Ανάπτυξη τηλεπικοινωνιακού υποσυστήματος σε UAV για λήψη δεδομένων από επίγειους ανιχνευτές

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΕΛΟΠΟΝΝΗΣΟΥ ΣΧΟΛΗ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑΣ, ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΚΑΙ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΚΑΙ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ Πτυχιακή εργασία Ανάπτυξη τηλεπικοινωνιακού υποσυστήματος σε UAV για λήψη δεδομένων από επίγειους ανιχνευτές Νικόλαος Μιχαήλ Ι. Βαλάσης Επιβλέποντες: Νικόλαος Σαγιάς Αναπληρωτής Καθηγητής Μιχαήλ Μπατιστάτος Ε.ΔΙ.Π Τρίπολη, 2017

2

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η πτυχιακή εργασία που περιγράφεται στο παρών κείμενο, ασχολείται με τη μελέτη, τον σχεδιασμό, την ανάπτυξη και τη λειτουργία ενός τηλεπικοινωνιακού υποσυστήματος σε UAV. Αρχικά, σε αυτή την εργασία γίνεται βιβλιογραφική έρευνα σχετικά με την πλατφόρμα και τον πομποδέκτη που θα χρησιμοποιηθούν ώστε να υλοποιηθεί το υποσύστημα, τις δυνατότητες και τον τρόπο λειτουργίας τους. Επίσης, γίνεται αναφορά στα UAVs σχετικά με την εξέλιξη τους και τις εφαρμογές που μπορούν να αναπτυχθούν σε αυτά. Στη συνέχεια, με βάση τη βιβλιογραφική μελέτη που καλύφθηκε, σχεδιάζεται και αναπτύσσεται ένα τηλεπικοινωνιακό υποσύστημα. Η υλοποίηση του γίνεται με βάση την πλατφόρμα μικροελεγκτή Arduino και εξοπλίζεται με αισθητήρες και πομποδέκτες. Σκοπός του υποσυστήματος είναι η ασύρματη συλλογή και καταγραφή μετρήσεων από επίγειους αισθητήρες μέσω UAV. Τέλος, μετά την υλοποίηση του υποσυστήματος πραγματοποιούνται δοκιμές, προκειμένου να εξαχθούν τα αποτελέσματα της λειτουργίας του. Λέξεις κλειδιά: Ενσωματωμένα συστήματα, Arduino, UAV, τηλεπικοινωνιακό υποσύστημα, αισθητήρες

4 ABSTRACT The thesis described in this document deals with the study, design, development and operation of a telecommunications subsystem in UAVs. Initially, this work is a bibliographic research on the platform and the transceiver, which will be used to implement the subsystem, the features and their operations. Also, refer to UAVs on their evolution and the applications that can be developed on them. Then, based on the covered bibliographic study, is going to be designed and developed a telecommunications subsystem. The implementation is based on the Arduino microcontroller platform and it is equipped with sensors and transceivers. The purpose of the subsystem is the wireless collection and recording of measurements from ground-based sensors via UAV. Finally, after the implementation of the subsystem, tests are performed in order to extract the results of its operation. Keywords: Embedded systems, Arduino, UAV, telecommunications subsystem, sensors

5 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Για τη διεκπεραίωση της παρούσας πτυχιακής εργασίας, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τους επιβλέποντες, τον αναπληρωτή καθηγητή κ. Νικόλαο Σαγιά για τη συνεργασία και την εμπιστοσύνη που έδειξε στο πρόσωπο μου για την ανάληψη της συγκεκριμένης πτυχιακής, παρόλο που αδυνατούσα να βρίσκομαι στη σχολή για την επίβλεψη της πορείας της. Όπως και τον κ. Μιχάλη Μπατιστάτο μέλος του εργαστηριακού διδακτικού προσωπικού, για τη συνεργασία, την καθοδήγηση και την πολύτιμη συμβολή του στην ολοκλήρωση της εργασίας. Ακόμη, ευχαριστώ την κα Δήμητρα Ζαρμπούτη μέλος του εργαστηριακού διδακτικού προσωπικού, για τη βοήθεια της κατά τη διάρκεια της δοκιμής του συστήματος στον χώρο του Πανεπιστημίου. Παράλληλα, θα ήθελα να απευθύνω ευχαριστίες προς τους δικούς μου ανθρώπους, που καθ όλη τη διάρκεια των σπουδών μου υπήρξαν υποστηρικτές μου. Αρχικά, στους γονείς μου, Ιγνάτιο και Μαρία, στους οποίους οφείλω το μεγαλύτερο μέρος της μέχρι τώρα πορείας μου. Την γιαγιά μου Ασπασία και τους θείους μου, Γιώργο και Δήμητρα για την πνευματική αλλά και υλική τους στήριξη. Τον παιδικό μου φίλο Δημήτρη για την προτροπή του να αναλάβω τη συγκεκριμένη πτυχιακή εργασία. Τέλος ευχαριστώ όλους, συγγενείς και φίλους, για την οποιαδήποτε βοήθεια τους κατά τη διάρκεια εκπόνησης της εργασίας.

6 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: Εισαγωγή 1.1 Στόχοι της πτυχιακής εργασίας Δομή της πτυχιακής εργασίας... 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: Ενσωματωμένα συστήματα 2.1 Πλατφόρμες ανάπτυξης Arduino Λογισμικό Arduino (IDE) Πλατφόρμες Arduino Arduino Uno Τεχνικά χαρακτηριστικά Arduino Uno Τροφοδοσία Μνήμη Είσοδοι και Έξοδοι Επικοινωνία Αυτόματη επαναφορά Arduino Nano Συνοδευτικό υλικό ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: Ασύρματη μετάδοση δεδομένων 3.1 Τηλεπικοινωνιακό σύστημα Πομποδέκτης nrf24l Χειρισμός πομποδέκτη Τρόποι λειτουργίας Ρυθμός μετάδοσης δεδομένων Συχνότητα καναλιού μετάδοσης Μετρήσεις ανιχνευτή λαμβανόμενης ισχύος Ρυθμίσεις ενισχυτή ισχύος Enhanced ShockBurst Μορφή πακέτων Enhanced ShockBurst I

7 3.8.2 Αυτόματος χειρισμός πακέτων μετάδοσης MultiCeiver Τεχνικά χαρακτηριστικά πομποδέκτη Βιβλιοθήκη RF24Network Τοπολογία δικτύων με χρήση nrf24l Οκταδική διευθυνσιοδότηση και τοπολογία δικτύου Χειρισμός δρομολόγησης Πρόγραμμα προβολής παραμέτρων πομποδέκτη ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: Μη επανδρωμένα αεροσκάφη 4.1 Εισαγωγή Ιστορική εξέλιξη Εφαρμογές με χρήση UAV Λήψη δεδομένων από αισθητήρες με UAVs ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: Υποσύστημα ασύρματης μετάδοσης δεδομένων αισθητήρα 5.1 Υλικά μέρη και περιγραφή λειτουργίας Συνδεσμολογία Πηγαίος κώδικας πομπού Σχολιασμός Πηγαίος κώδικας δέκτη Σχολιασμός ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: Συλλογή δεδομένων με UAV μέσω δικτύου αισθητήρων 6.1 Τοπολογία δικτύου και διευθυνσιοδότηση Καταστάσεις λειτουργίας υποσυστήματος Λειτουργία επιμέρους μονάδων υποσυστήματος Κόστος υλοποίησης υποσυστήματος Προβλήματα Λύσεις ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7: Χρήση υποσυστημάτων 7.1 Δοκιμή απλού τηλεπικοινωνιακού υποσυστήματος Δοκιμή δικτύου αισθητήρων σε συνεργασία με UAV Παρατηρήσεις II

8 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑΤΑ 1. Διαμόρφωση εύρους παλμού (PWM) Πρωτόκολλα Εγκατάσταση απαραίτητου λογισμικού Χρήση του λογισμικού Σύνταξη συναρτήσεων Ορολογία Συντμήσεις Αρκτικόλεξα Ακρωνύμια ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ III

9 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ Εικόνα 1: Το λογότυπο του Arduino... 5 Εικόνα 2: Λογισμικό Arduino IDE... 8 Εικόνα 3: Πλακέτα Arduino Uno Εικόνα 4: Ακροδέκτες τροφοδοσίας Εικόνα 5: Ψηφιακοί ακροδέκτες και L led Εικόνα 6: Αναλογικοί ακροδέκτες Εικόνα 7: ICSP ακίδες Εικόνα 8: Πλακέτα Arduino Nano Εικόνα 9: Διάγραμμα λειτουργικών βαθμίδων συστήματος επικοινωνίας Εικόνα 10: Βασικά στοιχεία ενός συστήματος ψηφιακής επικοινωνίας Εικόνα 11: Πομποδέκτης nrf24l Εικόνα 12: Πακέτο Enhanced ShockBurst Εικόνα 13: Πακέτο πεδίου ελέγχου Εικόνα 14: Διευθυνσιοδότηση αγωγού δεδομένων σε λειτουργία Multiceiver 32 Εικόνα 15: Πομποδέκτης nrf24l01+ PA & LNA Εικόνα 16: Διάγραμμα μπλοκ πομποδέκτη Εικόνα 17: Τοπολογία και διευθυνσιοδότηση δικτύου Εικόνα 18: Κώδικας προβολής παραμέτρων πομποδέκτη Εικόνα 19: Έξοδος προγράμματος στη σειριακή οθόνη Εικόνα 20: Amazon Prime Air Εικόνα 21: Εποπτεία καλλιέργειας με χρήση UAV Εικόνα 22: Δίκτυο επίγειων και εναέριων ανιχνευτών πυρκαγιάς Εικόνα 23: Διάγραμμα λειτουργίας υποσυστήματος Εικόνα 24: Συνδεσμολογία υποσυστήματος πομπού Εικόνα 25: Συνδεσμολογία υποσυστήματος δέκτη Εικόνα 26: Πηγαίος κώδικας πομπού - γραμμές 1 έως Εικόνα 27: Πηγαίος κώδικας πομπού - γραμμές 20 έως Εικόνα 28: Πηγαίος κώδικας πομπού - γραμμές 37 έως Εικόνα 29: Πηγαίος κώδικας πομπού - γραμμές 63 έως Εικόνα 30: Πηγαίος κώδικας πομπού - γραμμές 80 έως Εικόνα 31: Πηγαίος κώδικας δέκτη Εικόνα 32: Σενάριο λειτουργίας τηλεπικοινωνιακού υποσυστήματος Εικόνα 33: Τοπολογία και διευθυνσιοδότηση υποσυστήματος Εικόνα 34: Διάγραμμα λειτουργίας μονάδων υποσυστήματος Εικόνα 35: Συνδεσμολογία συσκευής χρήστη Εικόνα 36: Πηγαίος κώδικας συσκευής χρήστη Εικόνα 37: Συνδεσμολογία συσκευής UAV Εικόνα 38: Πηγαίος κώδικας συσκευής UAV- γραμμές 1 έως Εικόνα 39: Πηγαίος κώδικας συσκευής UAV- γραμμές 24 έως Εικόνα 40: Πηγαίος κώδικας συσκευής UAV- γραμμές 54 έως Εικόνα 41: Πηγαίος κώδικας συσκευής UAV- γραμμές 84 έως Εικόνα 42: Συνδεσμολογία συσκευής επίγειου σταθμού IV

10 Εικόνα 43: Πηγαίος κώδικας επίγειου σταθμού 1 - γραμμές 1 έως Εικόνα 44: Πηγαίος κώδικας επίγειου σταθμού 1 - γραμμές 29 έως Εικόνα 45: Συνδεσμολογία επίγειου σταθμού Εικόνα 46: Πηγαίος κώδικας επίγειου σταθμού 2 - γραμμές 1 έως Εικόνα 47: Πηγαίος κώδικας επίγειου σταθμού 2 - γραμμές 23 έως Εικόνα 48: Πηγαίος κώδικας επίγειου σταθμού 2 - γραμμές 50 έως Εικόνα 49: Περιοχή δοκιμής Εικόνα 50: Μετρηθείσες τιμές κατά την δοκιμή του υποσυστήματος Εικόνα 51: Τοποθεσία επίγειων μονάδων στον χώρο δοκιμής Εικόνα 52: Πορεία του UAV σε σχέση με τις επίγειες μονάδες Εικόνα 53: Λήψεις από τους επίγειους σταθμούς σε σχέση με το ύψος πτήσης του UAV Εικόνα 54: Διαμόρφωση εύρους παλμού V

11 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 1: Τεχνικά χαρακτηριστικά πλακετών Arduino... 9 Πίνακας 2: Τεχνικά χαρακτηριστικά πλακέτας Arduino Uno Πίνακας 3: Ρύθμιση ισχύος εξόδου Πίνακας 4: Λειτουργίες ακροδεκτών Πίνακας 5: Απόλυτες μέγιστες τιμές Πίνακας 6: Κατανάλωση ισχύος Πίνακας 7: Καταστάσεις ραδιοσυχνοτήτων Πίνακας 8: Λειτουργία εκπομπής Πίνακας 9: Λειτουργία λήψης Πίνακας 10: Χαρακτηριστικά nrf24l01+ με PA και LNA Πίνακας 11: Παράδειγμα διευθυνσιοδότησης βιβλιοθήκης RF24Network Πίνακας 12: Συδεσμολογία RTC - Arduino Πίνακας 13: Συνδεσμολογία μονάδας SD Arduino Πίνακας 14: Συνδεσμολογία nrf24l01 - socket adapter - Arduino Πίνακας 15: Συνδεσμολογία LCD Arduino Πίνακας 16: Διευθυνσιοδότηση δικτύου Πίνακας 17: Συνδέσεις ακροδεκτών συσκευής χρήστη Πίνακας 18: Συνδέσεις ακροδεκτών συσκευής UAV Πίνακας 19: Συνδέσεις ακροδεκτών επίγειου σταθμού Πίνακας 20: Συνδέσεις ακροδεκτών επίγειου σταθμού Πίνακας 21: Ποσότητα και κόστος επιμέρους μονάδων Πίνακας 22: Γεωγραφικά στοιχεία δοκιμής Πίνακας 23: Γεωγραφικά στοιχεία επιμέρους μονάδων κατά τη δοκιμή VI

12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: Εισαγωγή 1.1 Στόχοι της πτυχιακής εργασίας Η εκπόνηση της συγκεκριμένης πτυχιακής εργασίας έχει ως στόχο την μελέτη και την ανάπτυξη ενός τηλεπικοινωνιακού υποσυστήματος σε UAV για την συλλογή και καταγραφή δεδομένων από επίγειους αισθητήρες. Συγκεκριμένα, περιλαμβάνει την χρήση μιας σειράς από εξειδικευμένους μικροεπεξεργαστές και μικροελεγκτές όπως τα γνωστά Arduino και Raspberry Pi. Πρόκειται για ανοιχτού κώδικα πλατφόρμες, οι οποίες δίνουν τη δυνατότητα δημιουργίας πλήθους συστημάτων και εφαρμογών. Συνδυάζουν υλικό και λογισμικό, το οποίο παραμετροποιείται με χρήση μεταγλωττιστών και βασικών εντολών της γλώσσας C / C++. Αρχικά, στην εργασία αυτή, θα γίνει βιβλιογραφική έρευνα σχετικά με τις πλατφόρμες αυτές, σχετικά με τις δυνατότητες και τον τρόπο λειτουργίας τους. Στη συνέχεια, πάνω σε αυτές τις πλατφόρμες θα υλοποιηθεί ένα υποσύστημα, το οποίο με χρήση συνοδευτικών αισθητήρων και ενός μη επανδρωμένου αεροσκάφους θα εκτελούν κάποιες συγκεκριμένες λειτουργίες. 1.2 Δομή της πτυχιακής εργασίας Στην ενότητα αυτή παρουσιάζεται η δομή της παρούσας πτυχιακής εργασίας, η οποία χωρίζεται σε επτά κεφάλαια και ακολουθούν τα παραρτήματα και η βιβλιογραφία. Το πρώτο κεφάλαιο περιλαμβάνει την εισαγωγή της πτυχιακής, όπου αναφέρονται οι στόχοι της εργασίας και η δομή της. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι πλατφόρμες ενσωματωμένων συστημάτων και ειδικότερα η αρχιτεκτονική των πλατφορμών Arduino. Αναφέρονται οι λειτουργίες, τα τεχνικά χαρακτηριστικά, το λογισμικό που σχετίζονται με την πλατφόρμα. Το τρίτο κεφάλαιο ασχολείται με την ασύρματη μετάδοση δεδομένων, μέσω ενσωματωμένων πλακετών και πιο συγκεκριμένα με τον πομποδέκτη nrf24l01+, την λειτουργία, τα χαρακτηριστικά και την παραμετροποίηση του. Επίσης, γίνεται αναφορά στη βιβλιοθήκη που χρησιμοποιείται για τον χειρισμό του πομποδέκτη. Το τέταρτο κεφάλαιο περιγράφει την εξέλιξη των μη επανδρωμένων αεροσκαφών και τις εφαρμογές που μπορούν να χρησιμοποιηθούν. 1

13 Στο πέμπτο κεφάλαιο, δημιουργείται ένα απλό τηλεπικοινωνιακό σύστημα, δύο μονάδων (πομπού και δέκτη), όπου γίνεται συλλογή μετρήσεων μέσω αισθητήρα και ασύρματη αποστολή αυτών στον δέκτη για την προβολή τους. Στο έκτο κεφάλαιο, επεκτείνονται οι λειτουργίες και η δομή του τηλεπικοινωνιακού υποσυστήματος. Δημιουργείται ένα δίκτυο μεταξύ των μονάδων του, όπου είναι δυνατή η ασύρματη συλλογή δεδομένων από τους αισθητήρες που βρίσκονται σε επίγειους σταθμούς, από ένα μη επανδρωμένο αεροσκάφος και η ταυτόχρονη προώθηση τους προς τον χρήστη του υποσυστήματος. Η υλοποίηση των υποσυστημάτων περιλαμβάνει την σύνδεση των επιμέρους μονάδων που τα αποτελούν καθώς και τον προγραμματισμό τους προκειμένου να καταστούν λειτουργικά. Το έβδομο κεφάλαιο περιλαμβάνει τις δοκιμές στον χώρο, των υποσυστημάτων που αναπτύχθηκαν, καθώς και τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα που προκύπτουν από αυτές. Έπειτα, ακολουθούν τα παραρτήματα που παρουσιάζουν την ορολογία και τα ακρωνύμια που αναφέρονται στην πτυχιακή εργασία όπως και κάποια άλλα σημαντικά θέματα σχετικά με αυτήν που αξίζει να αναφερθούν. Στο τέλος του εγγράφου, καταγράφεται η βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε για την συγγραφή της πτυχιακής εργασίας αλλά και την υλοποίηση του υποσυστήματος. 2

14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: Ενσωματωμένα συστήματα Αν κοιτάξουμε γύρω μας, θα βρεθούμε να περιβαλλόμαστε από υπολογιστικά συστήματα. Κάθε χρόνο κατασκευάζονται εκατομμύρια συστήματα υπολογιστών, τα οποία προορίζονται για επιτραπέζιους υπολογιστές (PC, servers, κ.α) όμως παραδόξως, τα συστήματα αυτά εντάσσονται στο πλαίσιο μεγαλύτερων ηλεκτρονικών συσκευών με συνέπεια να περνούν απαρατήρητα. Σύστημα είναι ένας τρόπος εργασίας, οργανώνοντας ή εκτελώντας μία ή πολλές εργασίες σύμφωνα με ένα σταθερό σύνολο κανόνων. Με άλλα λόγια, μια ρύθμιση με την οποία όλες οι μονάδες συγκεντρώνονται και συνεργάζονται σύμφωνα με ένα πρόγραμμα ή σχέδιο. Ένα ενσωματωμένο σύστημα είναι ένα σύστημα που έχει ενσωματωμένο λογισμικό στο υλικό του, γεγονός που καθιστά το σύστημα να είναι αφοσιωμένο σε μια εφαρμογή ή ένα συγκεκριμένο τμήμα της. Η λειτουργία για την οποία προγραμματίζονται εκτελείται συνεχώς και τερματίζεται μόνο όταν διακοπή η παροχή ενέργειας. Έχουν την δυνατότητα να αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον μέσω αισθητήρων έχοντας ελάχιστη ως καμία απαίτηση επίβλεψης από τον χρήστη. Ένα σύστημα τέτοιου είδους αποκαλείται πραγματικού χρόνου καθώς η ορθότητα της λειτουργίας του δεν εξαρτάται αποκλειστικά από τα λογικά αποτελέσματα των υπολογισμών του που εκτελεί αλλά και από την χρονική στιγμή κατά την οποία αυτά είναι διαθέσιμα. Ο σχεδιασμός τους γίνεται με κύριο γνώμονα την αποδοτικότητα (μικρός κόστος, ελάχιστη κατανάλωση ισχύος, αξιοπιστία) [1,2] 2.1 Πλατφόρμες ανάπτυξης Μια πλατφόρμα ανάπτυξης είναι ένα τυπωμένο κύκλωμα που περιέχει έναν μικροεπεξεργαστή ή μικροελεγκτή και την ελάχιστη λογική υποστήριξη που απαιτείται, για την εξοικείωση και τον προγραμματισμό της. Δύο από τις πιο δημοφιλής πλατφόρμες ενσωματωμένων συστημάτων που κυκλοφορούν είναι τα Raspberry Pi και Arduino. Παρόλο που οι δύο αυτές πλατφόρμες φαίνονται παρόμοιες, στην πραγματικότητα είναι εντελώς διαφορετικές συσκευές. Το Arduino είναι ένας μικροελεγκτής, δηλαδή κάνει ένα μικρό μέρος από τις λειτουργίες ενός υπολογιστή, από την άλλη το Raspberry Pi είναι ένας υπολογιστής, καθώς μπορεί να υποστηρίξει ένα πλήρες λειτουργικό σύστημα. Συνεπώς, το Arduino παρέχει μόνο ένα υποσύνολο της λειτουργικότητας του Raspberry Pi. Παρ όλα αυτά, η παραπάνω παραδοχή δεν οδηγεί στο συμπέρασμα ότι το Arduino είναι άχρηστο. 3

