовать схему, которая на старте зажигает все десять индикаторов LED Bar-а и дальше постепенно гасит все индикаторы (10, 9, 8 ... 0). Если вам захочется перезапустить программу вы можете воспользоваться кнопкой reset.
Дальше нам нужно добавить бизенс-логику нашего умного кресла. Зарядка и разрядка "здоровья" должна осуществляться за счет определения сидим мы сейчас на стуле или нет. Для этого нам понадобится ультразвуковой дальномер Grove Ultrasonic Ranger. Этот датчик имеет три функциональных пина: цифровой сигнальный пин, пин для подключения питания (3.3 - 5 В) и пин для подключения земли. Оставшийся пин Groove разъема не используется.
Библиотека - https://github.com/Seeed-Studio/Grove_Ultrasonic_Ranger: подключаем командой #include <Ultrasonic.h>, создаем объект класса Ultrasonic с помощью конструктора Ultrasonic(pinUltrasonicRangeFinder) и измеряем расстояние за счет метода MeasureInCentimeters().
Задача: Реализовать схему умного офисного кресла. Когда мы сидим на кресле "уровень здоровья" должен уменьшаться, разряжаясь полностью за 60 секунд. Если мы встали с кресла, то "здоровье" должно увеличиваться, заряжаясь полностью за 20 секунд. Схема должна быть собрана на реальном стуле и работать в боевых условиях. Для крепления датчиков и платы используйте синюю изоленту. Когда вы получите работающую версию, поаплодируйте себе, ведь теперь вы умеете легко и просто собирать умные контроллеры!
У нас уже есть умное офисное кресло, но пока что она не подключено к возможностям "Интернета вещей". Нашей конечной целью является отображение "здоровья" и управление параметрами N (время разрядки) и M (время разрядки) с помощью веб-страницы. Также подключение кресло к Интернету вещей открывает нам бесконечные просторы для творчества, например, мы можем считать среднее здоровье за день или за неделю, среднее для команды, или автоматически отправлять SOS-сообщение другу в мессенджер, если кто-то сидит с самого утра без перерыва и злоупотребляет сидячкей. Мы оставляем реализация данных возможностей за пределами текущей версии нашего кодлаб, и рассчитываем увидеть ваши пул-реквесты с креативными идеями по дальнейшему развитию проекта.
Плана WioLink имеет встроенный модуль WiFi, для работы с ним нам потребуется добавить библиотеку ESP8266WiFi к проекту. Эта библиотека загрузилась PlatformIO вместе с инструментарием для разработки под esp8266. Она является глобальной, то есть нет необходимости ее добавлять в каждый проект. Достаточно одной команды #include <ESP8266WiFi.h>.
WiFi инициализируется с помощью статического метода WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASSWORD), его статус можно проверить с помощью проверки WiFi.status() == WL_CONNECTED. В случае истинности выражения можно продолжать выполнение программы дальше.
Задача: Подключить наше умное кресло к имеющемуся под рукой WiFi.
Мы будем использовать Firebase в качестве realtime базы данных для нашего проекта. Перейдя по ссылке https://firebase.google.com/ и авторизируясь под своим Google аккаунтом создадим новым проект.
Для взаимодействия с Firebase базой данных мы будем использовать библиотеку https://github.com/googlesamples/firebase-arduino. Подключаем ее с помощью #include <FirebaseArduino.h>. Инициализирование Firebase происходит с помощью вызова статического метода Firebase.begin(FIREBASE_HOST, FIREBASE_AUTH). FIREBASE_HOST можно посмотреть на странице Firebase Admin SDK (шестеренка рядом с названием проекта > Настройки проекта > Сервисные аккаунты > Firebase Admin SDK > databaseURL). FIREBASE_AUTH можно найти в секретах базы данных (шестеренка рядом с названием проекта > Настройки проекта > Сервисные аккаунты > Секреты базы данных).
После успешной инициализации Firebase клиента мы можем читать значения из базы данных (например, метод Firebase.getInt("path/to/variable_name") позволяет читать целые значения) и писать значения в базу (например, метод Firebase.setFloat("path/to/variable_name", variable_value) позволяет записать вещественное значение).
Задача: Создать новый Firebase проект. В базе данных проекта создать две переменных: time_to_discharge равную 10-ти секундам и time_to_recharge равную 1-й секунде. После этого обновить метод loop таким образом, чтобы значение параметров time_to_discharge и time_to_recharge считывалось из Firebase и динамически применялось к работе нашего приложения, а значение "здоровья" синхронизировалсь со значением переменной health в Firebase. Постарайтесь сделать так, чтобы в случае получения новых значений параметров (time_to_discharge или time_to_recharge) состояние кресла мгновенно перезагружалось — "здоровье" сбрасывалось в максимум, а дальнейшее поведение "на лету" подстраивались под обновленные значения.
Заметка 1: При сборке проекта с этой библиотекой компилятор будет ругаться на отсутствие файлов ESP8266HTTPClient.h и ESP8266WebServer. Причина в том, что Platform IO добавляет на этапе прекомпиляции только те библиотеки на которые есть прямые ссылки из файлов из папки src. Поэтому достаточно добавить #include <ESP8266HTTPClient.h> и #include <ESP8266WebServer.h> до подключения библиотеки FirebaseArduino.
Заметка 2: Если последний вызванный Firebase метод завершился с ошибкой, метод Firebase.failed() - вернет true, в противном случае ложь. String переменную с описание ошибки можно получить вызовом метода Firebase.error().
Мы верим, что у вас получилось и перед вами находится уникальное творение! Умное офисное кресло, которое показывает "уровень здоровья" (локально и глобально) и конфигурируется через Firebase.
Теперь мы создадим веб-страницу, отображающую "индикатор здоровья" и позволяющую менять знанение параметров time_to_discharge и time_to_recharge. Для этого нам нужно обновить настройки Firebase приложения, сверстать страницу и реализовать взаимодействие с Firebase средствами javascript.
Обновление настроек Firebase приложения. Firebase нужно нажать “Добавьте Firebase в свое веб-приложение” и инициализировать предложенный скрипт в приложение.
Верстка.
Javascript.
Для взаимодействия Javascript и Firebase базы данных используются объекты типа Reference. Они создаются с помощью метода firebase.database().ref('/path/to'). И указывают на конкретную ветвь в базе данных.
Метод .on позволяет подписаться на изменение данных по указанной ссылке. reference.on('value', function(snapshot) { console.log(snapshot.val()); }); При инициализации этого метода или при изменениях объекта по указанной ссылке произойдет вызов callbackа. При этом в качестве аргумента callback принимает объект типа snapshot. Получить измененное значение можно с помощью метода snapshot.val().
Сохранение производится с помощью метода update(). В качестве аргументов ему передается javascript объект для сохранения. К примеру вызов: reference.update( { PomodoroDuration: 20 } ) создаст по указанной ссылке объект с именем PomodoroDuration и значением 20.
Заметка 1: Одним из преимуществ Firebase является то, что его можно легко подключить к всевозможным платформам и технологиям — Arduino, Android, iOS, Browser Javascript, Node.js, Unity и многим другим. Поэтому вы можете пойти дальше создания веб-страницы и сделать красивое приложение для вашей любимой операционной системы.
Задача: создать web страницу, отображающую текущий уровень энергии и позволяющую установить значения sittingDuration и restorationDuration в Firebase.