15 Το Arduino είναι ιδανικό για σχέδια (projects) ηλεκτρονικής, καθώς παρέχει ένα σύνολο εισόδων και εξόδων στις οποίες μπορούν να συνδεθούν απευθείας αισθητήρες και εξαρτήματα. Το λογισμικό του Arduino επιτρέπει την επικοινωνία της πλατφόρμας με έναν υπολογιστή μέσω της σειριακής θύρας USB, δίνοντας πρόσβαση σε όλες του τις λειτουργίες. Από τη στιγμή που γίνει φόρτωση του προγράμματος στον μικροελεγκτή, αυτό θα αρχίσει να λειτουργεί άμεσα, εκτελώντας την λειτουργία για την οποία έχει προγραμματιστεί το μόνο που χρειάζεται είναι τροφοδοσία. Από την άλλη μεριά, το Raspberry Pi είναι ένας πλήρης λειτουργικός υπολογιστής. Διαθέτει λειτουργικό σύστημα, αποθηκευτικό χώρο και δυνατότητα σύνδεσης στο διαδίκτυο μέσω θύρας ethernet. Η καρδιά του Pi είναι ένας μικροεπεξεργαστής, επίσης διαθέτει μνήμη και επεξεργαστή γραφικών. Μπορούν να συνδεθούν πάνω του πληκτρολόγιο, οθόνη μέσω της θύρας hdmi, συνθέτοντας ένα ολοκληρωμένο υπολογιστικό σύστημα. Το Raspberry Pi είναι μια απίστευτα ισχυρή πλατφόρμα με πολύ μικρές διαστάσεις, ιδανική για ενσωματωμένα συστήματα ή σχέδια που απαιτούν περισσότερη διαδραστικότητα και επεξεργαστική ισχύ. Είναι εύκολα αντιληπτό πως το Raspberry Pi είναι μια σημαντικά πιο περίπλοκη πλατφόρμα για απλά σχέδια ηλεκτρονικής. Για παράδειγμα, το πρώτο έργο καθενός που ξεκινάει την ενασχόληση με τα ενσωματωμένα συστήματα είναι να αναβοσβήσει (blink) ένα λαμπάκι led. Με το Arduino αυτό απαιτεί τη σύνδεση ενός led και μιας αντίστασης σε δύο ακροδέκτες και τη φόρτωση περίπου 8 γραμμών κώδικα. Για το Raspberry Pi λαμβάνοντας υπόψη ότι έχει ένα πλήρως λειτουργικό, λειτουργικό σύστημα πρέπει να γίνει εγκατάσταση βιβλιοθηκών που θα βοηθήσουν στον χειρισμό των GPIO ακροδεκτών του. Καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι το Raspberry Pi μπορεί να κάνει όλα όσα το Arduino κάνει αλλά απαιτεί μεγαλύτερη προσπάθεια. [3] Φυσικά, εκτός από αυτές υπάρχουν και άλλες πλατφόρμες προτυποποίησης, άλλες συνδυάζουν τις λειτουργίες τους ή προσφέρουν διαφορετικά χαρακτηριστικά. Διακρίνονται σε κατηγορίες ανάλογα με το επίπεδο εξοικείωσης του χρήστη με τα συγκεκριμένα συστήματα και την εργασία που πρόκειται να τους ανατεθεί. Το κόστος μια πλακέτας κυμαίνεται ανάλογα με την εξειδίκευση που παρέχει και την υποστήριξη που μπορεί να προσφέρει ο κατασκευαστής. Συνεπώς, άλλη μια κατηγοριοποίηση για τέτοιου είδους πλακέτες έχει να κάνει με το αν είναι ανοιχτού κώδικα ή όχι. Σε περίπτωση ανοιχτού κώδικα, πηγή σχετικά με τη χρήση και τα χαρακτηριστικά της πλατφόρμας δεν αποτελεί μόνο ο κατασκευαστής, αλλά και πολλές διαδικτυακές κοινότητες που έχουν ασχοληθεί. Από την άλλη μεριά, η υποστήριξη μιας πλατφόρμας κλειστού κώδικα από τον κατασκευαστή ενδέχεται να είναι πιο επαγγελματική και εξειδικευμένη. 4

16 2.2 Arduino Το Arduino είναι μια πλατφόρμα προτυποποίησης (prototyping) ανοιχτού κώδικα βασισμένο στην εύκολη χρήση του υλικολογισμικού του. Αναπτύχθηκε στο Ινστιτούτο σχεδιασμού αλληλεπίδρασης της Ivrea στην Ιταλία το 2005, σαν ένα εργαλείο προτυποποίησης για μαθητές που δεν έχουν ιδιαίτερες γνώσεις ηλεκτρονικής και προγραμματισμού. Σύντομα όμως το Arduino συνάντησε μια ευρύτερη κοινότητα, με αποτέλεσμα να αλλάζει προκειμένου να καλύψει νέες ανάγκες και προκλήσεις. Πλέον κατηγοριοποιείται από τις απλές πλατφόρμες των 8-bit έως προϊόντα που υποστηρίζουν διαδικτυακές εφαρμογές, ενσωματωμένα περιβάλλοντα ακόμη και προϊόντα για 3D εκτύπωση ή που μπορούν να φορεθούν (wearables). [4] Εικόνα 1: Το λογότυπο του Arduino Μια πλακέτα Arduino μπορεί να δεχθεί σαν είσοδο, για παράδειγμα έναν ήχο μέσω ενός αισθητήρα, το πάτημα ενός πλήκτρου ή ακόμη και κάποιο και να το μετατρέψει ως έξοδο, ενεργοποιώντας μια κάμερα, ανάβοντας ένα led, κοινοποιώντας κάτι στο διαδίκτυο. Η συσκευή του Arduino μπορεί να καθοδηγηθεί στέλνοντας οδηγίες στον μικροελεγκτή της πλατφόρμας. Αυτό είναι εφικτό με τη χρήση της γλώσσας προγραμματισμού Arduino που είναι βασισμένη στη Wiring, μια παραλλαγή της γνωστής γλώσσας C++ και με το λογισμικό του Arduino που βασίζεται στη Processing. [5] Λόγω του χαρακτήρα του το Arduino είναι ελεύθερο για όλους, κατασκευαστές, μαθητές σπουδαστές, καλλιτέχνες, προγραμματιστές, επαγγελματίες ακόμη και για προσωπική ενασχόληση. Έτσι λοιπόν, ο καθένας που ασχολείται μαζί του συνεισφέρει στην παγκόσμια κοινότητα προσφέροντας τη δική του γνώση, με αποτέλεσμα να υπάρχει μεγάλος όγκος προσβάσιμης γνώσης γύρω από το Arduino που μπορεί να δώσει βοήθεια σε αρχάριους και προχωρημένους χρήστες. Με το πέρασμα του χρόνου, το Arduino έχει χρησιμοποιηθεί σε εκατοντάδες σχέδια, με σκοπό την επίλυση προβλημάτων με εύρος από απλά καθημερινά μέχρι σύνθετα επιστημονικά θέματα, από κηπουρική έως ρομποτική. Όλες οι πλατφόρμες Arduino όπως και το λογισμικό είναι ανοιχτού κώδικα επιτρέποντας στους χρήστες να τις κατασκευάσουν ανεξάρτητα και τελικά να τις χρησιμοποιήσουν προς επίλυση των δικών τους προσωπικών αναγκών. 5

17 Υπάρχουν πολλές ακόμη πλακέτες μικροελεγκτών άλλων κατασκευαστών, ωστόσο οι πλακέτες Arduino πλεονεκτούν έναντι αυτών για τους εξής λόγους: 1. Χαμηλή τιμή. Σε σύγκριση με άλλες πλατφόρμες μικροελεγκτών οι πλακέτες Arduino είναι σχετικά φθηνές. 2. Λογισμικό ανεξάρτητο πλατφόρμας. Το λογισμικό Arduino τρέχει στα λειτουργικά συστήματα Windows, Macintosh OSX και Linux. Σε αντίθεση με τα περισσότερα συστήματα μικροελεγκτών που περιορίζονται στα Windows. 3. Απλό προγραμματιστικό περιβάλλον. Το λογισμικό του Arduino είναι εύκολο στη χρήση για αρχάριους αλλά και αρκετά ευέλικτο για να το εκμεταλλευτούν οι προχωρημένοι χρήστες. 4. Λογισμικό ανοιχτού κώδικα και επεκτάσιμο. Το λογισμικό Arduino δημοσιεύεται ως εργαλείο ανοιχτού κώδικα, διαθέσιμο προς επέκταση από έμπειρους προγραμματιστές. Η γλώσσα μπορεί να επεκταθεί μέσω των βιβλιοθηκών της C Υλικό ελεύθερο και επεκτάσιμο. Τα σχέδια από τις πλακέτες Arduino δημοσιεύονται υπό την άδεια της Creative Commons, έτσι έμπειροι σχεδιαστές κυκλωμάτων μπορούν να φτιάξουν τη δική τους εκδοχή της μονάδας επεκτείνοντας τη και βελτιώνοντας τη. 2.3 Λογισμικό Arduino (IDE) Το ολοκληρωμένο περιβάλλον ανάπτυξης του Arduino (Integrated Development Environment), αποτελείται από έναν επεξεργαστή κειμένου για τη σύνταξη κώδικα, μια περιοχή μηνυμάτων, μια κονσόλα κειμένου, μια γραμμή εργαλείων με κουμπιά κοινών λειτουργιών και μια σειρά από μενού. Το λογισμικό συνδέεται μέσω θύρας USB, με την πλακέτα Arduino για τη φόρτωση προγραμμάτων και την επικοινωνία μεταξύ υπολογιστή και πλακέτας. Τα προγράμματα που συντάσσονται χρησιμοποιώντας το λογισμικό Arduino ονομάζονται sketches και τους δίνεται αυτόματα όνομα βάση της ημερομηνίας που ξεκίνησαν. Τα αρχεία αυτά έχουν επέκταση INO. Τα προγράμματα του Arduino διαιρούνται σε τρία μέρη: δομή (structure), τιμές (values) και συναρτήσεις (functions). [6] 6

18 Ένα τυπικό πρόγραμμα του Arduino έχει την εξής δομή: // δηλώσεις μεταβλητών void setup () { } void loop () { } // αρχικοποιήσεις //... Παρατηρείται ότι σε ένα τυπικό πρόγραμμα βρίσκονται δύο βασικές συναρτήσεις: Η συνάρτηση setup (), η οποία εκτελείται μια φορά στην αρχή του προγράμματος. Χρησιμοποιείται για τις αρχικοποιήσεις των μεταβλητών, τις δηλώσεις των ακροδεκτών (αν θα είναι είσοδος ή έξοδος) και τις αρχικοποιήσεις των βιβλιοθηκών. Η συνάρτηση loop () καλείται συνέχεια μέχρι η πλακέτα να απενεργοποιηθεί. Ο κώδικας που γράφεται μέσα σε αυτή τη συνάρτηση επαναλαμβάνεται συνεχώς δίνοντας τη δυνατότητα στο πρόγραμμα να αλλάζει τιμές και το Arduino να ανταποκρίνεται ανάλογα. Η γλώσσα του Arduino IDE βασίζεται στη γλώσσα Wiring, η οποία είναι μια παραλλαγή των C / C++ για μικροελεγκτές αρχιτεκτονικής AVR όπως ο ATmega και υποστηρίζει όλες τις βασικές δομές της C καθώς και μερικά χαρακτηριστικά της C++. Ως μεταγλωττιστής χρησιμοποιείται ο AVR gcc και ως βασική βιβλιοθήκη C χρησιμοποιείται η AVR libc. Λόγω της σχέσης της γλώσσας Arduino με τη C μπορούν να χρησιμοποιηθούν οι ίδιες βασικές εντολές και συναρτήσεις, με την ίδια σύνταξη, τους ίδιους τύπους δεδομένων και τους ίδιους τελεστές όπως στη C. Επιπλέον, υπάρχουν κάποιες ειδικές εντολές, συναρτήσεις και σταθερές που βοηθούν στη διαχείριση του ειδικού υλικού του Arduino. Στο λογισμικό του Arduino περιλαμβάνονται ορισμένες βιβλιοθήκες, οι οποίες παρέχουν επιπλέον λειτουργίες για χρήση στα προγράμματα, όπως τον χειρισμό δεδομένων ή τη συνεργασία με το υλικό του συστήματος. Είναι δυνατή η λήψη διάφορων βιβλιοθηκών από μια ποικιλία τρίτων πηγών ή και μέσω του Διαχειριστή Βιβλιοθήκης του IDE. [7] Στην Εικόνα 2 παρουσιάζεται το περιβάλλον του Arduino IDE. 7

19 Εικόνα 2: Λογισμικό Arduino IDE 1. Επαλήθευση. Συντάσσει και εγκρίνει τον κώδικα. Εντοπίζει τα συντακτικά λάθη (όπως για το αν λείπει ερωτηματικό ή παρένθεση). 2. Φόρτωση. Στέλνει τον κώδικα στον μικροελεγκτή. Όταν επιλεγεί θα πρέπει τα led της πλακέτας να αναβοσβήνουν. 3. Νέο. Ανοίγει μια νέα καρτέλα για σύνταξη κώδικα. 4. Άνοιγμα. Ανοίγει ένα υπάρχον πρόγραμμα. 5. Αποθήκευση. Αποθηκεύει το τρέχον πρόγραμμα. 6. Σειριακή Οθόνη. Ανοίγει ένα παράθυρο το οποίο εμφανίζει οποιαδήποτε σειριακή πληροφορία εκπέμπει η πλατφόρμα. Είναι πολύ χρήσιμο για τον εντοπισμό σφαλμάτων. 7. Όνομα Sketch. Δείχνει το όνομα του τρέχοντος προγράμματος. 8. Επεξεργαστής κειμένου. Περιοχή σύνταξης του κώδικα για το πρόγραμμα. 9. Περιοχή μηνυμάτων. Εμφανίζει μηνύματα σχετικά με το αν υπάρχουν λάθη στον κώδικα. 10. Κονσόλα κειμένου. Δείχνει πλήρη μηνύματα λαθών. Είναι χρήσιμη κατά την αποσφαλμάτωση. 11. Πλακέτα και σειριακή θύρα. Δείχνει το όνομα της πλακέτας και την επιλεγμένη σειριακή θύρα. 8

20 2.4 Πλατφόρμες Arduino Μερικές πλατφόρμες Arduino που είναι διαθέσιμες για ανάπτυξη εφαρμογών είναι οι εξής: [8,9] Arduino Uno Arduino Pro Arduino Nano Arduino Mega Arduino Zero Arduino MKR1000 Arduino Gemma Lilypad Arduino USB Lilypad Arduino Main Board (Για αρχάριους) (Για αρχάριους) (Για αρχάριους) (Ενισχυμένα χαρακτηριστικά) (Ενισχυμένα χαρακτηριστικά) (Ανάπτυξη διαδικτυακών εφαρμογών) (Wearable) (Wearable) Wearable) Πλατφόρμα Μικροελεγκτής Πίνακας 1: Τεχνικά χαρακτηριστικά πλακετών Arduino Τάση λειτουργίας /εισόδου Ταχύτητα CPU (MHz) Αναλογικές είσοδοι/ έξοδοι Ψηφιακές είσοδοιέξοδοι/ PWM EEPROM (KB) SRAM (KB) Uno ATmega328P 5 V/7-12 V 16 6/0 14/ Pro ATmega328P 5 V/7-12 V 16 6/0 14/ Nano ATmega328P 5 V/7-12 V 16 8/0 14/ Mega ATmega V/7-12 V 16 16/0 54/ Zero ATSAMD21G V/7-12V 48 6/1 14/ MKR1000 SAMD21 Cortex-M0+ Flash (KB) 3.3 V/5 V 48 7/1 8/ Gemma ATtiny V/4-16V 8 1/0 3/ Lilypad USB Lilypad Main Board ATmega32U4 3.3V/3.8-5V 8 4/0 9/ ATmega168V V/ V 8 6/0 14/

21 2.5 Arduino Uno Το Arduino Uno είναι μια πλακέτα μικροελεγκτή βασισμένη στον ATmega328P. Ο οποίος προγραμματίζεται ώστε να ελέγχει τις εισόδους και τις εξόδους της πλατφόρμας. Εκτός από τον μικροελεγκτή η πλατφόρμα αποτελείται από μια θύρα USB, μια υποδοχή 2.1 mm για την τροφοδοσία, 14 ψηφιακά κανάλια εισόδου/εξόδου και 6 αναλογικές εισόδους. Η πλακέτα Arduino Uno και τα τεχνικά χαρακτηριστικά της παρουσιάζονται στον Πίνακα 2 και στην Εικόνα 3. Επιπλέον, μαζί με τον μικροελεγκτή το Arduino διαθέτει ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα επικοινωνίας (ATmega16U2), το οποίο μετατρέπει τις εντολές του προγράμματος σε κατάλληλη μορφή προκειμένου ο ATmega328P να τις διαβάσει. [10] Τεχνικά χαρακτηριστικά Arduino Uno Πίνακας 2: Τεχνικά χαρακτηριστικά πλακέτας Arduino Uno Μικροελεγκτής Τάση λειτουργίας Τάση εισόδου (συνιστώμενη) ATmega328P 5 V 7-12 V Τάση εισόδου (όρια) Ψηφιακοί ακροδέκτες (pins) εισόδου/εξόδου Ψηφιακοί PWM ακροδέκτες εισόδου/εξόδου 6 Αναλογικοί ακροδέκτες εισόδου V 14 (6 εκ των οποίων παρέχουν PWM έξοδο) DC ρεύμα ανά ακροδέκτη εισόδου/εξόδου DC ρεύμα για 3.3 V ακροδέκτη Μνήμη Flash SRAM EEPROM Ταχύτητα ταλαντωτή Μήκος Πλάτος Βάρος 20 ma 50 ma 32 KB (εκ των οποίων 0.5 ΚΒ χρησιμοποιούνται από το bootloader) 2 KB 1 KB 16 MHz 68.6 mm 53.4 mm 25 g 10

22 Εικόνα 3: Πλακέτα Arduino Uno 1) Θύρα USB 2) Υποδοχή τροφοδοσίας 2.1 mm 3) Μικροελεγκτής ATmega328P 4) Ολοκληρωμένο κύκλωμα (chip) επικοινωνίας ATmega16U2 5) 16 MHz crystal clock 6) Κουμπί επαναφοράς 7) Led λειτουργίας 8) TX/RX leds 9) Led L 10) Ακροδέκτες τροφοδοσίας 11) Αναλογικές είσοδοι 12) TX και RX ακροδέκτες 13) Ψηφιακές είσοδοι/έξοδοι. Το σύμβολο ~ είναι για τις εξόδους PWM 14) Ακροδέκτες γείωσης και AREF 15) ICSP για τον ATmega328P 16) ICSP για την διεπαφή USB (ATmega16U2) 17) Ακροδέκτες IOREF και RESET 18) Ακροδέκτες SDA και SCL 11

23 2.5.2 Τροφοδοσία Η πλακέτα Uno μπορεί να τροφοδοτηθεί είτε από τον υπολογιστή μέσω USB σύνδεσης, είτε με εξωτερική τροφοδοσία. Η πηγή επιλέγεται αυτόματα. Η εξωτερική τροφοδοσία μπορεί να γίνει μέσω ενός μετασχηματιστή ή μιας μπαταρίας. Ο μετασχηματιστής συνδέεται στην πλακέτα μέσω της υποδοχής των 2.1 mm (θετικός πόλος στο κέντρο). Οι πόλοι της μπαταρίας μπορούν να συνδεθούν στους ακροδέκτες τροφοδοσίας GND και Vin. [11] Το Arduino Uno με εξωτερική τροφοδοσία λειτουργεί από 6 έως 20 V. Ωστόσο, αν η πλακέτα τροφοδοτηθεί με λιγότερα από 7 V, ο ακροδέκτης των 5 V θα παρέχει τροφοδοσία λιγότερη των 5 V, με συνέπεια η πλακέτα να γίνει ασταθής. Από την άλλη, χρησιμοποιώντας πάνω από 12 V, ενδέχεται ο ρυθμιστής τάσης να υπερθερμανθεί και να προκαλέσει βλάβη στην πλακέτα. Συνεπώς, το συνιστώμενο εύρος τροφοδοσίας είναι από 7 έως 12 V. Εικόνα 4: Ακροδέκτες τροφοδοσίας Οι ακροδέκτες τροφοδοσίας διακρίνονται στην Εικόνα 4 και είναι οι ακόλουθοι: Vin. Η τάση εισόδου της πλακέτας όταν χρησιμοποιεί εξωτερική πηγή ενέργειας. Είναι δυνατή η παροχή τάσης μέσω αυτού του ακροδέκτη, ή όταν τροφοδοτηθεί η πλακέτα με τάση μέσω της υποδοχής των 2.1 mm έχει πρόσβαση σε αυτή μέσω του ακροδέκτη Vin. GND. Ακροδέκτες γείωσης. 12

24 5V. Ο ακροδέκτης αυτός παρέχει ρυθμιζόμενη τάση εξόδου 5 V, μέσω του ρυθμιστή τάσης της πλακέτας. Η πλακέτα μπορεί να τροφοδοτηθεί μέσω της υποδοχής DC (7-12 V), της σύνδεσης USB (5 V), ή μέσω του ακροδέκτη Vin (7-12 V). Τροφοδοτώντας την πλακέτα μέσω των ακροδεκτών 5 V και 3.3 V παρακάμπτει τον ρυθμιστή τάσης και ενδεχομένως να προκαλέσει ζημιά σε αυτή. 3.3V. Η τάση τροφοδοσίας 3.3 V παράγεται από τον ρυθμιστή τάσης της πλακέτας. Η μέγιστη κατανάλωση ρεύματος είναι 50 ma. RESET. Όταν γειωθεί αυτός ο ακροδέκτης, με όποιον από τους τρεις ακροδέκτες γείωσης του Arduino επιτυγχάνεται επανεκκίνηση της πλατφόρμας. Συνήθως, χρησιμοποιείται ώστε να προστεθεί ένα κουμπί επαναφοράς (reset) όταν έχει τοποθετηθεί κάποια πρόσθετη πλακέτα (shield) πάνω στην πλακέτα και δεσμεύει αυτό του Arduino. IOREF. Αυτός ο ακροδέκτης της πλακέτας παρέχει τάση αναφοράς με την οποία λειτουργεί ο μικροελεγκτής. Μια σωστά ρυθμισμένη πρόσθετη πλακέτα μπορεί να διαβάσει την τάση του ακροδέκτη IOREF και να επιλέξει την κατάλληλη πηγή τροφοδοσίας ή να ενεργοποιήσει τους μετατροπείς τάσης των εξόδων ώστε να συνεργαστεί με τους ακροδέκτες 5 V και 3.3 V Μνήμη Ο μικροελεγκτής ATmega328P έχει τρεις βασικές μνήμες. Μνήμη Flash. Από τα συνολικά 32 KB της μνήμης το 1 ΚΒ χρησιμοποιείται από το bootloader του Arduino, που έχει εγκαταστήσει ο κατασκευαστής του και είναι αναγκαίο για την εγκατάσταση προγραμμάτων στο μικροελεγκτή μέσω της θύρας USB. Τα υπόλοιπα 31 ΚΒ διατίθενται για την αποθήκευση των προγραμμάτων, αφού έχουν μεταγλωττιστεί στον υπολογιστή. Η μνήμη Flash δεν χάνει τα περιεχόμενα της μετά από αυτόματη επαναφορά ή διακοπή τροφοδοσίας. [12] Μνήμη SRAM. Η μνήμη SRAM (στατική μνήμη τυχαίας προσπέλασης) διαθέτει 2 ΚΒ τα οποία χρησιμοποιεί για την προσωρινή αποθήκευση των μεταβλητών και στατικών δεδομένων του προγράμματος που είναι σε εκτέλεση. Ωστόσο, μετά από διακοπή της παροχής τροφοδοσίας ή αυτόματη επαναφορά τα δεδομένα χάνονται. [13] 13

25 Μνήμη EEPROM. Είναι η παλαιότερη τεχνολογία για την επανεγγραφή μη προσωρινής μνήμης. Έχει μέγεθος 1 ΚΒ και συνήθως χρησιμοποιείται για την αποθήκευση ρυθμίσεων και άλλων παραμέτρων μεταξύ των επαναφορών. Όπως και η μνήμη Flash, έτσι και η EEPROM δεν χάνει τα περιεχόμενα της μετά από αυτόματη επαναφορά ή απώλεια τροφοδοσίας. Η EEPROM είναι μια byte addressable μνήμη, πράγμα που την καθιστά δύσχρηστη καθώς απαιτείται ειδική βιβλιοθήκη για να είναι προσβάσιμη. [14] Είσοδοι και Έξοδοι Οι πλατφόρμες Arduino διαθέτουν σειριακή διεπαφή και ο μικροελεγκτής AΤmega υποστηρίζει σειριακή επικοινωνία, ώστε να συνδέεται στον υπολογιστή μέσω θύρας USB. Η σύνδεση αυτή χρησιμοποιείται για την μεταφορά προγραμμάτων που σχεδιάζονται, από τον υπολογιστή στο Arduino και επιπλέον για την επικοινωνία της πλακέτας με τον υπολογιστή μέσα από το πρόγραμμα την στιγμή που εκτελείται. Το Arduino Uno διαθέτει 14 ψηφιακούς ακροδέκτες, όπως φαίνεται στην Εικόνα 5, οι οποίοι μπορούν να τεθούν είτε ως είσοδοι είτε ως έξοδοι, χρησιμοποιώντας τις συναρτήσεις pinmode(), digitalwrite() και digitalread() μέσω του Arduino IDE. Λειτουργούν στα 5 V και κάθε ακροδέκτης μπορεί να παρέχει ή να δεχθεί 20 ma, όπως είναι η συνιστώμενη κατάσταση λειτουργίας. Ένας ακροδέκτης μπορεί να οριστεί ως ψηφιακή έξοδος από το πρόγραμμα σε κατάσταση high ή low, με τον τρόπο αυτό το Arduino γνωρίζει αν θα παρέχει ρεύμα στον ακροδέκτη αυτό ή όχι. Στην περίπτωση που οριστεί ως ψηφιακή είσοδος, από το πρόγραμμα με τη χρήση των παραπάνω εντολών διαβάζει την κατάσταση του (high ή low) ανάλογα με το αν η συσκευή που έχει συνδεθεί πάνω του διοχετεύει ή όχι ρεύμα. Επίσης, και οι 14 ακροδέκτες διαθέτουν μια εσωτερική pull-up αντίσταση (η οποία είναι αποσυνδεδεμένη από προεπιλογή) στα kohm. Το μέγιστο όριο των 40 ma είναι μια τιμή που δεν πρέπει να ξεπεραστεί για κάθε ακροδέκτη Εισόδου/Εξόδου προκειμένου να αποφευχθεί μόνιμη βλάβη στον μικροελεγκτή. 14

26 Εικόνα 5: Ψηφιακοί ακροδέκτες και L led Κάποιοι από αυτούς τους ακροδέκτες εκτός από ψηφιακές είσοδοι/έξοδοι έχουν και άλλες συγκεκριμένες λειτουργίες: Σειριακή λειτουργία: Οι ακροδέκτες 0 και 1 χρησιμοποιούνται για να λαμβάνουν (RX) και να μεταδίδουν (TX) σειριακά δεδομένα. Όταν λοιπόν το πρόγραμμα στέλνει δεδομένα σειριακά αυτά προωθούνται και στην θύρα USB μέσω του ελεγκτή serial-over-usb αλλά και στον ακροδέκτη 1 για να τα διαβάσει μια άλλη συσκευή (για παράδειγμα ένα άλλο Arduino στον δικό του ακροδέκτη 0). Από την άλλη μεριά, αν ενεργοποιηθεί η σειριακή διεπαφή μέσω του προγράμματος η πλακέτα χάνει δύο ψηφιακές εισόδους/εξόδους. Εξωτερικές παρεμβάσεις (External Interrupts): Οι ακροδέκτες 2 και 3 μπορούν να ρυθμιστούν από το πρόγραμμα ώστε να λειτουργούν αποκλειστικά ως ψηφιακές είσοδοι. Έτσι ώστε αν σε αυτούς τους ακροδέκτες πραγματοποιηθούν ορισμένες αλλαγές (ανιχνευθεί παλμός χαμηλής τάσης), να διακοπεί η κανονική ροή του προγράμματος και να εκτελεστεί μια συγκεκριμένη συνάρτηση, η attachinterrupt(). Χρησιμεύουν σε εφαρμογές που απαιτούν συγχρονισμό μεγάλης ακρίβειας. PWM: Οι ακροδέκτες 3, 5, 6, 9, 10 και 11 μπορούν να λειτουργήσουν και ως ψευδοαναλογικές έξοδοι με το σύστημα PWM με χρήση της συνάρτησης analogwrite(). SPI: Οι ακροδέκτες 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO) και 13 (SCK) επιτρέπουν την επικοινωνία SPI, με χρήση της SPI βιβλιοθήκης. LED: Στον ακροδέκτη 13 υπάρχει ενσωματωμένο ένα led με τη σήμανση L. Έχει δοκιμαστικό ρόλο, καθώς ακόμη κι αν δεν έχει συνδεθεί κάτι στον ακροδέκτη 13 και μέσα από το πρόγραμμα έχει οριστεί με την τιμή high τότε το led θα ανάψει. 15

27 I 2 C / TWI: Οι ακροδέκτες A4 ή SDA και Α5 ή SCL υποστηρίζουν την επικοινωνία I 2 C με χρήση της βιβλιοθήκης Wire. Επιπλέον, το Arduino Uno διαθέτει 6 αναλογικές εισόδους αριθμημένες από Α0 έως Α5, που εμφανίζονται στην Εικόνα 6. Καθένα από τους ακροδέκτες αυτούς εάν τροφοδοτηθεί με μια τάση η οποία μπορεί να κυμανθεί (για παράδειγμα με χρήση ροοστάτη) από 0V έως την τάση αναφοράς Vref (η οποία είναι προκαθορισμένη στα 5 V), τότε είναι δυνατόν μέσα στο πρόγραμμα να μπορεί να διαβαστεί η τιμή του ακροδέκτη ως ένας ακέραιος αριθμός χωρητικότητας 10 bit. Δηλαδή, από 0 για τάση στον ακροδέκτη ίση με 0V μέχρι 1023 όταν η τάση στον ακροδέκτη φτάσει τα 5 V. Υπάρχει η δυνατότητα για αλλαγή της τάσης αναφοράς χρησιμοποιώντας τον ακροδέκτη AREF και την συνάρτηση analogreference(). Εικόνα 6: Αναλογικοί ακροδέκτες Στην πλακέτα Arduino Uno υπάρχουν μερικά ακόμη στοιχεία: 2 ICSP ακίδες (headers). Μια για τον ATmega16U2 και η άλλη για τον ATmega328P. Αν υπάρξει ανάγκη για αναβάθμιση ή επανεγκατάσταση του λογισμικού (firmware) της πλακέτας, τότε αυτή μπορεί να πραγματοποιηθεί με σύνδεση του ανάλογου προγράμματος σε αυτές τις ακίδες. Η Εικόνα 7 παρουσιάζει τις λειτουργίες των ακίδων της ICSP διεπαφής. Εικόνα 7: ICSP ακίδες 16

28 Ο ακροδέκτης AREF. Για την ρύθμιση της τάσης αναφοράς, χρησιμοποιώντας τον μαζί με την συνάρτηση analogreference(). Τα led ON, TX και RX. Το πρώτο υποδεικνύει ότι η πλακέτα βρίσκεται σε λειτουργία. Τα άλλα δύο με τις σημάνσεις TX και RX χρησιμοποιούνται ως ένδειξη λειτουργίας της σειριακής διεπαφής. Ανάβουν όταν το Arduino στέλνει ή λαμβάνει δεδομένα αντίστοιχα, μέσω της θύρας USB. Αυτά τα δύο δεν λειτουργούν όταν η σειριακή επικοινωνία πραγματοποιείται μέσω των ψηφιακών ακροδεκτών 0 και Επικοινωνία Το Uno διαθέτει μια σειρά από μεθόδους για την επικοινωνία με έναν υπολογιστή, μια άλλη πλατφόρμα Uno ή άλλους μικροελεγκτές. Ο μικροελεγκτής ATmega328P παρέχει UART TTL (5 V) σειριακή επικοινωνία, που είναι διαθέσιμη από τους ψηφιακούς ακροδέκτες 0 (RX) και 1 (TX). Επιπλέον, το ολοκληρωμένο κύκλωμα ATmega16U2 που βρίσκεται στην πλακέτα κατευθύνει αυτή τη σειριακή επικοινωνία μέσω του USB και εμφανίζεται ως μια εικονική θύρα COM στο λογισμικό του Arduino στον υπολογιστή. Το IDE περιλαμβάνει μια σειριακή οθόνη η οποία εμφανίζει δεδομένα που στέλνονται από και προς την πλατφόρμα Uno. Τα led RX και TX αναβοσβήνουν όταν πραγματοποιείται μεταφορά δεδομένων μέσω του ολοκληρωμένου κυκλώματος και της σύνδεσης USB του υπολογιστή (όχι όμως για σειριακή επικοινωνία μέσω των ακροδεκτών 0 και 1). Επίσης, ο ATmega328P υποστηρίζει I 2 C και SPI επικοινωνία Αυτόματη επαναφορά Αντί να απαιτείται πριν από κάθε φόρτωση (upload) ενός προγράμματος το πάτημα του φυσικού κουμπιού επαναφοράς, η πλακέτα Arduino Uno είναι σχεδιασμένη με τέτοιο τρόπο που προβαίνει σε επαναφορά μέσω του λογισμικού που εκτελείται στον συνδεδεμένο υπολογιστή. Μια από τις γραμμές ελέγχου ροής υλικού (DTR) του ολοκληρωμένου κυκλώματος ATmega16U2 συνδέεται με την γραμμή επαναφοράς του ATmega328P μέσω ενός πυκνωτή 100 nanofarad. Όταν λοιπόν γειωθεί η γραμμή αυτή επαναφέρεται το ολοκληρωμένο κύκλωμα. 17

29 Το λογισμικό του Arduino παρέχει τη δυνατότητα αυτή επιτρέποντας στον χρήστη να φορτώσει στον μικροελεγκτή τον κώδικα του προγράμματος, επιλέγοντας απλά το κουμπί φόρτωση στην γραμμή εργαλείων του. Αυτό σημαίνει ότι ο bootloader μπορεί να έχει μικρότερο διάλειμμα (timeout) καθώς η μείωση του DTR μπορεί να συντονιστεί με την έναρξη της μεταφόρτωσης. 2.6 Arduino Nano Τα τεχνικά χαρακτηριστικά και η λειτουργία του Arduino Nano δεν διαφέρουν από αυτά του Arduino Uno, λόγω του ότι διαθέτουν τον ίδιο μικροελεγκτή ATmega328. Ωστόσο, το Nano είναι σημαντικά μικρότερο κάνοντας το ιδανικό για σχέδια που το βάρος και το μέγεθος έχουν σημασία. Οι διαστάσεις του είναι 45 mm x 18 mm και έχει βάρος μόλις 5 g. Παρ όλα αυτά, είναι εξίσου αποτελεσματικό και αξιόπιστο όπως το Uno. Παρέχει δε επιπλέον 2 αναλογικές εισόδους, συνολικά 8 και 14 ψηφιακές εισόδους / εξόδους, ενώ δεν διαθέτει υποδοχή 2.1 mm για την σύνδεση μπαταρίας ή μετασχηματιστή. Η τροφοδοσία καθώς και η φόρτωση των προγραμμάτων γίνεται μέσω της θύρας mini-β USB. Μπορεί να τροφοδοτηθεί και μέσω του ακροδέκτη Vin με 7-12 V. Πάνω στην πλατφόρμα βρίσκονται ενσωματωμένα τέσσερα led ενδείξεων λειτουργίας, αποστολής, λήψης και το δοκιμαστικό L led. [15] Η Εικόνα 8 παρουσιάζει την πλακέτα Arduino Nano και τις λειτουργίες των ακροδεκτών του. Εικόνα 8: Πλακέτα Arduino Nano 18

30 2.7 Συνοδευτικό υλικό Οι δυνατότητες μια πλατφόρμας Arduino μπορούν να επεκταθούν με τη χρήση πρόσθετων πλακετών. Οι πρόσθετες πλακέτες συνδέονται πάνω στο Arduino προσφέροντας του νέες λειτουργίες. Τα διάφορα πρόσθετα ακολουθούν την ίδια φιλοσοφία με τις πλακέτες Arduino, είναι απλά στην εγκατάσταση και φθηνά στην παραγωγή. Υπάρχουν δεκάδες από αυτά στο εμπόριο που μπορούν να κάνουν το Arduino κάτι παραπάνω από μια πλακέτα που απλά αναβοσβήνει ένα led. Μερικές πρόσθετες πλατφόρμες που είναι διαθέσιμες από την εταιρία Arduino είναι οι ακόλουθες. Φυσικά, υπάρχουν πολύ περισσότερες που αναπτύσσονται από τρίτους και είναι συμβατές με τα προϊόντα Arduino. Arduino Motor shield Η πλακέτα αυτή επιτρέπει τον χειρισμό δύο κινητήρων συνεχούς ρεύματος μέσω του Arduino, ελέγχοντας την ταχύτητα και την κατεύθυνση του καθενός ξεχωριστά, όπως και να μετρήσει την κατανάλωση ρεύματος για τον κάθε κινητήρα. [16] Arduino Proto shield Το συγκεκριμένο πρόσθετο αφορά τον σχεδιασμό προσαρμοσμένων κυκλωμάτων. Πρόκειται για μια προσχεδιασμένη πλακέτα προτυποποίησης, συμβατή στις διαστάσεις του Arduino και χωρίς εξαρτήματα για την κατασκευή προσωπικής πλακέτας. [17] Arduino Ethernet shield Μέσω της πλατφόρμας αυτής είναι δυνατή η σύνδεση της πλακέτας Arduino στο διαδίκτυο. Διαθέτει θύρα Ethernet για τη σύνδεση ανάλογου καλωδίου σε δρομολογητή και υποδοχή κάρτας micro-sd, η οποία αποθηκεύει αρχεία για την διακίνηση του μέσω του δικτύου. [18] Arduino GSM shield Η πλακέτα αυτή επιτυγχάνει επικοινωνία με τη χρήση GSM δικτύου. Διαθέτει υποδοχή για κάρτα SIM. [19] Arduino WIFI shield Με την προσθήκη της συγκεκριμένης πλακέτας στο Arduino επιτυγχάνεται η ασύρματη επικοινωνία (μέσω wifi) με το διαδίκτυο, διαθέτει επίσης υποδοχή για κάρτα micro-sd. [20] 19

31 Με τις πρόσθετες πλακέτες οι δυνατότητες του Arduino επεκτάθηκαν, όμως για την αλληλεπίδραση με το περιβάλλον απαιτείται η χρήση αισθητήρων. Υπάρχει πληθώρα αισθητήρων διαφορετικών κατηγοριών στο εμπόριο. Συνδέοντας και παραμετροποιώντας τους αισθητήρες το Arduino μεταμορφώνεται σε σύστημα ασφαλείας, ελεγκτή γεωργικών καλλιεργειών ακόμη και τηλεπικοινωνιακό σύστημα, ανάλογα τους αισθητήρες και τις εντολές του προγράμματος που έχουν εφαρμοστεί σε αυτό. Εκτός από τους αισθητήρες που χρησιμοποιούνται ως είσοδοι, υπάρχουν διάφορα ακόμη εξαρτήματα που μπορούν να ορισθούν ως έξοδοι και να παρέχουν ειδοποιήσεις σχετικά με τις μετρήσεις των αισθητήρων και πως αυτές αξιοποιούνται από τον κώδικα του προγράμματος. Για παράδειγμα, ένα σερβοκινητήρα, μια οθόνη, ένα ηχείο. Τέλος, κυκλοφορούν αρκετές μονάδες που χρησιμεύουν στην επικοινωνία με υπολογιστή, τηλέφωνο ή άλλη πλακέτα Arduino. Καθιστώντας, δυνατή την μετάδοση δεδομένων, την παραμετροποίηση του συστήματος από απόσταση πολλών χιλιομέτρων. 20

32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: Ασύρματη μετάδοση δεδομένων 3.1 Τηλεπικοινωνιακό σύστημα Η λέξη τηλεπικοινωνία αποτελείται από το πρόθεμα τηλε- το οποίο προσδίδει την έννοια της απόστασης και τη λέξη επικοινωνία. Ως επικοινωνία ορίζεται η μετάδοση πληροφορίας από μια πηγή πληροφορίας σε έναν αποδέκτη. Συνεπώς, τηλεπικοινωνία είναι η μετάδοση πληροφορίας από ένα πομπό προς ένα δέκτη οι οποίοι έχουν κάποια απόσταση μεταξύ τους. Ένα τηλεπικοινωνιακό σύστημα, σύμφωνα με τους Proakis και Salehi [21] σχεδιάζεται ώστε να μεταδίδει μηνύματα ή πληροφορία από μια πηγή που γεννά τα μηνύματα σε έναν ή περισσότερους προορισμούς. Τα βασικά μέρη ενός τέτοιου συστήματος είναι η πληροφορία, ο πομπός, το κανάλι και ο δέκτης. Επίσης, κύριο ρόλο έχουν το σήμα, ο θόρυβος, η αλλοίωση του σήματος, η διαμόρφωση και η αποδιαμόρφωση και τέλος η κωδικοποίηση και αποκωδικοποίηση. Όλα αυτά συσχετίζονται στο παρακάτω διάγραμμα ενός γενικού τηλεπικοινωνιακού συστήματος, Εικόνα 9. Εικόνα 9: Διάγραμμα λειτουργικών βαθμίδων συστήματος επικοινωνίας Η πληροφορία σαν έννοια είναι αυτό που μεταφέρεται. Ο μετατροπέας εισόδου μετατρέπει την πληροφορία της πηγής σε ηλεκτρικό σήμα. Ο πομπός μετατρέπει το ηλεκτρικό σήμα σε μια κατάλληλη μορφή για μετάδοση μέσα από το φυσικό κανάλι ή το μέσο διάδοσης. Ο πομπός επιτυγχάνει τη μετατροπή της πληροφορίας σε μια μορφή που αρμόζει με τα χαρακτηριστικά του καναλιού με τη διαδικασία της διαμόρφωσης. 21

33 Έπειτα το σήμα διαδίδεται στο κανάλι και καταλήγει στον δέκτη. Κατά τη διάρκεια της μεταφοράς και λήψης είναι αναπόφευκτο ότι το σήμα θα υποστεί αλλοιώσεις λόγω θορύβου, παρεμβολών. Στη συνέχεια, το σήμα φθάνει στον δέκτη όπου επιχειρείται η ανάκτηση της πληροφορίας που περιέχεται στο λαμβανόμενο σήμα, εκτελώντας τη διαδικασία της αποδιαμόρφωσης και μετατρέποντας το σε ηλεκτρικό σήμα. Τέλος, ο μετατροπέας εξόδου μετατρέπει το ηλεκτρικό σήμα σε κατάλληλη μορφή για επεξεργασία. Η χρήση ψηφιακών συστημάτων για την μετάδοση μηνυμάτων, έχει κάποια σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι των αναλογικών συστημάτων. Το κυριότερο από αυτά είναι ότι η πιστότητα του σήματος ελέγχεται καλύτερα μέσω της ψηφιακής μετάδοσης. Σε ένα ψηφιακό τηλεπικοινωνιακό σύστημα (Εικόνα 10) η έξοδος της πηγής πληροφορίας μπορεί να είναι ένα αναλογικό ή ψηφιακό σήμα. Στην περίπτωση, μετάδοσης αναλογικού σήματος οι λειτουργίες που εκτελούνται στον πομπό και στον δέκτη πρέπει να επεκταθούν για να περιλάβουν τη μετατροπή του συνεχούς (αναλογικού) μηνύματος σε διακριτό (ψηφιακό) στον πομπό και στην ανακατασκευή του αναλογικού μηνύματος στον δέκτη. Τα μηνύματα που παράγονται από την πηγή μετατρέπονται συνήθως σε ακολουθίες από δυαδικά ψηφία μέσω του κωδικοποιητή πηγής. Έπειτα, η ακολουθία των δυαδικών ψηφίων εισέρχεται στον κωδικοποιητή καναλιού, ρόλος του οποίου είναι να εισάγει στην ακολουθία πληροφορίας κάποιον πλεονασμό που θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί στον δέκτη για να ανακτηθεί η πληροφορία παρά την επίδραση του θορύβου, αυξάνοντας με τον τρόπο αυτό την αξιοπιστία των δεδομένων. Σειρά έχει ο ψηφιακός διαμορφωτής που σκοπός του είναι η απεικόνιση των δυαδικών ακολουθιών πληροφορίας σε κυματομορφές σήματος. Εικόνα 10: Βασικά στοιχεία ενός συστήματος ψηφιακής επικοινωνίας 22

34 Από τη μεριά της λήψης, ο ψηφιακός αποδιαμορφωτής επεξεργάζεται τις αλλοιωμένες ληφθείσες κυματομορφές και αναπαριστά κάθε μια με ένα αριθμό, δημιουργώντας μια ακολουθία ψηφίων. Στη συνέχεια, ο αποκωδικοποιητής καναλιού γνωρίζοντας τον κώδικα που χρησιμοποιεί ο κωδικοποιητής καναλιού και τον πλεονασμό που περιέχεται στα ληφθέντα δεδομένα, επιχειρεί την ανακατασκευή της αρχικής ακολουθίας πληροφορίας. Τελικά, η ακολουθία απαλλαγμένη από τον πλεονασμό εισέρχεται στον αποκωδικοποιητή πηγής, ο οποίος προσπαθεί να ανακατασκευάσει το αρχικό σήμα της πηγής, με την καλύτερη δυνατή πιστότητα. Ωστόσο, εξαιτίας των παραμορφώσεων, του θορύβου που έχει υποστεί το σήμα κατά την μετάδοση, στην έξοδο του αποκωδικοποιητή πηγής θα είναι μια προσέγγιση του αρχικού σήματος. 3.2 Πομποδέκτης nrf24l01+ To nrf24l01+ είναι ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα πομποδέκτη, κατάλληλο για ασύρματες εφαρμογές εξαιρετικά χαμηλής ισχύος. Κατασκευάζεται από την Nordic semiconductor και απεικονίζεται στην Εικόνα 11. Έχει σχεδιαστεί για λειτουργία στην παγκόσμια ISM ζώνη συχνοτήτων στα GHz. Για την κατασκευή ενός ασύρματου συστήματος με το nrf24l01+ απαιτείται ένας μικροελεγκτής (MCU) και μερικά εξωτερικά παθητικά στοιχεία. Σύμφωνα με το εγχειρίδιο του κατασκευαστή [22], ο χειρισμός και η ρύθμιση του πομποδέκτη γίνεται μέσω μιας περιφερικής σειριακής διασύνδεσης (SPI). Ο χάρτης καταχωρητών (registers) είναι προσβάσιμος μέσω του SPI, περιέχει όλους τους καταχωρητές ρυθμίσεων στο nrf24l01+ και όλοι οι τρόποι λειτουργίας του ολοκληρωμένου έχουν πρόσβαση σε αυτόν. Εικόνα 11: Πομποδέκτης nrf24l01+ Η ενσωματωμένη μηχανή πρωτοκόλλου βασικής ζώνης (Enhanced ShockBurst ), βασίζεται στην επικοινωνία πακέτων και υποστηρίζει ποικίλους τρόπους από χειροκίνητη λειτουργία έως προηγμένη αυτόνομη λειτουργία πρωτοκόλλου. Οι εσωτερικές FIFOs διασφαλίζουν την ομαλή ροή των δεδομένων μεταξύ του πομποδέκτη και του MCU συστήματος και το Enhanced ShockBurst μειώνει το κόστος από τον χειρισμό όλων των λειτουργιών των στρωμάτων σύνδεσης υψηλής ταχύτητας. 23

35 Το nrf24l01+ χρησιμοποιεί GFSK διαμόρφωση, παρέχει ρυθμιζόμενες παραμέτρους από τον χρήστη όπως η συχνότητα του καναλιού, η ισχύς εξόδου και ο ρυθμός μετάδοσης των δεδομένων. Υποστηρίζει ρυθμούς μετάδοσης 250 kbps, 1 Mbps και 2 Mbps. Ο υψηλός ρυθμός μετάδοσης σε συνδυασμό με δύο τρόπους εξοικονόμησης ενέργειας καθιστούν τον πομποδέκτη ιδανικό για κατασκευές πολύ χαμηλής ισχύος. 3.3 Χειρισμός πομποδέκτη Ο πομποδέκτης nrf24l01+ διαθέτει ενσωματωμένο ελεγκτή καταστάσεων που ρυθμίζει τις μεταβάσεις μεταξύ των τρόπων λειτουργίας του ολοκληρωμένου κυκλώματος. Ο ελεγκτής δέχεται ως είσοδο τιμές που ορίζονται από τον χρήστη Τρόποι λειτουργίας Είναι δυνατή η ρύθμιση του πομποδέκτη στις καταστάσεις Λήψης (RX), Εκπομπής (TX), Αναμονής (Standby) και Καταστολής (Power Down). Στην λειτουργία RX ο πομποδέκτης χρησιμοποιείται ως δέκτης και θα πρέπει το PWR_UP bit, το PRIM_RX bit και ο ακροδέκτης CE να έχουν τιμή 1. Στη λειτουργία αυτή ο δέκτης αποδιαμορφώνει τα σήματα από το RF κανάλι, μεταβιβάζει τα δεδομένα στη μηχανή πρωτοκόλλου βασικής ζώνης η οποία αναζητά συνεχώς έγκυρα πακέτα. Αν βρεθεί ένα τέτοιο πακέτο (αντιστοιχίζοντας τη διεύθυνση και επικυρώνοντας το CRC) το φορτίο (payload) του πακέτου μεταβαίνει σε μια κενή υποδοχή στις RX FIFOs. Στην περίπτωση που δεν υπάρχει κάποια κενή υποδοχή διαθέσιμη το λαμβανόμενο πακέτο απορρίπτεται. Κατά τη συγκεκριμένη λειτουργία είναι διαθέσιμο ένα σήμα ανίχνευσης λαμβανόμενης ισχύος (RPD), το σήμα αυτό ορίζεται στο λογικό 1 (high) όταν η ισχύς του λαμβανόμενου σήματος μέσα στο κανάλι υπερβαίνει τα -64 dbm. Το εσωτερικό RPD σήμα αφού φιλτραριστεί παρουσιάζεται στον RPD καταχωρητή. Προκειμένου το σήμα RPD να οριστεί ως high θα πρέπει το λαμβανόμενο σήμα να εντοπίζεται για τουλάχιστον 40 μs. Η λειτουργία TX είναι ένας τρόπος μετάδοσης πακέτων, για τη μετάβαση στη λειτουργία πομπού θα πρέπει να έχουν οριστεί οι παράμετροι: το PWR_UP bit στο λογικό 1, το PRIM_RX bit στο 0, ένα φορτίο στο TX FIFO και ένα παλμό στο high για τον ακροδέκτη CE για περισσότερο από 10 μs. 24

36 Το nrf24l01+ παραμένει σε λειτουργία εκπομπής έως ότου ολοκληρωθεί η μετάδοση του πακέτου, αν ο ακροδέκτης CE έχει τιμή 0 τότε ο πομποδέκτης μεταβαίνει στην κατάσταση Standby-I. Αν όμως CE = 1 τότε η κατάσταση της ουράς TX FIFO καθορίζει την επόμενη ενέργεια. Δηλαδή, αν η TX FIFO δεν είναι κενή τότε το nrf24l01+ παραμένει σε λειτουργία ΤΧ και μεταδίδει το επόμενο πακέτο. Αν όμως, η ουρά εκπομπής είναι κενή ο πομποδέκτης μεταβαίνει σε λειτουργία Standby-IΙ. Σημαντικό είναι το nrf24l01+ να μην παραμένει σε λειτουργία ΤΧ για πάνω από 4ms, η ενεργοποίηση του Enhanced ShockBurst εξασφαλίζει ότι δεν θα υπερβεί το συγκεκριμένο χρονικό όριο. Στην λειτουργία αναμονής Standby-I μπορεί να μεταβεί η συσκευή θέτοντας το PWR_UP bit του καταχωρητή CONFIG την τιμή 1. Ο τρόπος λειτουργίας Standby-I χρησιμοποιείται για την ελαχιστοποίηση της μέσης κατανάλωσης του ρεύματος με παράλληλη διατήρηση εκκινήσεων για σύντομα χρονικά διαστήματα. Με αυτόν τον τρόπο μόνο ένα μέρος του ταλαντωτή παραμένει ενεργό. Η μετάβαση σε ενεργούς τρόπους (RX/TX) συμβαίνει μόνο όταν το CE λάβει τιμή 1 ενώ όταν το CE πάρει την τιμή 0 τότε το nrf24l01+ επιστρέφει στην κατάσταση Standby-I και από τους δύο τρόπους λειτουργίας RX και TX. Ο τρόπος λειτουργίας Standby-IΙ σε σύγκριση με τον τρόπο Standby-I χρησιμοποιεί περισσότερο ρεύμα και κρατά ενεργούς τους clock buffers. Για να μεταβεί ο πομποδέκτης στην κατάσταση αυτή θα πρέπει CE = 1 και να είναι κενή η ουρά TX FIFO. Τη στιγμή που ένα νέο πακέτο φορτωθεί στην ουρά τότε μεταβαίνει απευθείας σε λειτουργία TX και μεταδίδει το πακέτο. Κατά τη διάρκεια των καταστάσεων Standby διατηρούνται ενεργοί οι καταχωρητές τιμών και η σύνδεση SPΙ. Στη λειτουργία καταστολής Power down το nrf24l01+ είναι απενεργοποιημένο χρησιμοποιώντας την ελάχιστη κατανάλωση ρεύματος. Οι καταχωρητές τιμών και το SPI διατηρούνται είναι ενεργά, επιτρέποντας την αλλαγή των ρυθμίσεων και τη φόρτωση / λήψη των καταχωρητών δεδομένων. Ο τρόπος καταστολής εφαρμόζεται θέτοντας το PWR_UP bit του καταχωρητή CONFIG την τιμή Ρυθμός μετάδοσης δεδομένων Ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων είναι ο διαμορφωμένος ρυθμός σηματοδοσίας του nrf24l01+ που χρησιμοποιείται κατά την εκπομπή και τη λήψη δεδομένων. Ο ρυθμός μπορεί να είναι 250 kbps, 1 Mbps ή 2 Mbps. 25

37 Η χρήση χαμηλού ρυθμού μετάδοσης δίνει καλύτερη ευαισθησία του δέκτη. Αλλά η μετάδοση με υψηλό ρυθμό δίνει χαμηλότερη μέση κατανάλωση ρεύματος και μειωμένη πιθανότητα συγκρούσεων των πακέτων στο κανάλι μετάδοσης. Ο ρυθμός δεδομένων ρυθμίζεται από το RF_DR bit του RF_SETUP καταχωρητή. Ο πομπός και ο δέκτης πρέπει να προγραμματιστούν με τον ίδιο ρυθμό μετάδοσης για να επικοινωνήσουν μεταξύ τους. 3.5 Συχνότητα καναλιού μετάδοσης Η συχνότητα του RF καναλιού είναι η κεντρική συχνότητα του καναλιού που χρησιμοποιείται από τον πομποδέκτη nrf24l01+. Το κανάλι δεσμεύει ένα εύρος ζώνης μικρότερο από 1 MHz για 250 kbps και 1 Mbps, ενώ για το ρυθμό των 2 Mbps απαιτείται εύρος ζώνης μικρότερο των 2 MHz. Ο πομποδέκτης μπορεί να λειτουργήσει σε συχνότητες από GHz έως GHz. Η συχνότητα προγραμματισμού του RF καναλιού είναι 1 MHz. Στα 2 Mbps το κανάλι καταλαμβάνει μεγαλύτερο εύρος ζώνης από τη συχνότητα του καναλιού, προκειμένου να εξασφαλιστεί η μη επικάλυψη των καναλιών το εύρος του καναλιού θα πρέπει να είναι 2 MHz ή περισσότερο. Η ρύθμιση της συχνότητας του RF καναλιού γίνεται μέσω του καταχωρητή RF_CH σύμφωνα με τον τύπο: F 0 = RF_CH [MHz]. Για να είναι δυνατή η επικοινωνία μεταξύ πομπού και δέκτη θα πρέπει και οι δύο να είναι προγραμματισμένοι στην ίδια συχνότητα καναλιού. 3.6 Μετρήσεις ανιχνευτή λαμβανόμενης ισχύος Ο ανιχνευτής λαμβανόμενης ισχύος (RPD) βρίσκεται στον καταχωρητή 09, ενεργοποιείται όταν το επίπεδο της λαμβανόμενης ισχύος είναι άνω των -64 dbm στο παρόν κανάλι λήψης. Αν η λαμβανόμενη ισχύς είναι μικρότερη από - 64 dbm τότε RPD = 0. To RPD μπορεί να προσπελαστεί ανά πάσα στιγμή που το nrf24l01+ είναι σε κατάσταση λήψης. Αυτό προσφέρει ένα στιγμιότυπο του επιπέδου της τρέχουσας λαμβανόμενης ισχύος στο κανάλι. Η κατάσταση του RPD ελέγχεται κάθε που ένα έγκυρο πακέτο λαμβάνεται, το οποίο δείχνει την ισχύ του σήματος από τον πομπό. Εάν δεν υπάρχουν πακέτα για λήψη, η κατάσταση του RPD ελέγχεται στο τέλος μιας περιόδου λήψης ως αποτέλεσμα ορισμού του ακροδέκτη CE με τιμή 0 από τον μικροελεγκτή ή του RX time out αν είναι ενεργό το Enhanced ShockBurst. 26

38 Η κατάσταση του RPD θεωρείται έγκυρη όταν είναι ενεργοποιημένη η λειτουργία RX και έπειτα από ένα χρόνο αναμονής των Tstby2a + Tdelay_AGC = 130 μs + 40 μs. Το RX κέρδος ποικίλει σύμφωνα με τη θερμοκρασία, πράγμα που σημαίνει ότι το όριο της RPD μεταβάλλεται επίσης ανάλογα τη θερμοκρασία. Η τιμή του κατωφλίου RPD μειώνεται κατά -5 db στους Τ = -40 ο C και αυξάνεται κατά +5 db στους Τ = 85 ο C. 3.7 Ρυθμίσεις ενισχυτή ισχύος Ο καθορισμός της ισχύος εξόδου του πομποδέκτη γίνεται μέσω του ενισχυτή ισχύος, σε λειτουργία εκπομπής ο χειρισμός του ενισχυτή διαθέτει τέσσερα προγραμματιζόμενα βήματα, όπως αναφέρονται στον Πίνακα 3. Η ρύθμιση του ενισχυτή ισχύος καθορίζεται από τα RF_PWR bits RF_SETUP καταχωρητή. SPI RF_SETUP (RF_PWR) Πίνακας 3: Ρύθμιση ισχύος εξόδου RF ισχύς εξόδου Κατανάλωση ρεύματος DC 11 0 dbm 11.3 ma 10-6 dbm 9.0 ma dbm 7.5 ma dbm 7.0 ma 3.8 Enhanced ShockBurst Η λειτουργία Enhanced ShockBurst χρησιμοποιείται για την αυτόματη διαχείριση πακέτων και τον χρονισμό. Κατά τη διάρκεια της εκπομπής, το ShockBurst συναρμολογεί το πακέτο και είναι υπεύθυνο για τον χρονισμό των bits στο πακέτο δεδομένων προς εκπομπή. Κατά τη διάρκεια της λήψης, το ShockBurst αναζητεί συνεχώς κάποια έγκυρη διεύθυνση στο αποδιαμορφωμένο σήμα, όταν εντοπίσει τη διεύθυνση προχωρά στην επεξεργασία του υπόλοιπου πακέτου και το επικυρώνει από το CRC. Αν το πακέτο είναι έγκυρο τότε το φορτίο του πακέτου μεταφέρεται σε μια κενή θέση στην RX FIFO. Η λειτουργία Enhanced ShockBurst διαθέτει αυτόματη διαχείριση των πακέτων που ανταλλάσσονται για την εύκολη εφαρμογή μιας αξιόπιστης αμφίδρομης ζεύξης δεδομένων. Η ανταλλαγή πακέτων μέσω της Enhanced ShockBurst είναι μια ανταλλαγή πακέτων μεταξύ δύο πομποδεκτών, με τον ένα να λειτουργεί ως Πρωτεύον Δέκτης (PRX) και ο δεύτερος ως Πρωτεύον Πομπός (PTX). H ανταλλαγή ξεκινά πάντοτε από μια μετάδοση πακέτων από το PTX και ολοκληρώνεται όταν το PTX λάβει ένα πακέτο επιβεβαίωσης λήψης (ACK packet) από το PRX. 27

39 Το PRX έχει τη δυνατότητα να επισυνάψει δεδομένα του χρήστη στο πακέτο ACK καθιστώντας δυνατή μια αμφίδρομη ζεύξη δεδομένων. Η αυτόματη διαχείριση πακέτων του Enhanced ShockBurst λειτουργεί ως εξής: 1. Η ανταλλαγή ξεκινά με τη μετάδοση ενός πακέτου δεδομένων από το PTX προς το PRX. Αυτόματα τo ShockBurst θέτει το PTX σε κατάσταση λήψης αναμένοντας για το πακέτο ACK. 2. Αν το πακέτο ληφθεί από το PRX, το ShockBurst συγκεντρώνει και μεταδίδει ένα πακέτο επιβεβαίωσης προς το PTX προτού επιστρέψει σε κατάσταση λήψης. 3. Αν το PTX δεν λάβει το πακέτο ACK άμεσα, τότε η λειτουργία ShockBurst αυτομάτως επαναμεταδίδει το αρχικό πακέτο δεδομένων μετά από ένα προκαθορισμένο χρόνο αναμονής και θέτει το PTX σε κατάσταση λήψης περιμένοντας το πακέτο επιβεβαίωσης. Κατά τη λειτουργία Enhanced ShockBurst είναι δυνατή η ρύθμιση παραμέτρων όπως ο μέγιστος αριθμός προσπαθειών για αποστολή και η καθυστέρηση μεταξύ μιας μετάδοσης και της επόμενης επαναμετάδοσης. Όλη η διαδικασία της αυτόματης διακίνησης πραγματοποιείται χωρίς την ανάμιξη του μικροελεγκτή Μορφή πακέτων Enhanced ShockBurst Το πακέτο Enhanced ShockBurst περιέχει τα εξής πεδία: preamble, διεύθυνση, έλεγχο πακέτου, φορτίο και CRC, όπως φαίνεται στην Εικόνα 12. Εικόνα 12: Πακέτο Enhanced ShockBurst Το preamble είναι μια ακολουθία bit που χρησιμοποιείται για τον συγχρονισμό του αποδιαμορφωτή του δέκτη με την εισερχόμενη ροή bit. Έχει μήκος ενός byte και είναι είτε ή Εάν το πρώτο bit της διεύθυνσης είναι 1 το preamble ορίζεται αυτόματα σε ενώ αν το πρώτο bit είναι 0 τότε λαμβάνει την τιμή Η διαδικασία αυτή πραγματοποιείται για να εξασφαλιστεί ότι συμβαίνουν αρκετές μεταβάσεις στο preamble με σκοπό τη σταθεροποίηση του δέκτη. 28

40 Πρόκειται για τη διεύθυνση του δέκτη. Μια διεύθυνση εξασφαλίζει ότι το πακέτο έχει εντοπιστεί και παραληφθεί από το σωστό δέκτη, εμποδίζοντας την τυχαία αποστολή πακέτων μεταξύ πολλαπλών nrf24l01+ συστημάτων. Μπορεί να γίνει ρύθμιση του πλάτους του πεδίου της διεύθυνσης μέσω του AW καταχωρητή ώστε να είναι 3,4 ή 5 bytes. Διευθύνσεις οι οποίες έχουν μόνο μια εναλλαγή, όπως η 000FFFFFFF, με την επίδραση θορύβου μπορεί να οδηγήσουν σε λανθασμένη ανίχνευση και κατά συνέπεια στην αύξηση του ποσοστού λανθασμένων πακέτων. Διευθύνσεις ως συνέχεια του preamble (εναλλαγές με 0 και 1) αυξάνουν επίσης το ποσοστό λανθασμένων πακέτων. Το πεδίο ελέγχου του πακέτου περιέχει τα πεδία: μήκος φορτίου, ταυτοποίηση πακέτου και NO_ACK, πράγμα που φαίνεται στην Εικόνα 13. Εικόνα 13: Πακέτο πεδίου ελέγχου Το πεδίο μήκους φορτίου (6 bits) καθορίζει το μήκος του φορτίου του πακέτου σε bytes. Το μήκος του φορτίου μπορεί να είναι από 0 ως 32 bytesτο πεδίο αυτό χρησιμοποιείται όταν έχει ενεργοποιηθεί η συνάρτηση δυναμικού μήκους φορτίου. Το πεδίο ταυτοποίησης πακέτου PID (2 bits) χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό αν το λαμβανόμενο πακέτο είναι καινούριο ή πρόκειται για επαναμετάδοση. Το PID εμποδίζει την συσκευή PRX από την προώθηση στον μικροελεγκτή του ίδιου μηνύματος πάνω από μια φορά. Η τιμή του πεδίου αυξάνεται στην πλευρά του πομπού κάθε φορά που ένα νέο πακέτο λαμβάνεται από τη σύνδεση SPI. Τα πεδία PID και CRC χρησιμοποιούνται από τη συσκευή PRX για να καθοριστεί αν το πακέτο που έχει ληφθεί είναι νέο ή έχει επαναμεταδοθεί. Στην περίπτωση που χαθούν κάποια πακέτα δεδομένων το πεδίο PID μπορεί να γίνει ίσο με την τιμή του τελευταίου PID που έχει ληφθεί. Αν ένα πακέτο έχει το ίδιο PID με το προηγούμενο πακέτο, το nrf24l01+ συγκρίνει τις τιμές των πεδίων CRC των δύο πακέτων. Αν οι τιμές είναι ίσες τότε το πακέτο που έχει ληφθεί τελευταίο θεωρείται αντίγραφο του προηγούμενου πακέτου που λήφθηκε και απορρίπτεται. Η σήμανση NO_ACK (1 bit) ελέγχεται από την εφαρμογή Selective Auto Acknowledgment και χρησιμοποιείται μόνο όταν η εφαρμογή αυτόματης επιβεβαίωσης είναι ενεργή. Ο ορισμός της τιμής του NO_ACK ως high υποδεικνύει στον δέκτη ότι το πακέτο δεν απαιτεί επιβεβαίωση λήψης. 29

41 Το φορτίο είναι περιεχόμενο του πακέτου που ορίζεται από το χρήστη. Μπορεί να έχει από 0 ως 32 bytes μήκος και μεταδίδεται ασύρματα όταν φορτωθεί στον πομποδέκτη. Η λειτουργία Enhanced ShockBurst παρέχει δύο εναλλακτικούς χειρισμούς του μήκους φορτίου το στατικό και το δυναμικό. Η προεπιλογή είναι το στατικό μήκος φορτίου, όπου όλα τα πακέτα μεταξύ πομπού και δέκτη έχουν το ίδιο μήκος. Στην πλευρά του δέκτη το στατικό μήκος φορτίου ορίζεται στον καταχωρητή RX_PW_Px και στον πομπό από τον αριθμό των bytes που βρίσκονται στην ουρά TX_FIFO και θα πρέπει οι δύο τιμές να συμφωνούν μεταξύ τους. Το δυναμικό μήκος φορτίου (DPL) επιτρέπει στον πομπό να στέλνει πακέτα με μεταβλητό μήκος προς τον δέκτη. Αυτό σημαίνει ότι για ένα σύστημα με διαφορετικά μήκη φορτίων δεν είναι απαραίτητος ο ορισμός του μήκους σύμφωνα με το μεγαλύτερο φορτίο. Με τη λειτουργία DPL το nrf24l01+ μπορεί να αποκωδικοποιήσει το μήκος του φορτίου αυτόματα χωρίς τη χρήση του καταχωρητή RX_PW_Px. Το πεδίο CRC αποτελεί τον κύριο μηχανισμό ανίχνευσης σφαλμάτων του πακέτου, μπορεί να είναι 1 ή 2 bytes και υπολογίζεται πριν τα πεδία διεύθυνσης, ελέγχου φορτίου και φορτίου. Το πολυώνυμο υπολογισμού για 1 byte είναι X 8 + X 2 + X + 1, με αρχική τιμή 0xFF ενώ το πολυώνυμο υπολογισμού για 2 byte είναι X 16 + X 12 + X 5 + 1, με αρχική τιμή 0xFFF. Ο αριθμός των bytes ορίζεται από το CRCO bit του καταχωρητή CONFIG. Κανένα πακέτο δεν γίνεται δεκτό από το Enhanced ShockBurst αν αποτύχει το CRC Αυτόματος χειρισμός πακέτων μετάδοσης Η λειτουργία Enhanced ShockBurst διαθέτει δύο συναρτήσεις αυτόματου χειρισμού πακέτων προς μετάδοση: την αυτόματη επιβεβαίωση και την αυτόματη επανεκπομπή. Η αυτόματη επιβεβαίωση είναι μια λειτουργία που μεταδίδει αυτόματα ένα πακέτο ACK στη συσκευή PTX αφού γίνει παραλαβή και επικύρωση του πακέτου. Η λειτουργία αυτή μειώνει το φορτίο του συστήματος MCU και σαν αποτέλεσμα μειώνει και τη μέση κατανάλωση ρεύματος. Η λειτουργία αυτόματης επιβεβαίωσης ενεργοποιείται μέσω του καταχωρητή EN_AA. Για να εκτελεστεί η λειτουργία Auto ACK θα πρέπει το ληφθέν πακέτο να μην έχει την σήμανση NO_ACK. Ένα πακέτο ACK προαιρετικά μπορεί να περιέχει ένα φορτίο από το PRX στο PTX. Για να χρησιμοποιηθεί η λειτουργία θα πρέπει να είναι ενεργοποιημένη η λειτουργία DPL, τότε ο μικροελεγκτής από τη μεριά του PRX θα στείλει το φορτίο στην ουρά TX FIFO. 30

42 Το φορτίο αναμένει στην ουρά αποστολής του δέκτη έως ότου γίνει λήψη ενός νέου πακέτου από το PTX. Ο πομποδέκτης nrf24l01+ έχει τη δυνατότητα αναμονής για τρία πακέτα ACK στην TX FIFO του PRX. Η αυτόματη επανεκπομπή είναι μια λειτουργία που επαναμεταδίδει ένα πακέτο αν δεν ληφθεί το πακέτο ACK. Χρησιμοποιείται από το PTX σε ένα σύστημα αυτόματης επιβεβαίωσης πακέτου. Όταν ένα πακέτο δεν έχει επιβεβαιωθεί ότι έχει ληφθεί από το PRX, μπορεί να οριστεί ο αριθμός προσπαθειών για επαναμετάδοση μέσω των ARC bits στον καταχωρητή SETUP_RETR. Ο PTX μεταβαίνει σε λειτουργία RX και περιμένει για σύντομο χρονικό διάστημα ένα πακέτο ACK κάθε φορά που ένα πακέτο μεταδίδεται. Ο χρόνος που το PTX είναι σε λειτουργία PX βασίζεται στις εξής προϋποθέσεις: Η χρονική περίοδος αναμονής αυτόματης επανεκπομπής (ARD) έχει παρέλθει. Δεν υπάρχει αντιστοιχία διεύθυνσης για 250 μs (ή 500 μs για ρυθμό 250 kbps). Μετά από λήψη πακέτου (με έγκυρο ή όχι CRC). Ο πομποδέκτης μεταβαίνει σε λειτουργία Standby-I αν δεν υπάρχουν δεδομένα προς αποστολή στην ουρά TX FIFO και CE = 0. Αν το πακέτο ACK δεν ληφθεί, το nrf24l01+ μεταβαίνει σε λειτουργία TX μετά από τη χρονική καθυστέρηση που έχει οριστεί και επαναμεταδίδει τα δεδομένα, η διαδικασία συνεχίζεται μέχρι να γίνει λήψη του πακέτου επιβεβαίωσης ή να φτάσει το μέγιστο αριθμό επαναμεταδόσεων MultiCeiver Multiceiver είναι ένα χαρακτηριστικό της λειτουργίας RX που παρέχει ένα σύνολο έξι παράλληλων αγωγών (pipes) δεδομένων με μοναδικές διευθύνσεις. Ένας αγωγός δεδομένων είναι ένα λογικό κανάλι μέσα στο φυσικό κανάλι ραδιοσυχνοτήτων. Κάθε αγωγός δεδομένων έχει τη δική του μοναδική διεύθυνση που αποκωδικοποιείται στον πομποδέκτη. Το nrf24l01+ ρυθμισμένο ως PRX μπορεί να λαμβάνει δεδομένα από έξι διαφορετικούς αγωγούς δεδομένων σε ένα κανάλι συχνότητας κάθε αγωγός μπορεί να ρυθμιστεί ώστε να έχει ανεξάρτητη συμπεριφορά. Έως έξι πομποδέκτες μπορούν να οριστούν ως PTX και να επικοινωνήσουν με ένα πομποδέκτη ορισμένο ως PRX, όπως απεικονίζεται στην Εικόνα

43 Όλες οι διευθύνσεις αγωγών δεδομένων αναζητούνται ταυτόχρονα, όμως μόνο ένας αγωγός μπορεί να λάβει ένα πακέτο κάθε φορά. Επίσης όλοι οι αγωγοί δεδομένων μπορούν να εκτελέσουν τη λειτουργία Enhanced ShockBurst. Εικόνα 14: Διευθυνσιοδότηση αγωγού δεδομένων σε λειτουργία Multiceiver Οι ακόλουθες ρυθμίσεις είναι κοινές για όλους τους αγωγούς δεδομένων: Ενεργοποίηση/απενεργοποίηση CRC (Είναι πάντα ενεργοποιημένο όταν το Enhanced ShockBurst έχει ενεργοποιηθεί) Σχέδιο κωδικοποίησης CRC Πλάτος διεύθυνσης RX Συχνότητα καναλιού Ρυθμός μετάδοσης δεδομένων Κέρδος LNA 32

44 Οι αγωγοί δεδομένων ενεργοποιούνται από τον καταχωρητή EN_RXADDR, από προεπιλογή μόνο οι αγωγοί 0 και 1 είναι ενεργοποιημένοι. Θα πρέπει να εξασφαλιστεί ότι κανείς αγωγός δεν έχει την ίδια διεύθυνση με τους υπόλοιπους. Το PRX χρησιμοποιώντας τις λειτουργίες MultiCeiver και Enhanced ShockBurst λαμβάνει πακέτα από περισσότερα από ένα PTX. Για να εξασφαλιστεί ότι το πακέτο ACK από το PRX μεταδίδεται στο σωστό PTX, το PRX λαμβάνει τη διεύθυνση του αγωγού δεδομένων από όπου έφτασε το πακέτο και την χρησιμοποιεί ως διεύθυνση αποστολής όταν μεταδίδει το πακέτο ACK. Ένα παράδειγμα ρύθμισης μιας διεύθυνσης για το PRX και το PTX, είναι ότι στο PRX η RX_ADDR_Pn ορίζεται ως η διεύθυνση του αγωγού και πρέπει να είναι μοναδική. Στο PTX η TX_ADDR θα πρέπει να είναι ίδια με την RX_ADDR_P0, ως διεύθυνση αγωγού για τον ορισμένο αγωγό. Μόνο όταν ένας αγωγός δεδομένων λάβει ένα πλήρες πακέτο μπορούν οι υπόλοιποι αγωγοί να ξεκινήσουν να λαμβάνουν δεδομένα. Όταν πολλαπλά PTXs μεταδίδουν σε ένα PRX, το APD μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να παραποιηθεί η αυτόματη επανεκπομπή ώστε να εμποδίσουν το ένα το άλλο μόνο μια φορά. Εκτός από τον απλό πομποδέκτη nrf24l01+ υπάρχει και ο πομποδέκτης (Εικόνα 15) που ενσωματώνει ενισχυτή ισχύος, ενισχυτή χαμηλού θορύβου στο κύκλωμα του πομποδέκτη και διαθέτει εξωτερική κεραία. Ο ενισχυμένος πομποδέκτης nrf24l01+ προσφέρει βελτιωμένα χαρακτηριστικά εμβέλειας και ευαισθησίας δέκτη Το διάγραμμα μπλοκ του nrf24l01+ απεικονίζεται στην Εικόνα 16. [23] Εικόνα 15: Πομποδέκτης nrf24l01+ PA & LNA Εικόνα 16: Διάγραμμα μπλοκ πομποδέκτη 33

45 3.9 Τεχνικά χαρακτηριστικά πομποδέκτη Πίνακας 4: Λειτουργίες ακροδεκτών Ονομασία Λειτουργία Περιγραφή CE Ψηφιακή είσοδος Ενεργοποιεί τη λειτουργία RX ή TX CSN Ψηφιακή είσοδος SPI Chip Select SCK Ψηφιακή είσοδος SPI Clock MOSI Ψηφιακή είσοδος SPI Slave Data Input MISO Ψηφιακή έξοδος SPI Slave Data Output IRQ Ψηφιακή έξοδος Maskable interrupt pin. Active low VDD Ισχύς Τροφοδοσία (+1.9 V ~ +3.6 V DC) VSS Ισχύς Γείωση (0 V) Πίνακας 5: Απόλυτες μέγιστες τιμές Καταστάσεις λειτουργίας Ελάχιστη Μέγιστη Μονάδα Τάσεις τροφοδοσίας VDD V VSS 0 V Τάση εισόδου V I V Τάση εξόδου V O VSS έως VDD VSS έως VDD Συνολική κατανάλωση ισχύος P D (T A = 85 o C) 60 mw Θερμοκρασίες Λειτουργίας o C Αποθήκευσης o C (Σημείωση: Υπέρβαση μιας ή περισσότερων από τις οριακές τιμές μπορεί να προκαλέσει μόνιμη βλάβη στον πομποδέκτη nrf24l01+) Πίνακας 6: Κατανάλωση ισχύος Παράμετρος Τιμή Μονάδα Καταστάσεις αναμονής Ένταση ρεύματος τροφοδοσίας σε power down λειτουργία 900 na Ένταση ρεύματος τροφοδοσίας σε standby-i λειτουργία 26 μα Ένταση ρεύματος τροφοδοσίας σε standby-ii λειτουργία 320 μα Εκπομπή Ένταση ρεύματος τροφοδοσίας στα 0 dbm ισχύος εξόδου 11.3 ma Ένταση ρεύματος τροφοδοσίας στα -6 dbm ισχύος εξόδου 9.0 ma Ένταση ρεύματος τροφοδοσίας στα -12 dbm ισχύος εξόδου 7.5 ma Ένταση ρεύματος τροφοδοσίας στα -18 dbm ισχύος εξόδου 7.0 ma Λήψη Ένταση ρεύματος τροφοδοσίας στα 2 Mbps 13.5 ma Ένταση ρεύματος τροφοδοσίας στο 1 Mbps 13.1 ma Ένταση ρεύματος τροφοδοσίας στα 250 kbps 12.6 ma 34

46 Πίνακας 7: Καταστάσεις ραδιοσυχνοτήτων Παράμετρος Ελάχιστη Τυπική Μέγιστη Μονάδα Συχνότητα λειτουργίας MHz Συχνότητα ταλαντωτή 16 MHz Απόκλιση συχνότητας στα 250 kbps ±160 khz Απόκλιση συχνότητας στο 1 Mbps ±160 khz Απόκλιση συχνότητας στα 2 Mbps ±320 khz Ρυθμός δεδομένων kbps Απόσταση μη επικαλυπτόμενων 1 MHz καναλιών στα 250 kbps/1 Mbps Απόσταση μη επικαλυπτόμενων καναλιών στα 2 Mbps 2 MHz Πίνακας 8: Λειτουργία εκπομπής Παράμετρος Ελάχιστη Τυπική Μέγιστη Μονάδα Μέγιστη ισχύς εξόδου 0 +4 dbm RF Power Control Range db RF Power Accuracy ±4 db 20 db εύρος ζώνης για διαμορφωμένο khz φέρον (250 kbps) 20 db εύρος ζώνης για διαμορφωμένο khz φέρον (1 Mbps) 20 db εύρος ζώνης για διαμορφωμένο φέρον (2 Mbps) khz Πίνακας 9: Λειτουργία λήψης Παράμετρος Τιμή Μονάδα Μέγιστο λαμβανόμενο σήμα με <0.1% BER 0 dbm Ευαισθησία (0.1% BER) στα 2 Mbps -82 dbm Ευαισθησία (0.1% BER) στο 1 Mbps -85 dbm Ευαισθησία (0.1% BER) στα 250 kbps -94 dbm 35

47 Πίνακας 10: Χαρακτηριστικά nrf24l01+ με PA και LNA Παράμετρος Τιμή Μονάδα Τάση λειτουργίας (συνιστώμενο 3.3) V Μέγιστη ισχύς εξόδου +20 dbm Μέγιστη ένταση ρεύματος σε λειτουργία εκπομπής 115 ma Μέγιστη ένταση ρεύματος σε λειτουργία λήψης 45 ma Ένταση ρεύματος σε λειτουργία καταστολής 4.2 μa Ευαισθησία δέκτη στα 2 Mbps -92 dbm Ευαισθησία δέκτη στο 1 Mbps -95 dbm Ευαισθησία δέκτη στα 250 kbps -104 dbm Κέρδος ενισχυτή ισχύος (PA) 20 db Κέρδος ενισχυτή χαμηλού θορύβου (LNA) 10 db Εικόνα θορύβου ενισχυτή χαμηλού θορύβου (LNA) 2.6 db Μέγιστο κέρδος κεραίας 2 dbi Εμβέλεια με ρυθμό 2 Mbps σε ανοιχτό πεδίο 520 m Εμβέλεια με ρυθμό 1 Mbps σε ανοιχτό πεδίο 750 m Εμβέλεια με ρυθμό 250 kbps σε ανοιχτό πεδίο >1000 m 3.10 Βιβλιοθήκη RF24Network Η βιβλιοθήκη RF24Network [24] σχεδιάστηκε για να είναι περισσότερο συμβατή με τις καθορισμένες λειτουργίες του κατασκευαστή του πομποδέκτη nrf24l01+, ενώ παράλληλα επιτρέπει στους προχωρημένους χρήστες να εργαστούν πάνω στο ολοκληρωμένο κύκλωμα πέρα από τις συνιστώμενες λειτουργίες. Αξιοποιεί στο μέγιστο τις δυνατότητες του πομποδέκτη μέσω του Arduino. Αξιόπιστη, ευέλικτη, χωρίς σφάλματα είναι εύκολη στη χρήση από αρχάριους χρήστες, με καλά τεκμηριωμένα παραδείγματα και πλούσια χαρακτηριστικά Τοπολογία δικτύων με χρήση nrf24l01+ Η βιβλιοθήκη εκμεταλλεύεται την ικανότητα του nrf24l01+ να επικοινωνεί ταυτόχρονα με έξι διευθύνσεις, ως εκ τούτου κάθε πομποδέκτης έχει μία μητρική διεύθυνση και πέντε διευθύνσεις παιδιών. Το δίκτυο ακολουθεί την τοπολογία δέντρου, όπου ένας κόμβος είναι η βάση και όλοι οι άλλοι κόμβοι είναι παιδιά είτε αυτού του κόμβου είτε κόμβου άλλου επιπέδου. Σε αντίθεση με ένα πραγματικό δίκτυο mesh, οι πολλαπλοί κόμβοι δεν συνδέονται μεταξύ τους έτσι ώστε να υπάρχει μόνο μια διαδρομή για κάθε δεδομένο κόμβο. Κάθε κόμβος επικοινωνεί άμεσα με τον μητρικό του κόμβο και τους κόμβους παιδιά του. Οποιαδήποτε άλλη κίνηση από και προς ένα κόμβο πρέπει να δρομολογηθεί μέσω του δικτύου. 36

48 Οκταδική διευθυνσιοδότηση και τοπολογία δικτύου Καθένας που είναι εξοικειωμένος με τη δικτύωση IP είναι σε θέση να κατανοήσει εύκολα την τοπολογία RF24Network. Ο κύριος κόμβος μπορεί να συνδεθεί απευθείας με έως και πέντε κόμβους, κάθε ένας από αυτούς τους κόμβους μπορεί να δημιουργήσει ένα υποδίκτυο με πέντε επιπλέον κόμβους παιδιά. Οι κόμβοι μπορούν να έχουν έως τέσσερα παιδιά αν η λειτουργία πολλαπλής διανομής είναι ενεργοποιημένη. [25] Τυπικά οι μονάδες nrf24l01+ χρησιμοποιούν μια μορφή διεύθυνσης 40-bit, απαιτώντας 5 bytes στο χώρο αποθήκευσης ανά διεύθυνση και επιτρέπει την χρήση μιας μεγάλης ποικιλίας από διευθύνσεις. Η βιβλιοθήκη RF24Network χρησιμοποιεί μια απλή μέθοδο συμπίεσης δεδομένων για την αποθήκευση των δεδομένων απαιτώντας μόνο 2 bytes. Σε κάθε κόμβο πρέπει να αντιστοιχηθεί μια διεύθυνση 15-bit από τον διαχειριστή, αυτή η διεύθυνση περιγράφει ακριβώς τη θέση του κόμβου μέσα στο δίκτυο. Η διεύθυνση είναι ένας οκταδικός αριθμός, κάθε ψηφίο της αντιπροσωπεύει μια θέση στο δέντρο πέρα από τη βάση. Η μεγαλύτερη δυνατή διεύθυνση είναι η , έτσι ώστε σε ένα κανάλι μπορούν να υπάρξουν έως 3,125 κόμβοι. Κόμβος 00 είναι ο κόμβος βάσης. Κόμβοι είναι οι κόμβοι παιδιά της βάσης. Κόμβος 021 είναι το δεύτερο παιδί του κόμβου 01. Κόμβος 0321 είναι το τρίτο παιδί του κόμβου 021 και ούτω καθεξής. Ακολουθεί ένα παράδειγμα τοπολογίας δικτύου με πέντε κόμβους σε απευθείας επικοινωνία με τον κόμβο βάσης. Χρησιμοποιούνται πολλαπλοί ακραίοι κόμβοι που απλώνονται σε μια απόσταση χρησιμοποιώντας ενδιάμεσους κόμβους για να επικοινωνήσουν με την βάση. Η διευθυνσιοδότηση και η τοπολογία του δικτύου παρουσιάζεται από τον Πίνακα 11 και την Εικόνα 17. Πίνακας 11: Παράδειγμα διευθυνσιοδότησης βιβλιοθήκης RF24Network 00 Κόμβος βάσης Παιδιά βάσης 1 ου επιπέδου Παιδιά βάσης 2 ου επιπέδου Παιδιά βάσης 3 ου επιπέδου Παιδιά βάσης 4 ου επιπέδου Παιδιά βάσης 5 ου επιπέδου

49 Εικόνα 17: Τοπολογία και διευθυνσιοδότηση δικτύου Ο κόμβος 03 στέλνει ένα μήνυμα στον κόμβο βάσης 00. Το μήνυμα θα περάσει απευθείας στη βάση. Ο κόμβος 00 μεταδίδει ένα μήνυμα στον κόμβο Το μήνυμα θα περάσει μέσω των κόμβων 01,011,0111 και μετά στον Ο κόμβος στέλνει μήνυμα στον κόμβο Το μήνυμα θα περάσει από τους κόμβους 02125, 0125, 025, 05, 00, 02, 012 και τέλος στον

50 Χειρισμός δρομολόγησης Κατά την αποστολή ενός μηνύματος χρησιμοποιώντας τη μέθοδο RF24Network::write(), η οποία δέχεται ως πρώτη παράμετρο τη λογική διεύθυνση του κόμβου που θα παραδοθεί το μήνυμα. Το δίκτυο υπολογίζει τη σωστή διαδρομή που πρέπει να ακολουθήσει το μήνυμα για να βρει τον κόμβο αυτό και έπειτα το στέλνει. Αυτό λειτουργεί ακόμα και αν οι δύο κόμβοι έχουν μεγάλη λογική απόσταση, καθώς το μήνυμα θα περάσει από τον κόμβο βάσης και έπειτα θα σταλεί προς τον τελικό του προορισμό. Όλη αυτή η διαδικασία διαχειρίζεται από τη μέθοδο RF24Network::update(). [26] Όταν ένας κόμβος ενεργοποιείται το μόνο που έχει είναι να συνδεθεί στο μητρικό του κόμβο για να επιτευχθεί επικοινωνία από και προς αυτόν, δεν απαιτείται άμεση σύνδεση με τον κόμβο βάσης. Αυτό είναι χρήσιμο σε περιπτώσεις που χρησιμοποιούνται κόμβοι αναμετάδοσης ώστε να γεφυρώσουν την απόσταση από τη βάση, έτσι οι ακραίοι κόμβοι μπορούν να είναι εκτός εμβέλειας της βάσης. Αν η δρομολόγηση δεδομένων γίνεται μεταξύ μητρικού κόμβου και κόμβων παιδιών του, τότε το δίκτυο χρησιμοποιεί τις λειτουργίες επιβεβαίωσης λήψης και επανεκπομπής για να αποφύγει την απώλεια δεδομένων. Όταν όμως τα δεδομένα στέλνονται σε άλλους κόμβους τότε θα πρέπει να δρομολογηθούν μέσω του δικτύου χρησιμοποιώντας ένα συνδυασμό της ενσωματωμένης λειτουργίας επιβεβαίωσης λήψης και του λογισμικού του δικτύου που οδηγεί τα πακέτα ACK. Αυτό επιτρέπει σε όλους τους κόμβους δρομολόγησης να προωθήσουν τα δεδομένα πολύ γρήγορα και μόνο τον τελικό κόμβο να επιβεβαιώνει την παράδοση και να στέλνει πίσω ένα πακέτο ACK. Από προεπιλογή όλοι οι κόμβοι παραμένουν ενεργοί, ώστε τα μηνύματα να φτάσουν γρήγορα στον προορισμό τους. Υπάρχει η επιλογή μετάβασης του κόμβου σε κατάσταση καταστολής, η δυνατότητα αυτή είναι χρήσιμη όταν οι κόμβοι λειτουργούν με μπαταρίες. Μειώνει σημαντικά τις απαιτήσεις ισχύος για ένα δίκτυο αισθητήρων, όπου οι ακραίοι κόμβοι βρίσκονται σε λειτουργία καταστολής τον περισσότερο χρόνο και ενεργοποιούνται κάθε ένα ορισμένο χρονικό διάστημα για να μεταδώσουν τις μετρήσεις. Οι κόμβοι δρομολόγησης μπορούν να ενεργοποιηθούν κάθε που ένα πακέτο λαμβάνεται. 39

51 Πρόγραμμα προβολής παραμέτρων πομποδέκτη Εικόνα 18: Κώδικας προβολής παραμέτρων πομποδέκτη Το παραπάνω πρόγραμμα (Εικόνα 18) εμφανίζει στη σειριακή οθόνη τις βασικότερες παραμέτρους λειτουργίας του πομποδέκτη με τη βοήθεια της βιβλιοθήκης RF24, καθώς και τη χρήση τριών συναρτήσεων παραμετροποίησης (Εικόνα 19). Εικόνα 19: Έξοδος προγράμματος στη σειριακή οθόνη 40

52 Με τις συναρτήσεις radio.setdatarate(), radio.setpalevel() και radio.setchannel() είναι δυνατός ο ορισμός του ρυθμού μετάδοσης δεδομένων, του επιπέδου εξόδου του ενισχυτή ισχύος και της συχνότητας του καναλιού μετάδοσης. Η συνάρτηση radio.setdatarate() δέχεται τις παραμέτρους RF24_250KBPS, RF24_1MBPS, RF24_2MBPS για τον αντίστοιχο ρυθμό. Οι παράμετροι για τη συνάρτηση radio.setpalevel() είναι RF24_PA_MAX που θέτει το επίπεδο της ισχύος στα 0 dbm, RF24_PA_HIGH (-6 dbm), RF24_PA_LOW (-12 dbm) και RF24_PA_MIN (-18 dbm). Και τέλος η συνάρτηση radio.setchannel() μπορεί να δεχτεί ως παράμετρο ένα από τα 126 κανάλια μετάδοσης που υποστηρίζει η μονάδα του πομποδέκτη. Οι τιμές που παίρνει είναι 0~

53 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: Μη επανδρωμένα αεροσκάφη 4.1 Εισαγωγή Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται η ραγδαία ανάπτυξη και χρήση μη επανδρωμένων αεροσκαφών, γνωστά ως UAVs ή drones, για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Ένα μη επανδρωμένο αεροσκάφος μπορεί να λειτουργεί αυτόνομα με τη βοήθεια υπολογιστικών συστημάτων που είναι ενσωματωμένα σε αυτό, είτε να κατευθύνεται από έναν απομακρυσμένο επίγειο σταθμό. Η ιδέα και ο σκοπός ανάπτυξης των UAVs αφορά την χρήση τους σε αποστολές ιδιαίτερα δύσκολες και επικίνδυνες για ένα επανδρωμένο αεροσκάφος, κυρίως λόγω έλλειψης ασφάλειας των επιβαινόντων, αλλά και το υψηλό κόστος μιας τέτοιας επιχείρησης. 4.2 Ιστορική εξέλιξη Για τον άνθρωπο η κατάκτηση των ουρανών ήταν μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις, υπήρξαν πολλές προσπάθειες μέχρι την επιτυχία. Αφού επετεύχθη ο στόχος λογικό θα ήταν μια νέα πρόκληση, η ανάπτυξη ιπτάμενων αεροσκαφών που δεν θα απαιτούν την ανθρώπινη παρουσία για τη λειτουργία τους. Μια πρώιμη ιδέα χρήσης ιπτάμενων μη επανδρωμένων σκαφών εμφανίζεται το 1849 μ.χ, όταν οι Αυστριακοί επιτέθηκαν στην ιταλική πόλη της Βενετίας με τη χρήση μη επανδρωμένων ιπτάμενων μπαλονιών που ήταν φορτωμένα με εκρηκτικά. Παρά το γεγονός ότι τα μπαλόνια δεν θα μπορούσαν να θεωρηθούν ως UAVs σήμερα, η ιδέα αυτή οδήγησε σε περαιτέρω εξελίξεις. Υπάρχουν αναφορές για ανάπτυξη συστημάτων UAV για στρατιωτικές επιχειρήσεις κατά τη διάρκεια των Παγκοσμίων Πολέμων Ι & ΙΙ, λειτουργώντας ως τηλεκατευθυνόμενα αεροσκάφη όμως χωρίς να έχουν πάντα επιτυχία στις αποστολές τους. Το άλμα προς την ανάπτυξη αυτόνομων UAVs παρατηρείται στο δεύτερο μέρος του 20 ου αιώνα. Η πρόοδος στους τομείς της επιστήμης των υπολογιστών, της μηχανικής και του αυτοματισμού συνέβαλε στην εξέλιξη των UAVs. Τα UAVs θεωρούταν ως ακριβά και μη αξιόπιστα παιχνίδια, μέχρι την νίκη της Ισραηλινής αεροπορίας εναντίον της Συριακής το Τότε η συντονισμένη χρήση UAVs, παράλληλα με επανδρωμένα αεροσκάφη οδήγησε στην καταστροφή δεκάδων Συριακών αεροσκαφών με ελάχιστες απώλειες για τους ίδιους. Στην σύγχρονη εποχή, οι μεγαλύτερες στρατιωτικές δυνάμεις του πλανήτη ερευνούν και αναπτύσσουν συστήματα UAV με σκοπό την χρήση τους στο πεδίο της μάχης, μειώνοντας έτσι τις απώλειες του 42

54 ανθρώπινου δυναμικού τους και παράλληλα πετυχαίνοντας με μεγαλύτερη ακρίβεια τους σκοπούς τους. Το μεγάλο κόστος τους τα έκανε απαγορευτικά για οποιαδήποτε άλλη χρήση πέρα των πολεμικών επιχειρήσεων, αυτό όμως έχει αλλάξει δίνοντας τη δυνατότητα τα UAVs να χρησιμοποιούνται και για ειρηνικούς σκοπούς. [27] 4.3 Εφαρμογές με χρήση UAV Ένα πρόσφατο παράδειγμα εφαρμογής των UAVs, αποτελεί η πρόταση της εταιρίας Amazon το 2014, για τη χρήση drones για παράδοση παραγγελιών στους πελάτες. Το Prime Air όπως καλείται το σύστημα παράδοσης της Amazon, θα μπορεί να παραδίδει την παραγγελία στο κατώφλι του σπιτιού του Εικόνα 20: Amazon Prime Air πελάτη εντός 30 λεπτών της ώρας. Βέβαια για να είναι αυτό εφικτό υπάρχουν κάποιοι περιορισμοί όπως το βάρος της παραγγελίας και η απόσταση του πελάτη από το κέντρο διανομής της Amazon. To UAV της Amazon με το πακέτο προς παράδοση απεικονίζεται στην Εικόνα 20. Αν βρεθεί λύση για τις ανησυχίες σχετικά με τη δημόσια ασφάλεια και την ιδιωτικότητα, τότε ίσως στο μέλλον οι ηλεκτρονικές αγορές να παραδίδονται μέσω UAVs. [28,29] Εκτός από τις στρατιωτικές και εμπορικές εφαρμογές, η αποτελεσματικότητα των drones μπορεί να εφαρμοστεί για τη διαχείριση καταστάσεων έκτακτης ανάγκης. Καταστροφές όπως σεισμοί, πυρηνικά ατυχήματα, πλημμύρες, εξάπλωση επικίνδυνων υλικών / αερίων και δασικές πυρκαγιές είναι μερικά παραδείγματα όπου η χρήση UAVs θα μπορούσε να σώσει ζωές. Ένας σεισμός είναι μια ταχεία καταστροφή, όπου πολλές φορές δεν υπάρχει άλλος τρόπος για μια γρήγορη εκτίμηση των ζημιών και τον εντοπισμό θυμάτων, από την εναέρια αναγνώριση. Σε ατυχήματα που σχετίζονται με εκπομπή επικίνδυνων υλικών, η πρώτη ενέργεια που πρέπει να γίνει είναι η έγκαιρη και ακριβής αναγνώριση της κατεύθυνσης τους. Με τη βοήθεια drone είναι δυνατή η λήψη πληροφοριών για την τρέχουσα κατάσταση, χωρίς την έκθεση ανθρώπινων οργανισμών σε επικίνδυνες διαρροές, όπως για παράδειγμα ραδιενέργεια. Οι δασικές πυρκαγιές αποτελούν καταστροφές όπου είναι αρκετά ανεπτυγμένη η εφαρμογή UAVs, χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση, την παρακολούθηση της εξέλιξης για την αντιμετώπιση τους και επίσης για την παρακολούθηση μετά την κατάσβεση για την αποτροπή αναζωπύρωσης. 43

55 Η αγροτική παραγωγή είναι για τον άνθρωπο παράγοντας ζωτικής σημασίας, η ανάγκη δε για παραγωγή ποιοτικών προϊόντων έφερε στην καλλιέργεια της γης διάφορες καινοτομίες. Πλέον, η σύγχρονη γεωργία εφαρμόζει τεχνολογίες για την παρακολούθηση της εξέλιξης και των αναγκών της καλλιέργειας. Με τη βοήθεια κατάλληλων αισθητήρων είναι εύκολη και ακριβής η εποπτεία της παραγωγής. Παράλληλα, είναι εφικτή η καταγραφή όλων των μετρήσεων για τη δημιουργία βάσης δεδομένων, με σκοπό την ανάλυση και τη βελτίωση της παραγωγής. Επιπλέον, στην αγροτική καλλιέργεια είναι δυνατή η χρήση UAVs, τα οποία σε συνεργασία με επίγειους αισθητήρες μπορούν να καταγράφουν σε πραγματικό χρόνο την πορεία της παραγωγής και να ενημερώνουν τον χρήστη. Το UAV έχει τη δυνατότητα κάλυψης μεγάλων εδαφικών αποστάσεων σε μικρό χρονικό διάστημα που μαζί με τη χρήση επίγειων αισθητήρων είναι Εικόνα 21: Εποπτεία καλλιέργειας με χρήση UAV εύκολη η εποπτεία μιας ολόκληρης αγροτικής παραγωγικής μονάδας. Ένα παράδειγμα συλλογής δεδομένων από μια καλλιεργήσιμη έκταση παρουσιάζεται στην Εικόνα 21. Με τον τρόπο αυτό η παρακολούθηση της παραγωγής ξεκινά από την εποχή της σποράς, με κατάλληλους αισθητήρες τοποθετημένους σε όλη την έκταση της καλλιέργειας. Αρχικά, καθώς φυτρώνει η καλλιέργεια μπορεί να γίνει μέτρηση του πληθυσμού των φυτών και να αποφασιστεί αν χρειάζεται να μεταφυτευτεί ή όχι. Κατά την ανάπτυξη της γεωργικής παραγωγής, είναι δυνατός μέσω UAV ο έγκαιρος εντοπισμός ασθενειών των φυτών και των ζιζανίων που μεγαλώνουν παράλληλα. Αφού εντοπιστεί ένα τμήμα της καλλιέργειας με πρόβλημα, ψεκάζεται μόνο η περιοχή που έχει πληγεί και έχει υποδειχθεί από το UAV. Με το UAV να επιθεωρεί από ψηλά την εξέλιξη της καλλιέργειας, υπάρχει η δυνατότητα καταγραφής δεδομένων που το ανθρώπινο μάτι δεν μπορεί να διακρίνει και επιπλέον καταργεί τον παράγοντα του ανθρώπινου λάθους κατά την διαλογή της καλλιέργειας. Επίσης, μπορούν να υποδειχθούν οι ανάγκες που αντιμετωπίζουν τα φυτά σε νερό, λίπασμα, θερμότητα, φωτισμό. [30] 44

56 4.4 Λήψη δεδομένων από αισθητήρες με UAVs Ο εξοπλισμός και η συνεργασία ενός UAV με αισθητήρες το μετατρέπει σε ένα εξαιρετικά χρήσιμο εργαλείο για κάθε είδους χρήση. Οι αισθητήρες μπορούν είτε να ενσωματωθούν πάνω στο πλαίσιο του drone, ώστε οι μετρήσεις που θα συλλέγονται να αφορούν το διάστημα της πτήσης ή να είναι επίγειοι και το UAV πετώντας από πάνω τους να συλλέγει τα δεδομένα. Έχουν γίνει προσπάθειες ανάπτυξης συστημάτων ζεύξης UAV με διάφορους αισθητήρες, για την καταγραφή δεδομένων σχετικά με το περιβάλλον επίβλεψης. Εφαρμογή UAV στην οικολογία Στο εγχείρημα αυτό αναπτύσσεται από τους M. Sokac, P. Durasek, I. Bacic και S. Puskaric του Rochester Ινστιτούτου Tεχνολογίας της Κροατίας [31], ένα σύστημα μέτρησης παραμέτρων του ατμοσφαιρικού αέρα. Το μη επανδρωμένο αεροσκάφος εξοπλίζεται με αισθητήρες που παρακολουθούν την οριζόντια και κάθετη κατανομή του οξυγόνου και του διοξειδίου του άνθρακα, όπως επίσης τη θερμοκρασία, την υγρασία και την ατμοσφαιρική πίεση. Γίνεται προσθήκη μιας μονάδας GPS για την καταγραφή των συντεταγμένων κατά τη διάρκεια της πτήσης σε πραγματικό χρόνο και είναι απαραίτητη για τον σχεδιασμό και τον υπολογισμό κάθε πτήσης. Η υλοποίηση του συστήματος βασίζεται σε πλατφόρμα Arduino. Μια ασύρματη ζεύξη εξασφαλίζει επικοινωνία μεταξύ του UAV και του σταθμού βάσης, σε συχνότητα 433 MHz, για τη μετάδοση των μετρήσεων και τον χειρισμό πτήσης. Η σύνδεση τους γίνεται μέσω δυο RF πομποδεκτών που ενσωματώνονται στις αντίστοιχες μονάδες. Προκειμένου να είναι εφικτή η επικοινωνία των δύο επιμέρους μονάδων, θα πρέπει η μέγιστη μεταξύ τους απόσταση να μη ξεπερνά τα 40 μέτρα και να υπάρχει συνεχής οπτική επαφή μεταξύ τους (LoS). Πριν από κάθε πτήση το σκάφος και ο σταθμός θα πρέπει να συγχρονιστούν, ώστε να λάβει το drone το σχέδιο πτήσης από τον σταθμό βάσης και να είναι εφικτή η μεταξύ τους επικοινωνία κατά τη διάρκεια της πτήσης. H ασύρματη ζεύξη της βάσης συμπεριφέρεται είτε ως πομπός είτε ως δέκτης. Κατά τη διάρκεια της πτήσης ως πομπός μεταδίδει πληροφορίες για την πτήση και την αποστολή προς το UAV. Το διάστημα που το UAV βρίσκεται στον αέρα οι αισθητήρες καταγράφουν τα δεδομένα και αποθηκεύονται τοπικά. Μετά την προσγείωση τα δεδομένα μεταφέρονται στον σταθμό βάσης προκειμένου να αναλυθούν. 45

57 Δίκτυο αισθητήρων και συλλογή δεδομένων μέσω UAV Η υλοποίηση του συστήματος αυτού έγινε από τους I. Hebrio, J. Yau και K. Pham του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια Davis και αφορά την συγκέντρωση δεδομένων από επίγειους αισθητήρες μέσω ενός UAV. [32] Οι επίγειοι σταθμοί εξοπλίζονται με αισθητήρες υγρασίας αέρος και εδάφους, θερμοκρασίας και μέτρησης της φωτεινότητας του περιβάλλοντος. Το σύστημα χωρίζεται σε δύο τμήματα, στον δέκτη και σε πολλαπλούς σταθμούς, χρησιμοποιώντας τις μονάδες PSoC 4 BLE για την επικοινωνία μεταξύ του δέκτη και των σταθμών. Η ασύρματη ζεύξη γίνεται μέσω διπολικών κεραιών στα 2.4 GHz, για ομοιοκατεθυντικό σήμα Bluetooth που ενσωματώνονται στις μονάδες PSoC 4 BLE και έχουν εμβέλεια 30 μέτρα. Οι μετρήσεις αποθηκεύονται τοπικά σε κάθε σταθμό και μεταδίδονται ασύρματα στον δέκτη, όταν είναι εντός της εμβέλειας τους. Προκειμένου να περιοριστεί η κατανάλωση ενέργειας ο κάθε επίγειος σταθμός βρίσκεται σε κατάσταση αναστολής. Έπειτα από ένα ορισμένο χρονικό διάστημα ενεργοποιείται, λαμβάνει μέτρηση από τους αισθητήρες και αποθηκεύει τα δεδομένα στην τοπική μνήμη, με τον τρόπο αυτό μειώνεται η συχνότητα πτήσης του drone για τη συλλογή δεδομένων. Στη συνέχεια δοκιμάζει να στείλει τα δεδομένα προς τον δέκτη.αν δεν είναι δυνατή η επικοινωνία τότε επιστρέφει σε κατάσταση αναστολής. Αν είναι επιτυχής η σύνδεση με το δέκτη, τότε προχωρά στη μετάδοση όλων των δεδομένων, μετά αποσυνδέεται από αυτόν και τέλος μεταβαίνει σε αναστολή. Ο δέκτης τοποθετείται στο UAV και λαμβάνει τα δεδομένα όταν βρίσκεται κοντά στους επίγειους σταθμούς, εφόσον αυτοί είναι ενεργοί. Ο δέκτης βρίσκεται σε κατάσταση αναστολής, μέχρι να του δοθεί εντολή από τον χρήστη να ξεκινήσει τη διαδικασία εντοπισμού και σύνδεσης με κάποιο διαθέσιμο σταθμό. Αν καταστεί αυτό εφικτό, λαμβάνει τα δεδομένα και αφού αποσυνδεθεί τα αποθηκεύει στη μονάδα PSoC 5 η οποία διαθέτει μια κάρτα μνήμης, έπειτα συνεχίζει να αναζητά νέο επίγειο σταθμό. Σχεδιασμός συστήματος με UAV για ανίχνευση ακτινοβολίας Η λήψη πληροφοριών για την ακτινοβολία σε περίπτωση μιας πυρηνικής καταστροφής περιορίζεται από την ευπάθεια των στατικών αισθητήρων και την αδυναμία ασφαλούς συλλογής δεδομένων από τον άνθρωπο. 46

58 Το σύστημα ανίχνευσης βλαβερής ακτινοβολίας σχεδιάστηκε από τους C. Cai, B. Carter, M. Srivastava, J. Tsung, J. Valehi-Faridi και C.Wiley του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών του Πανεπιστημίου της Βιρτζίνια. [33] Ένα UAV μπορεί να λάβει γεωγραφικά και ακτινολογικά δεδομένα από την πληγείσα περιοχή, δίνοντας μια ασφαλή και αποτελεσματική εναλλακτική λύση. Για την κατασκευή ενός τέτοιου συστήματος το UAV εξοπλίζεται με έναν αισθητήρα που λαμβάνει μετρήσεις για ακτινοβολίες β και γ. H πλακέτα μικροελεγκτή που χρησιμοποιήθηκε είναι η MSP430G2553 της Texas Instruments και πάνω της ενσωματώνεται ο RF πομποδέκτης ez430. Η ασύρματη ζεύξη μεταξύ πομπού και δέκτη λειτουργεί στα 2.4 GHz και έχει εμβέλεια περίπου 100 μέτρα. Αποστολή του συστήματος είναι η ανίχνευση και η μέτρηση της ακτινοβολίας ανά ένα καθορισμένο χρονικό διάστημα στον επιχειρησιακό χώρο. Το σύστημα ανίχνευσης μέσω ενός αλγόριθμου μπορεί να εξάγει διαφορετικά δεδομένα. Όπως την αναζήτηση ασφαλών μονοπατιών για τον άνθρωπο σε μια μολυσμένη περιοχή ή τον εντοπισμό μόνο των μη ασφαλών περιοχών. Ανάλογα τις παραμέτρους του αλγορίθμου, το UAV προσδιορίζει το επίκεντρο της ακτινοβολίας ή τα σημεία με την ελάχιστη παρουσία της. Στη συνέχεια στον επίγειο σταθμό τα δεδομένα που λαμβάνονται ασύρματα μέσω του ez430 χρησιμοποιούνται από το πρόγραμμα χαρτογράφησης για την οπτικοποίηση τους. Δίκτυο επίγειων και εναέριων αισθητήρων για την ανίχνευση πυρκαγιάς Στο σενάριο αυτό αναπτύσσεται μια πλατφόρμα που περιλαμβάνει έναν αριθμό από ετερογενή υποσυστήματα. Ο σχεδιασμός και η υλοποίηση έγιναν από τους A. Erman, L. van Hoesel και P. Havinga του Πανεπιστημίου του Τβέντε. [34] Αφορά την ανίχνευση πυρκαγιάς και την έκτακτη δράση, για το σκοπό αυτό απαιτούνται πολλαπλοί αισθητήρες τοποθετημένοι στον χώρο επίβλεψης. Για την υλοποίηση του συστήματος χρησιμοποιείται η πλατφόρμα Aware της NanoLumens. Σε μια περιοχή 800 μέτρων x 800 μέτρων τοποθετήθηκαν 95 κόμβοι αισθητήρων με εμβέλεια εκπομπής τα 65 μέτρα. Οι αισθητήρες συλλέγουν μετρήσεις σχετικά με τη θερμοκρασία, την υγρασία και την συγκέντρωση τοξικών ουσιών στον αέρα. Παράλληλα, στον χώρο υπάρχουν 6 κόμβοι συλλογής δεδομένων, στατικοί και κινητοί, οι οποίοι συλλέγουν τις μετρήσεις και έχουν την δυνατότητα να επικοινωνούν μεταξύ τους για την παρακολούθηση της κατάστασης. Χρησιμοποιήθηκε ένα δίκτυο WiFi IEEE στα 2.4 GHz για την ασύρματη επικοινωνία μεταξύ των κόμβων συλλογής δεδομένων και των κόμβων των αισθητήρων που είναι τοποθετημένοι στον χώρο παρακολούθησης. 47

59 Η Εικόνα 22 παρουσιάζει το σενάριο επίβλεψης δασικών εκτάσεων από επίγειους και εναέριους ανιχνευτές πυρκαγιάς. Σε περίπτωση, εκδήλωσης πυρκαγιάς οι αισθητήρες ειδοποιούν μέσω των κόμβων για το συμβάν και την τοποθεσία. Ένα μέρος των αισθητήρων που βρίσκονται στον χώρο της φωτιάς, μετά από κάποιο χρονικό διάστημα ενδέχεται να Εικόνα 22: Δίκτυο επίγειων και εναέριων ανιχνευτών πυρκαγιάς ζεσταθούν και οι τιμές που λαμβάνουν να υπερβαίνουν ένα προκαθορισμένο όριο ανοχής. Προκειμένου να υπάρχει ακριβής εκτίμηση της κατάστασης, χρησιμοποιούνται UAVs με ενσωματωμένους αισθητήρες για να συλλέξουν πιο αξιόπιστα στοιχεία σχετικά με το συμβάν στην επικίνδυνη περιοχή. Επιπλέον, οι πυροσβέστες που καταφθάνουν στο σημείο είναι εξοπλισμένοι με αισθητήρες, που συλλέγουν δεδομένα σχετικά με τον περιβάλλοντα χώρο (τοξικότητα αέρα), την κινητικότητα και την καρδιακή κατάσταση τους. Όλα τα δεδομένα που συλλέγονται προωθούνται προς ένα κεντρικό κόμβο παρατηρητήριο για την επίβλεψη και την άμεση επέμβαση σε ενδεχόμενη ανίχνευση πυρκαγιάς. 48

60 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: Υποσύστημα ασύρματης μετάδοσης δεδομένων αισθητήρα Στα πλαίσια της πτυχιακής εργασίας γίνεται προσπάθεια ανάπτυξης ενός απλού αρχικά τηλεπικοινωνιακού υποσυστήματος βάσει των πεδίων που καλύφθηκαν στο θεωρητικό μέρος της εργασίας. Το συγκεκριμένο υποσύστημα αποτελείται από έναν πομπό και έναν δέκτη. Ο πομπός διαθέτει αισθητήρα που λαμβάνει, ανά ένα ορισμένο χρονικό διάστημα, μετρήσεις σχετικά με την υγρασία και τη θερμοκρασία του περιβάλλοντα χώρου. Έπειτα οι μετρήσεις αποθηκεύονται τοπικά και μεταδίδονται ασύρματα. Σε περίπτωση που ο δέκτης είναι εντός της εμβέλειας του πομπού, λαμβάνει και προβάλλει τις μετρήσεις. 5.1 Υλικά μέρη και περιγραφή λειτουργίας Για την κατασκευή του παραπάνω τηλεπικοινωνιακού υποσυστήματος χρησιμοποιούνται τα ακόλουθα επιμέρους ηλεκτρονικά εξαρτήματα. Arduino Uno Χρησιμοποιούνται δύο πλατφόρμες Arduino Uno. Μια για το μέρος της εκπομπής και η άλλη για αυτό της λήψης. Πομποδέκτης nrf24l01+ Γίνεται χρήση δύο πομποδεκτών nrf24l01+ PA & LNA, για τα δύο μέρη του υποσυστήματος πομπού και δέκτη. Socket adapter for nrf24l01+ Πρόκειται για ένα εξάρτημα που διαθέτει ρυθμιστή τάσης από 5 V σε 3.3 V και bypass πυκνωτές για σταθερότητα του πομποδέκτη. Ενσωματώνεται στον πομποδέκτη. RTC DS3231 Είναι ένα ρολόι πραγματικού χρόνου μεγάλης ακρίβειας. Η σύνδεση του με το Arduinο γίνεται μέσω του πρωτοκόλλου I 2 C μεταφέροντας σειριακά διεύθυνση και δεδομένα αμφίδρομα. Η συσκευή διαθέτει είσοδο για μπαταρία προκειμένου να διατηρεί το χρόνο όταν η κύρια τροφοδοσία διακοπεί. Το RTC μπορεί να διατηρήσει δευτερόλεπτα, λεπτά, ώρες, ημέρα, ημερομηνία και έτος. [35] 49

61 DHT11 Temperature & Humidity sensor Πρόκειται για ένα αισθητήρα θερμοκρασίας και υγρασίας με βαθμονομημένο ψηφιακό σήμα εξόδου. Ο DHT11 περιλαμβάνει ένα τύπο αντίστασης για τη μέτρηση της σχετικής υγρασίας και ένα στοιχείο NTC (τύπος θερμίστορ) για τη μέτρηση της θερμοκρασίας. Συνδέεται σε ένα μικροελεγκτή 8-bit υψηλής απόδοσης. Η λήψη των μετρήσεων θα πρέπει να γίνεται κάθε 3 ή παραπάνω δευτερόλεπτα. [36] SD module + SD card Με τη μονάδα (module) SD είναι δυνατή η μεταφορά δεδομένων από και προς μιας κάρτας SD για μαζική αποθήκευση και καταγραφή δεδομένων. Χρησιμοποιεί το πρωτόκολλο SPI για την σύνδεση του με το Arduino. LCD module display Πρόκειται για μια οθόνη υγρών κρυστάλλων 16x2 χαρακτήρων. Συνδέεται με την πλακέτα του Arduino μέσω του πρωτοκόλου I 2 C. Proto shield Μπορεί να ενσωματωθεί απευθείας πάνω στο Arduino προσφέροντας του μερικά επιπλέον χαρακτηριστικά, όπως παραπάνω ακροδέκτες τροφοδοσίας 5 V, γείωσης και ένα μικρό breadboard. Power bank Για την τροφοδοσία του πομπού και του δέκτη ώστε να είναι φορητοί γίνεται χρήση μπαταριών, 2200 mah με έξοδο 5 V/1 A. 50

62 Η λειτουργία των επιμέρους εξαρτημάτων του υποσυστήματος έχει ως εξής: Ο αισθητήρας DHT11 συλλέγει τις τιμές της θερμοκρασίας και υγρασίας του χώρου ανά καθορισμένα χρονικά διαστήματα και τις μεταφέρει στην πλακέτα του Arduino. Αυτό με τη βοήθεια του ρολογιού DS3231 εγγράφει τις ληφθείσες μετρήσεις με τη χρονική στιγμή που έχουν γίνει στην κάρτα μνήμης SD για να αποθηκευτούν τοπικά. Παράλληλα, οι χρονολογημένες μετρήσεις προωθούνται προς τον πομποδέκτη nrf24l01+ ο οποίος με τη σειρά του τις μεταδίδει ασύρματα προς τον δεύτερο nrf24l01+ του δέκτη. Τέλος, οι μετρήσεις εμφανίζονται στην οθόνη του Arduino - δέκτη. Ο πομπός και ο δέκτης συνδέονται σε μπαταρίες για την παροχή ρεύματος εξασφαλίζοντας παράλληλα φορητότητα και για τα δύο υποσυστήματα. Συνεπώς, είναι δυνατή η ενσωμάτωση του πομπού σε ένα UAV για την λήψη δεδομένων κατά τη διάρκεια της πτήσης. Οι παραπάνω λειτουργίες συνοψίζονται στην Εικόνα 23. Εικόνα 23: Διάγραμμα λειτουργίας υποσυστήματος 51

63 5.2 Συνδεσμολογία Πομπός: Ο αισθητήρας θερμοκρασίας και υγρασίας DHT11 είναι συνδεδεμένος με τους ακροδέκτες 5 V, GND και το ψηφιακό ακροδέκτη D3 για τη λήψη των μετρήσεων. Το ρολόι DS3231 συνδέεται στους ακροδέκτες 3.3 V, GND, SDA, SCL. Η σύνδεση μεταξύ Arduino και DS3231 γίνεται με χρήση του πρωτοκόλλου I 2 C. Πίνακας 12: Συδεσμολογία RTC - Arduino RTC Arduino 3.3V 3.3V GND GND SDA A4 SCL A5 Η μονάδα SD συνδέεται με το Arduino μέσω του πρωτοκόλλου SPI. Οι ακροδέκτες για τη λειτουργία του είναι: Πίνακας 13: Συνδεσμολογία μονάδας SD Arduino SD 5V GND CS MOSI MISO SCK Arduino 5V GND D8 D11 D12 D13 Οι πομποδέκτες nrf24l01+ χρησιμοποιούν το πρωτόκολλο SPI για τη σύνδεση τους με τα Arduino. Είναι δυνατή η ταυτόχρονη σύνδεση δύο εξαρτημάτων που χρησιμοποιούν το πρωτόκολλο SPI με την εξής συνδεσμολογία: οι τρεις SPI ακροδέκτες (MOSI, MISO και SCK) είναι κοινοί και για τα δύο και απαιτείται η χρήση ενός επιπλέον ακροδέκτη για το κάθε εξάρτημα (CS/CSN). 52

64 Επίσης, το nrf24l01+ χρειάζεται ένα ακόμη ακροδέκτη (CE) για την ενεργοποίηση λειτουργίας πομπού ή δέκτη. Tα nrf24l01+ απαιτούν τροφοδοσία στα 3.3 V, ωστόσο οι έξοδοι των ακροδεκτών του Arduino είναι στα 5 V, με τη χρήση του socket adapter είναι δυνατή η σύνδεση του nrf24l01+ στο Arduino χωρίς να υπάρχουν προβλήματα με τη λειτουργία του. Η σύνδεση των ακροδεκτών είναι: Πίνακας 14: Συνδεσμολογία nrf24l01 - socket adapter - Arduino nrf24l01+ Socket adapter Arduino 3.3V 5V 3.3V 5V GND GND GND CE CE D9 CSN CSN D10 MOSI MOSI D11 MISO MISO D12 SCK SCK D13 IRQ IRQ NC Στην Εικόνα 24 παρουσιάζεται η σύνδεση των επιμέρους μονάδων του υποσυστήματος του πομπού. Εικόνα 24: Συνδεσμολογία υποσυστήματος πομπού 53

65 Δέκτης: Είναι συνδεδεμένος ο πομποδέκτης nrf24l01+ με συνδεσμολογία όπως και στον πομπό. Η οθόνη LCD συνδέεται με το Arduino μέσω του πρωτοκόλλου I 2 C. Οι ακροδέκτες που χρησιμοποιούνται για τη λειτουργία του είναι: Στην Εικόνα 25 παρουσιάζεται η συνδεσμολογία των επιμέρους μονάδων του υποσυστήματος του δέκτη. Πίνακας 15: Συνδεσμολογία LCD Arduino LCD 5V GND SDA SCL Arduino 5V GND A4 A5 Εικόνα 25: Συνδεσμολογία υποσυστήματος δέκτη Ο σχεδιασμός της συνδεσμολογίας των κυκλωμάτων έγινε με τη σχεδιαστική εφαρμογή ηλεκτρονικών κυκλωμάτων Fritzing. [37] 54

66 5.3 Πηγαίος κώδικας πομπού Σχολιασμός Εικόνα 26: Πηγαίος κώδικας πομπού - γραμμές 1 έως 19 Στην αρχή του sketch (γραμμές 1-7) γίνεται ενημέρωση του προγράμματος ότι θα χρησιμοποιηθούν οι εξής βιβλιοθήκες: SPI.h για την επίτευξη επικοινωνίας μεταξύ του πομποδέκτη nrf24l01+, της μονάδας SD και του Arduino μέσω του πρωτοκόλλου SPI. RF24.h και nrf24l01.h οι βιβλιοθήκες αυτές βοηθούν στο χειρισμό του πομποδέκτη. [38] dht.h πρόκειται για βιβλιοθήκη σχεδιασμένη για τον αισθητήρα DHT11. [39] Wire.h μέσω αυτής πραγματοποιείται ο χειρισμός της επικοινωνίας I 2 C. Sodaq_DS3231.h η βιβλιοθήκη αυτή επιτρέπει τον χρονισμό και την προβολή της ώρας από το RTC DS3231. [40] SD.h με τη χρήση της γίνεται η αποθήκευση των δεδομένων στην κάρτα μνήμης. Οι βιβλιοθήκες SPI.h, Wire.h και SD.h μπορούν να συμπεριληφθούν απευθείας μέσω του μενού του Arduino IDE, Σχέδιο>Συμπερίληψη Βιβλιοθήκης. 55

67 Για τις υπόλοιπες βιβλιοθήκες θα πρέπει να γίνει λήψη και να προστεθούν μέσα από την εφαρμογή, Σχέδιο > Συμπερίληψη Βιβλιοθήκης > Προσθήκη Βιβλιοθήκης ZIP. Στις γραμμές 9 και 10 δηλώνεται ότι ο ακροδέκτης 3 του Arduino θα δέχεται τις μετρήσεις του αισθητήρα DHT11. Στην γραμμή 12 ορίζεται ο ακροδέκτης 8 ως ο CS ακροδέκτης για τη μονάδα αποθήκευσης. Η εντολή της γραμμής 14 ορίζει τη σύνδεση του πομποδέκτη με το Arduino μέσω των ψηφιακών ακροδεκτών 9 και 10 ως CE και CSN αντίστοιχα. Αν η σύνδεση μεταξύ Arduino και nrf24l01+ έχει γίνει με διαφορετικούς ακροδέκτες, τότε οι παράμετροι μπορούν να αλλάξουν με τιμές τους αντίστοιχους ακροδέκτες. Στην γραμμή 16, δημιουργείται ένας πίνακας με όνομα rxaddr και παίρνει τιμή τη διεύθυνση του δέκτη που πρόκειται να σταλούν τα δεδομένα. Η διεύθυνση έχει τιμή 00001, ωστόσο αυτή μπορεί να αλλάξει σε οποιαδήποτε αλφαριθμητικό (string) πέντε ψηφίων. Στη δέκατη όγδοη γραμμή, η εντολή δέχεται ως παραμέτρους: Έτος, Μήνα, Ημέρα του μήνα, Ώρα, Λεπτά, Δευτερόλεπτα, Ημέρα της εβδομάδας για να γίνει ο χρονισμός της RTC μονάδας. Εικόνα 27: Πηγαίος κώδικας πομπού - γραμμές 20 έως 36 Στην γραμμή 20, δημιουργείται ένα αντικείμενο δεδομένων (data object) στο οποίο θα πραγματοποιείται η εγγραφή των δεδομένων μέσω του εξαρτήματος της κάρτας μνήμης. 56

68 Έπειτα ακολουθεί η συνάρτηση setup() (γραμμές 22-35) η οποία εκτελείται μια φορά κατά τη διάρκεια του προγράμματος. Στις γραμμές 24-27, αρχικά γίνεται κλήση της μεθόδου radio.begin(); η οποία ενεργοποιεί τον πομποδέκτη. Έπειτα, ορίζεται η ταχύτητα μετάδοσης στα 250 kbps και η μέθοδος radio.openwritingpipe (rxaddr); θέτει τη διεύθυνση του δέκτη στον οποίο το πρόγραμμα θα στείλει τα δεδομένα. Και τέλος, με τη μέθοδο radio.stoplistening(); ο πομποδέκτης τίθεται σε λειτουργία πομπού. Με τις εντολές των γραμμών γίνεται η εκκίνηση της σειριακής οθόνης με ρυθμό μετάδοσης τα 9600 baud και της μονάδας αποθήκευσης με παράμετρο τον CS ακροδέκτη που έχει οριστεί. Η Wire ενεργοποιείται για την επικοινωνία μέσω I 2 C και το RTC για το ρολόι. Στην γραμμή 33, υπάρχει σαν σχόλιο η μέθοδος rtc.setdatetime(dt);. Αν γίνει αποσχολιασμός και έπειτα φορτωθεί το πρόγραμμα στον μικροελεγκτή, τότε το ρολόι θα δεχθεί τις τιμές που έχουν οριστεί προηγουμένως για την παράμετρο dt (γραμμή 18). Ωστόσο, θα πρέπει να δοθεί προσοχή στο ότι μετά την επιτυχή ενημέρωση του ρολογιού, θα πρέπει να σχολιαστεί η γραμμή 33 και να φορτωθεί εκ νέου το πρόγραμμα στο Arduino. Ο λόγος που πρέπει να ακολουθηθεί αυτή η διαδικασία είναι ότι σε κάθε επανεκκίνηση της πλατφόρμας η μονάδα RTC θα παίρνει τις τιμές που ορίστηκαν προηγουμένως στη γραμμή 18 με συνέπεια τη λανθασμένη καταγραφή του χρόνου. Εικόνα 28: Πηγαίος κώδικας πομπού - γραμμές 37 έως 62 57

69 Η συνάρτηση loop() (γραμμές 37-62) εκτελείται καθ όλη τη διάρκεια που το Arduino βρίσκεται σε λειτουργία. Στις γραμμές ορίζονται τρεις μεταβλητές αλφαριθμητικών για τη θερμοκρασία, την υγρασία και την ώρα : Λαμβάνονται οι μετρήσεις από τον αισθητήρα DHT11 έπειτα εκχωρούνται σαν αλφαριθμητικά σε διαφορετικές μεταβλητές η θερμοκρασία και η υγρασία. Στη γραμμή 48, αποθηκεύεται στη μεταβλητή Time η ώρα μέσω της συνάρτησης gettime();. Στην επόμενη γραμμή του κώδικα (50) δημιουργείται ένα αλφαριθμητικό με όνομα Entry όπου εκχωρούνται η ώρα, η θερμοκρασία σε βαθμούς Κελσίου και η υγρασία σε ποσοστό επί τοις εκατό. Στην συνέχεια (52) ορίζεται μια μεταβλητή η EntryLen, που παίρνει ως τιμή τον αριθμό των ψηφίων του Entry με ένα ακόμη επιπλέον για τον τερματικό χαρακτήρα. Στην γραμμή 54 ορίζεται ένας πίνακας ο charbuf με μέγεθος όσο η τιμή της μεταβλητής EntryLen. Και στην επόμενη γραμμή γίνεται η εισαγωγή των τιμών του Entry στον πίνακα charbuf. Η γραμμή 57 περιέχει την εντολή προς τον πομπό να αποστείλει τον πίνακα charbuf με τη χρήση της μεθόδου radio.write(&charbuf,sizeof(charbuf)); Η πρώτη παράμετρος είναι ένας δείκτης του πίνακα όπου είναι αποθηκευμένα τα δεδομένα προς αποστολή και η δεύτερη είναι ο αριθμός των bytes του charbuf που θα σταλθούν. Με τη χρήση της συνάρτησης sizeof(); υπολογίζεται αυτόματα το μέγεθος του πίνακα charbuf. Μέσω της μεθόδου αυτής είναι δυνατή η αποστολή έως 32 bytes σε ένα πακέτο, λόγω του ότι αυτό είναι το μέγιστο μέγεθος του πακέτου δεδομένων προς μετάδοση για τον πομποδέκτη nrf24l01+. Η εντολή της γραμμής 58 εμφανίζει, στην σειριακή οθόνη του ηλεκτρονικού υπολογιστή στον οποίο είναι συνδεδεμένη η συσκευή του πομπού, τα περιεχόμενα του πίνακα charbuf. Σε περίπτωση που ο πομπός δεν συνδέεται σε υπολογιστή μπορεί να γίνει σχολιασμός της εντολής. Σκοπός της εντολής είναι η προβολή των δεδομένων σε περίπτωση ύπαρξης σφαλμάτων. 60: γίνεται κλήση της συνάρτησης savetosd(); με παράμετρο την μεταβλητή Entry ώστε παράλληλα με την αποστολή των μετρήσεων να γίνει και η αποθήκευση τους στην κάρτα SD. Ακολουθείται από τον ειδικό χαρακτήρα αλλαγής γραμμής \n, ώστε μετά από κάθε εγγραφή που γίνεται στην κάρτα μνήμης η επόμενη να ξεκινάει σε καινούρια γραμμή. Στο τέλος, γίνεται εισαγωγή μιας καθυστέρησης ms (10 δευτερόλεπτα) οπότε μετά το πέρας αυτών η συνάρτηση loop() εκτελείται πάλι από την αρχή. 58

70 Εικόνα 29: Πηγαίος κώδικας πομπού - γραμμές 63 έως 79 Ο κώδικας των γραμμών 64-78, περιέχει την συνάρτηση gettime(); η οποία κάθε φορά που καλείται μέσα από τη loop() επιστρέφει την ώρα, τα λεπτά και τα δευτερόλεπτα την συγκεκριμένη στιγμή μέσω του RTC DS3231. Εικόνα 30: Πηγαίος κώδικας πομπού - γραμμές 80 έως 92 Τέλος, στις γραμμές γίνεται η δήλωση της συνάρτησης savetosd(); η οποία σε κάθε της κλήση αποθηκεύει τις μετρήσεις στην κάρτα μνήμης σε μορφή.txt. Στην γραμμή 82 αρχικά, ανοίγει ένα αρχείο κειμένου προς εγγραφή με όνομα LOGDATA.txt. Αν αυτό υπάρχει ήδη στην κάρτα SD θα το ανοίξει και θα αποθηκεύει σε αυτό τα δεδομένα, αν όμως δεν υπάρχει τότε θα το δημιουργήσει. Στη συνέχεια, γίνεται έλεγχος για το αν είναι δυνατή η αποθήκευση στην κάρτα, αν είναι τότε εμφανίζει ένα θετικό μήνυμα στην σειριακή οθόνη και αποθηκεύει τις τιμές του Entry, έπειτα κλείνει το προς εγγραφή αρχείο. Σε αντίθετη περίπτωση εμφανίζεται μήνυμα σφάλματος. Αυτό μπορεί να 59

71 σημαίνει: i) λάθος στην συνδεσμολογία μεταξύ Arduino και της SD μονάδας, ii) δήλωση στο πρόγραμμα διαφορετικού CS ακροδέκτη από αυτό που χρησιμοποιείται, είτε iii) πρόβλημα με την κάρτα SD όπως για παράδειγμα λανθασμένη τοποθέτηση της στο module ή ακόμη και να είναι κατεστραμμένη. Η παραπάνω διαδικασία πέραν της εγγραφής των δεδομένων στο αρχείο κειμένου, έχει νόημα μόνο όταν το σύστημα του πομπού είναι συνδεδεμένο σε υπολογιστή έτσι ώστε να εμφανίζονται τα μηνύματα στην σειριακή οθόνη. Αυτό βοηθά στην αποσφαλμάτωση σε περίπτωση αποτυχίας στην εγγραφή των δεδομένων. Από τη στιγμή που το πρόγραμμα εκτελείται όταν η συσκευή δεν είναι συνδεδεμένη σε υπολογιστή, μπορεί να γίνει σχολιασμός του συγκεκριμένου μέρους του κώδικα. 5.4 Πηγαίος κώδικας δέκτη Σχολιασμός Εικόνα 31: Πηγαίος κώδικας δέκτη Ο κώδικας του δέκτη είναι παρόμοιος με αυτόν του πομπού με διαφορές το ότι το πρόγραμμα αυτό λαμβάνει τα δεδομένα και έπειτα τα εμφανίζει στην οθόνη LCD. 60

72 Αρχικά, γίνεται η συμπερίληψη των απαραίτητων βιβλιοθηκών για τον πομποδέκτη και της οθόνης LCD [41]. Στη γραμμή 7 γίνεται ο ορισμός της I 2 C διεύθυνσης για την LCD οθόνη. Έπειτα, ορίζονται οι CE και CSN ακροδέκτες του πομποδέκτη και ο πίνακας με τη διεύθυνση του δέκτη που είναι ίδια με αυτήν του πομπού. Η συνάρτηση setup() στην πρώτη της γραμμή ενεργοποιεί τη μονάδα του δέκτη και ξεκινά την επικοινωνία του Arduino με την οθόνη LCD 16x2 χαρακτήρων. Στη συνέχεια, θέτει ταχύτητα μετάδοσης τα 250 kbps την ίδια με τον πομπό. Έπειτα, με τη μέθοδο radio.openreadingpipe(0,rxaddr); καθορίζεται η διεύθυνση από όπου θα γίνει η λήψη. Η πρώτη παράμετρος είναι ο αριθμός του καναλιού μετάδοσης δεδομένων (stream), είναι δυνατή η δημιουργία μέχρι 6 καναλιών μετάδοσης που θα αποκρίνονται σε διαφορετικές διευθύνσεις. Η δεύτερη παράμετρος είναι η διεύθυνση από την οποία ο δέκτης θα συλλέξει τα δεδομένα. Στην τελευταία γραμμή της setup() καλείται η μέθοδος radio.startlistening(); με την οποία ενεργοποιείται η λήψη δεδομένων του δέκτη. Από τη στιγμή αυτή ο δέκτης αναμένει τα δεδομένα να αποσταλούν στη συγκεκριμένη διεύθυνση που ορίστηκε προηγουμένως. Η συνάρτηση loop() ξεκινά ελέγχοντας αν έχουν φτάσει δεδομένα στον δέκτη, η μέθοδος radio.available(); επιστρέφει True αν έχουν ληφθεί κάποια δεδομένα αλλιώς False. Αν έχει γίνει λήψη δεδομένων τότε δημιουργείται ένας κενός πίνακας 32 στοιχείων με όνομα text. Προκειμένου να διαβαστούν τα δεδομένα χρησιμοποιείται η μέθοδος radio.read(&text,sizeof (text)); με πρώτη παράμετρο ένα δείκτη της μεταβλητής στην οποία θα αποθηκευτούν τα ληφθέντα δεδομένα και δεύτερη είναι ο αριθμός των δεδομένων προς αποθήκευση. Στο τέλος του προγράμματος αφού τα δεδομένα έχουν ληφθεί αποστέλλονται μέσω της μεθόδου lcd.print(); στην οθόνη LCD που είναι ενσωματωμένη στην συσκευή του δέκτη, προκειμένου να γίνει η προβολή τους. Εισάγεται μια καθυστέρηση 9,5 δευτερολέπτων όπου οι μετρήσεις συνεχίζουν να προβάλλονται και έπειτα γίνεται καθαρισμός της οθόνης με τη μέθοδο lcd.clear(); καθώς κάθε 10 δευτερόλεπτα αναμένονται νέα δεδομένα από τον πομπό. 61

73 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: Συλλογή δεδομένων με UAV μέσω δικτύου αισθητήρων Σαν επέκταση της προηγούμενης υλοποίησης, γίνεται ανάπτυξη ενός δικτύου επικοινωνίας μεταξύ των στοιχείων του υποσυστήματος, με στόχο την ασύρματη συλλογή και αποθήκευση δεδομένων από επίγειους σταθμούς μέσω ενός UAV, Εικόνα 32. Συγκεκριμένα, το υποσύστημα αυτό αποτελείται από δύο επίγειους σταθμούς, μια συσκευή που ενσωματώνεται σε UAV και μια συσκευή για τον χρήστη. Ο πρώτος σταθμός διαθέτει αισθητήρα θερμοκρασίας και υγρασίας του αέρα και ο δεύτερος ελέγχει την υγρασία του εδάφους. Επιπλέον, ο δεύτερος σταθμός έχει τη δυνατότητα να θέσει σε λειτουργία έναν ηλεκτρικό κινητήρα ποτίσματος ανάλογα με τις μετρήσεις του αισθητήρα που διαθέτει και το προβλεπόμενο όριο που έχει οριστεί. Η τρίτη συσκευή ενσωματώνεται πάνω στο UAV για να συλλέγει τα δεδομένα από τους επίγειους σταθμούς, να τα αποθηκεύει τοπικά και να τα αναμεταδίδει στον χρήστη. Σε περίπτωση που το UAV είναι εκτός εμβέλειας και για να μη γίνονται άσκοπες προσπάθειες αποστολής, διακόπτεται κάθε ενέργεια μετάδοσης από τους σταθμούς και μεταβαίνουν σε κατάσταση αναμονής. Τέλος, η τέταρτη συσκευή λαμβάνει τα δεδομένα από το UAV και τα προβάλλει στον χρήστη του υποσυστήματος σε πραγματικό χρόνο. Εικόνα 32: Σενάριο λειτουργίας τηλεπικοινωνιακού υποσυστήματος 62

74 6.1 Τοπολογία δικτύου και διευθυνσιοδότηση Με βάση τη βιβλιοθήκη RF24Network εφαρμόζεται τοπολογία δέντρου στη δικτύωση μεταξύ των κόμβων του υποσυστήματος. Κόμβος βάσης έχει οριστεί ο χρήστης με παιδί τον κόμβο του UAV, που με τη σειρά του έχει παιδιά τους επίγειους σταθμούς. Ο Πίνακας 16 και η Εικόνα 33 παρουσιάζουν την τοπολογία και τη διευθυνσιοδότηση του υποσυστήματος. Πίνακας 16: Διευθυνσιοδότηση δικτύου Διευθύνσεις κόμβων 00 Κόμβος βάσης 01 Επίπεδο Επίπεδο 2 Εικόνα 33: Τοπολογία και διευθυνσιοδότηση υποσυστήματος Θα μπορούσε να εφαρμοστεί τοπολογία δύο επιπέδων όπου κόμβος βάσης θα είναι το UAV και παιδιά του οι υπόλοιποι κόμβοι (χρήστης και επίγειοι σταθμοί). Ωστόσο, επιλέχθηκε η παραπάνω τοπολογία δικτύου για το λόγο του ότι το UAV εκπέμπει ανά τακτά χρονικά διαστήματα ένα σήμα επίτευξης επικοινωνίας. Πρόκειται για ένα σήμα με πολλούς παραλήπτες (multicast) και αφορά τους κόμβους του αμέσως μεγαλύτερου επιπέδου από αυτό του αποστολέα. Αν λοιπόν ο χρήστης βρισκόταν στο ίδιο επίπεδο με τους επίγειους σταθμούς θα λάμβανε ένα μήνυμα που θα είναι άχρηστο γι αυτόν. 63

75 6.2 Καταστάσεις λειτουργίας υποσυστήματος Εικόνα 34: Διάγραμμα λειτουργίας μονάδων υποσυστήματος Στην Εικόνα 34 συνοψίζονται οι παρακάτω λειτουργίες των επιμέρους συσκευών του υποσυστήματος. Ο κόμβος του χρήστη βρίσκεται σε κατάσταση αναμονής, σε περίπτωση που λάβει μήνυμα από το UAV προχωρά στην προβολή του. Ο κόμβος του UAV από τη στιγμή που ενεργοποιηθεί στέλνει ένα μήνυμα ανά ένα ορισμένο χρονικό διάστημα προς τους επίγειους σταθμούς για την επίτευξη επικοινωνίας. Αν δεν λάβει απάντηση και αφού παρέλθει ο ορισμένος χρόνος στέλνει νέο μήνυμα. Αν ληφθεί απάντηση από τους σταθμούς, προσθέτει στο μήνυμα τη χρονική στιγμή της λήψης και προχωρά στην τοπική αποθήκευση και αποστολή του στον χρήστη. Η διαδικασία ξεκινά από την αρχή, τη στιγμή που φτάσει η ώρα εκπομπής νέου σήματος προς τους σταθμούς. Οι κόμβοι των επίγειων σταθμών παραμένουν σε κατάσταση αναμονής μέχρι να λάβουν μήνυμα από το UAV. Τότε ο αισθητήρας του κάθε κόμβου λαμβάνει μια μέτρηση και στη συνέχεια μεταδίδεται προς το UAV. Έπειτα επιστρέφουν σε κατάσταση αναμονής λήψης. 64

76 6.3 Λειτουργία επιμέρους μονάδων υποσυστήματος Χρήστης Η συσκευή του χρήστη διαθέτει ένα Arduino Nano, ένα πομποδέκτη nrf24l01+ και μια οθόνη υγρών κρυστάλλων 16x2 για την προβολή των ληφθέντων δεδομένων. Επίσης είναι δυνατή η προβολή τους σε ηλεκτρονικό υπολογιστή. Τροφοδοτείται από μπαταρία ή από υπολογιστή. Η συνδεσμολογία παρουσιάζεται στην Εικόνα 35 και στον Πίνακα 17. Εικόνα 35: Συνδεσμολογία συσκευής χρήστη Μονάδα Arduino Nano Πίνακας 17: Συνδέσεις ακροδεκτών συσκευής χρήστη Ακροδέκτες 5V GND D9 D10 D11 D12 D13 A4 A5 nrf24l01+ Vcc GND CE CSN MOSI MISO SCK X LCD 16x2 Vcc GND X SDA SCL 65

77 Ο κώδικας για τη λειτουργία της συσκευής του χρήστη είναι: Εικόνα 36: Πηγαίος κώδικας συσκευής χρήστη Οι γραμμές 1~5 του προγράμματος συμπεριλαμβάνουν τις απαραίτητες βιβλιοθήκες για τη λειτουργία των επιμέρους μονάδων του υποσυστήματος. [42] Στη γραμμή 7 δημιουργείται το αντικείμενο radio με παραμέτρους τους ακροδέκτες που θα λειτουργήσουν ως CE και CSN αντίστοιχα για τον πομποδέκτη. 66

78 Στις γραμμές 9~11, κατασκευάζεται το δίκτυο με παράμετρο το αντικείμενο radio που αφορά τον πομποδέκτη. Ορίζονται οι διευθύνσεις των κόμβων του χρήστη και του UAV αντίστοιχα. Στη γραμμή 13 κατασκευάζεται το αντικέιμενο lcd που δέχεται παραμέτρους την I 2 C διεύθυνση και τους αριθμούς των ακίδων της διεπαφής. Ακολουθεί η συνάρτηση setup() (γραμμές 15-29) κατά την οποία ενεργοποιούνται τα αντικείμενα που δημιουργήθηκαν μαζί με κάποιες παραμέτρους. Το αντικείμενο lcd δέχεται ως παραμέτρους τον αριθμό στηλών και γραμμών της οθόνης και εμφανίζει στην οθόνη ένα μήνυμα για 1,5 δευτερόλεπτα. Στη συνέχεια, ενεργοποιείται η σύνδεση SPI που μέσω αυτής είναι δυνατή η επικοινωνία με τον πομποδέκτη και η ενεργοποίηση αυτού μέσω της εντολής radio.begin(). Έπειτα ορίζονται δύο παράμετροι για τον πομποδέκτη, πρώτα ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων και μετά το επίπεδο ισχύος του ενισχυτή. Τέλος ενεργοποιείται το δίκτυο με παραμέτρους το κανάλι μετάδοσης και τη διεύθυνση του κόμβου. Οι υπόλοιπες γραμμές αφορούν την συνάρτηση loop() (γραμμές 31~45) όπου αρχικά γίνεται έλεγχος του δικτύου και αν υπάρχει κάτι διαθέσιμο για λήψη τότε το λαμβάνει και το προβάλει στην οθόνη. UAV Η συσκευή που ενσωματώνεται πάνω στο UAV διαθέτει ένα Arduino Nano, ένα πομποδέκτη, μια μονάδα αποθήκευσης σε κάρτα μνήμης SD και μια μονάδα παρακολούθησης του πραγματικού χρόνου. Η συνδεσμολογία παρουσιάζεται στην Εικόνα 37 και στον Πίνακα 18. Εικόνα 37: Συνδεσμολογία συσκευής UAV 67

79 Μονάδα Arduino Nano Πίνακας 18: Συνδέσεις ακροδεκτών συσκευής UAV Ακροδέκτες 5V GND D8 D9 D10 D11 D12 D13 A4 A5 nrf24l01+ Vcc GND X CE CSN MOSI MISO SCK X SD module Vcc GND CS X MOSI MISO SCK X RTC module Vcc GND Χ SDA SCL Ο κώδικας για τη λειτουργία της συσκευής του UAV είναι: Εικόνα 38: Πηγαίος κώδικας συσκευής UAV- γραμμές 1 έως 23 Οι γραμμές 1~6 του προγράμματος συμπεριλαμβάνουν τις απαραίτητες βιβλιοθήκες για τη λειτουργία των επιμέρους μονάδων του υποσυστήματος. Στη γραμμή 8 δημιουργείται το αντικείμενο radio με παραμέτρους τους ακροδέκτες που θα λειτουργήσουν ως CE και CSN αντίστοιχα για τον πομποδέκτη. Στις γραμμές 10~14, κατασκευάζεται το δίκτυο με παράμετρο το αντικείμενο radio που αφορά τον πομποδέκτη. Ορίζονται οι διευθύνσεις των κόμβων του χρήστη, του UAV και των επίγειων σταθμών 1 και 2 αντίστοιχα. 68

80 Στη γραμμή 16 ορίζεται το χρονικό διάστημα αποστολής σε ms και στη 17 ορίζεται η μεταβλητή για την αποθήκευση της χρονικής στιγμής της τελευταίας αποστολής. Η γραμμή 19 περιέχει την κατασκευή του αντικειμένου dt που δέχεται τον χρόνο και την ημερομηνία για τη ρύθμιση του ρολογιού πραγματικού χρόνου. Στις γραμμές 21 και 22 επιλέγεται ως CS ο ακροδέκτης 8 για τη μονάδα αποθήκευσης και δημιουργείται το αντικείμενο data. Εικόνα 39: Πηγαίος κώδικας συσκευής UAV- γραμμές 24 έως 53 Ακολουθεί η συνάρτηση gettime() (γραμμές 24~38) η οποία αφού κληθεί επιστρέφει την ώρα, τα λεπτά και τα δευτερόλεπτα του πραγματικού χρόνου. Έπειτα είναι ο ορισμός της συνάρτησης savetosd() που παίρνει ως παράμετρο ένα αλφαριθμητικό και το αποθηκεύει στην κάρτα μνήμης. 69

81 Εικόνα 40: Πηγαίος κώδικας συσκευής UAV- γραμμές 54 έως 83 Στις γραμμές 54~69 είναι η συνάρτηση setup() κατά την οποία ενεργοποιούνται οι βιβλιοθήκες και τα αντικείμενα που δημιουργήθηκαν μαζί με κάποιες παραμέτρους. Η βιβλιοθήκη Wire για την ενεργοποίηση της σύνδεσης I 2 C του ρολογιού και η SD με παράμετρο τον ακροδέκτη CS που ορίστηκε προηγουμένως. Στη συνέχεια, ενεργοποιείται η σύνδεση SPI που μέσω αυτής είναι δυνατή η επικοινωνία με τον πομποδέκτη και η ενεργοποίηση αυτού μέσω της εντολής radio.begin(). Έπειτα ορίζονται δύο παράμετροι για τον πομποδέκτη, πρώτα ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων και μετά το επίπεδο ισχύος του ενισχυτή. Τέλος ενεργοποιείται το δίκτυο με παραμέτρους το κανάλι μετάδοσης και τη διεύθυνση του κόμβου. Προκειμένου να ενημερωθεί η μονάδα του ρολογιού με την τρέχουσα ημερομηνία και ώρα θα πρέπει να αποσχολιαστεί η γραμμή 68 και να φορτωθεί ο κώδικας στον μικροελεγκτή. Ωστόσο, θα πρέπει να δοθεί προσοχή στο ότι μετά την επιτυχή ενημέρωση του ρολογιού, θα πρέπει να σχολιαστεί ξανά η γραμμή και να φορτωθεί εκ νέου το πρόγραμμα στο Arduino. Ο λόγος που πρέπει να ακολουθηθεί αυτή η διαδικασία είναι ότι σε κάθε επανεκκίνηση της πλατφόρμας η μονάδα του RTC θα παίρνει τις τιμές που ορίστηκαν προηγουμένως στην γραμμή 19 με συνέπεια τη λανθασμένη καταγραφή του χρόνου. 70

82 Εικόνα 41: Πηγαίος κώδικας συσκευής UAV- γραμμές 84 έως 108 Οι γραμμές 71~108 περιέχουν την συνάρτηση loop(). Αρχικά γίνεται έλεγχος του δικτύου (72) και στην γραμμή 74 αποθηκεύεται στη μεταβλητή now η τιμή της συνάρτησης millis(). Η κλήση της συνάρτησης millis() επιστρέφει την τιμή σε ms από τότε που ξεκίνησε η λειτουργία της μονάδας του Arduino. Στην γραμμή 75 ελέγχεται η συνθήκη για το αν η τιμή της διαφοράς των μεταβλητών now και last_sent είναι μεγαλύτερη ή ίση της τιμής της μεταβλητής interval. Αν είναι αληθής η συνθήκη τότε η μεταβλητή last_sent λαμβάνει νέα τιμή, την τρέχουσα χρονική διάρκεια λειτουργίας του υποσυστήματος. Έπειτα στις γραμμές 80~82 στέλνεται ένας χαρακτήρας ως μήνυμα με αποδέκτες τις συσκευές του επιπέδου 2 του δικτύου. Η γραμμή 90 ελέγχεται αν υπάρχει κάποιο πακέτο δεδομένων διαθέσιμο για λήψη. Αν ισχύει τότε διαβάζει και αποθηκεύει σε ένα πίνακα χαρακτήρων το λαμβανόμενο μήνυμα. Στις γραμμές 95 και 96 λαμβάνεται η τρέχουσα ώρα και προστίθεται στο ληφθέν μήνυμα. Τέλος το μήνυμα που έχει ληφθεί από ένα επίγειο σταθμό μαζί με την ώρα λήψης του αποθηκεύεται στην κάρτα μνήμης (102) και στη γραμμή 105 αποστέλλεται προς το σύστημα του χρήστη. 71

83 Επίγειος σταθμός 1 Ο πρώτος σταθμός διαθέτει ένα αισθητήρα για την μέτρηση της θερμοκρασίας και της υγρασίας του αέρα, ένα nrf24l01+ και ένα Arduino Uno. Παραμένει σε κατάσταση αναμονής μέχρι να λάβει μήνυμα από το UAV ώστε να του αποστείλει τις μετρήσεις του αισθητήρα. Η συνδεσμολογία παρουσιάζεται στην Εικόνα 42 και στον Πίνακα 19. Εικόνα 42: Συνδεσμολογία συσκευής επίγειου σταθμού 1 Μονάδα Arduino Uno Πίνακας 19: Συνδέσεις ακροδεκτών επίγειου σταθμού 1 Ακροδέκτες 5V GND D3 D9 D10 D11 D12 D13 nrf24l01+ Vcc GND X CE CSN MOSI MISO SCK Dht11 Vcc GND DATA X 72

84 Ο κώδικας για τη λειτουργία της συσκευής του επίγειου σταθμού 1 είναι: Εικόνα 43: Πηγαίος κώδικας επίγειου σταθμού 1 - γραμμές 1 έως 28 Οι γραμμές 1~4 του προγράμματος συμπεριλαμβάνουν τις απαραίτητες βιβλιοθήκες για τη λειτουργία των επιμέρους μονάδων του υποσυστήματος. Στη γραμμή 6 δημιουργείται το αντικείμενο radio με παραμέτρους τους ακροδέκτες που θα λειτουργήσουν ως CE και CSN αντίστοιχα για τον πομποδέκτη. Στις γραμμές 8~10, κατασκευάζεται το δίκτυο με παράμετρο το αντικείμενο radio που αφορά τον πομποδέκτη. Ορίζονται οι διευθύνσεις των κόμβων του επίγειου σταθμού 1 και του UAV. Μετά ορίζεται ο ακροδέκτης από όπου θα συλλέγονται οι μετρήσεις του αισθητήρα (12) και στην γραμμή 13 κατασκευάζεται το αντικείμενο DHT το οποίο θα καλείται κάθε φορά που θα γίνεται μέτρηση. Στις γραμμές 15,16 ορίζονται δύο μεταβλητές για την αποθήκευση των μετρήσεων του αισθητήρα. 73

85 Ακολουθεί η συνάρτηση setup() (γραμμές 18-27) κατά την οποία ενεργοποιούνται τα αντικείμενα που δημιουργήθηκαν μαζί με κάποιες παραμέτρους. Ενεργοποιείται η σύνδεση SPI που μέσω αυτής είναι δυνατή η χρήση του πομποδέκτη και η ενεργοποίηση αυτού μέσω της εντολής radio.begin(). Έπειτα ορίζονται δύο παράμετροι για τον πομποδέκτη, πρώτα ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων και μετά το επίπεδο ισχύος του ενισχυτή. Τέλος ενεργοποιείται το δίκτυο με παραμέτρους το κανάλι μετάδοσης και τη διεύθυνση του κόμβου. Εικόνα 44: Πηγαίος κώδικας επίγειου σταθμού 1 - γραμμές 29 έως 55 Στις γραμμές 29~55 βρίσκεται η συνάρτηση loop(), ξεκινά με έλεγχο του δικτύου και αν υπάρχει μήνυμα διαθέσιμο για λήψη το διαβάζει. Στη συνέχεια συλλέγει τις μετρήσεις θερμοκρασίας και υγρασίας και τις αποθηκεύει μαζί σε ένα αλφαριθμητικό (40). Τέλος αφού αποθηκεύσει την τιμή του αλφαριθμητικού σε ένα πίνακα χαρακτήρων προχωρά στην αποστολή των δεδομένων στον κόμβο του UAV (γραμμή 49). 74

86 Επίγειος σταθμός 2 Ο δεύτερος επίγειος σταθμός αποτελείται από ένα Arduino Uno, ένα πομποδέκτη nrf24l01+, ένα αισθητήρα υγρασίας εδάφους και έναν ηλεκτρονόμο (relay) για τον έλεγχο ενός ηλεκτρικού κινητήρα που απαιτεί τάση τροφοδοσίας 220 V AC. Αν το UAV βρεθεί εντός της εμβέλειας του σταθμού τότε ο σταθμός στέλνει προς αυτό το ποσοστό της υγρασίας καθώς και την κατάσταση της συσκευής, αν είναι ενεργή ή όχι. Σε περίπτωση που δεν λαμβάνει από το UAV κάποιο μήνυμα, σταματά τη διαδικασία εκπομπής όμως δεν μεταβαίνει σε κατάσταση αναμονής. Συνεχίζει την εποπτεία των τιμών της υγρασίας και ανάλογα προχωρά σε ενεργοποίηση και απενεργοποίηση του ηλεκτρικού κινητήρα. Η συνδεσμολογία παρουσιάζεται στην Εικόνα 45 και στον Πίνακα 20. Εικόνα 45: Συνδεσμολογία επίγειου σταθμού 2 75

87 Μονάδα Arduino Uno Πίνακας 20: Συνδέσεις ακροδεκτών επίγειου σταθμού 2 Ακροδέκτες 5V GND D7 D9 D10 D11 D12 D13 A0 X nrf24l01+ Vcc GND X CE CSN MOSI MISO CSK X Soil moisture sensor Relay module Power plug Vcc GND X DATA X Vcc (diode anode) GND IN1 X C X NC X 220V (+) 220V (-) Motor X - + X Ο κώδικας για τη λειτουργία της συσκευής του επίγειου σταθμού 2 είναι: Εικόνα 46: Πηγαίος κώδικας επίγειου σταθμού 2 - γραμμές 1 έως 22 Οι γραμμές 1~3 του προγράμματος συμπεριλαμβάνουν τις απαραίτητες βιβλιοθήκες για τη λειτουργία των επιμέρους μονάδων του υποσυστήματος. 76

88 Στην γραμμή 5 δημιουργείται το αντικείμενο radio με παραμέτρους τους ακροδέκτες που θα λειτουργήσουν ως CE και CSN αντίστοιχα για τον πομποδέκτη. Στις γραμμές 7~9, κατασκευάζεται το δίκτυο με παράμετρο το αντικείμενο radio που αφορά τον πομποδέκτη. Ορίζονται οι διευθύνσεις των κόμβων του επίγειου σταθμού 2 και του UAV. Μετά ορίζεται ο ακροδέκτης από όπου θα συλλέγονται οι μετρήσεις του αισθητήρα (11), ενώ στην 12 ορίζεται ο ακροδέκτης χειρισμού της μονάδας του ηλεκτρονόμου και στη γραμμή 13 μια μεταβλητή όπου θα αποθηκεύονται κάθε φορά οι μετρήσεις του αισθητήρα. Στις γραμμές 14 και 15 ορίζονται δύο αλφαριθμητικά για την αποθήκευση της τιμής του ποσοστού του αισθητήρα και της κατάστασης της μονάδας του ηλεκτρονόμου αντίστοιχα. Ακολουθεί ο ορισμός της συνάρτησης converttopercent() (γραμμές 17~21), η οποία δέχεται ως παράμετρο την αναλογική τιμή του αισθητήρα (0~1023) και τη μετατρέπει σε ποσοστό επί της εκατό, επιστρέφοντας την τιμή του ποσοστού. Εικόνα 47: Πηγαίος κώδικας επίγειου σταθμού 2 - γραμμές 23 έως 49 77

89 Στις γραμμές 23~33 βρίσκεται η συνάρτηση setup() κατά την οποία ενεργοποιούνται τα αντικείμενα που δημιουργήθηκαν μαζί με κάποιες παραμέτρους. Ενεργοποιείται η σύνδεση SPI που μέσω αυτής είναι δυνατή η χρήση του πομποδέκτη και η ενεργοποίηση αυτού μέσω της εντολής radio.begin(). Έπειτα ορίζονται δύο παράμετροι για τον πομποδέκτη, πρώτα ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων και μετά το επίπεδο ισχύος του ενισχυτή. Τέλος ενεργοποιείται το δίκτυο με παραμέτρους το κανάλι μετάδοσης και τη διεύθυνση του κόμβου και ορίζεται ο ακροδέκτης χειρισμού της μονάδας του ηλεκτρονόμου ως έξοδος. Η συνάρτηση loop() (γραμμές 35~68) ξεκινάει με έλεγχο της κατάστασης του δικτύου. Έπειτα συλλέγεται η τιμή του αισθητήρα και μετατρέπεται σε ποσοστό. Ελέγχεται αν η τιμή του ποσοστού και ανάλογα με το ορισμένο όριο απόφασης ενεργοποιείται ή όχι o κινητήρας. Εικόνα 48: Πηγαίος κώδικας επίγειου σταθμού 2 - γραμμές 50 έως 68 Τέλος, αν είναι διαθέσιμη η επικοινωνία με το UAV αποστέλεται η τιμή του ποσοστού της ληφθείσας μέτρησης του αισθητήρα μαζί με την κατάσταση λειτουργίας της μονάδας του ηλεκτρονόμου. Τα προγράμματα και των τεσσάρων επιμέρους συσκευών διαθέτουν κομμάτια σχολιασμένου κώδικα (//Serial.print()). Σε περίπτωση σύνδεσης κάποιας μονάδας σε οθόνη και αποσχολιασμού του συγκεκριμένου κώδικα είναι δυνατός ο έλεγχος και η αποσφαλμάτωση της λειτουργίας της. 78

90 6.4 Κόστος υλοποίησης υποσυστήματος Πίνακας 21: Ποσότητα και κόστος επιμέρους μονάδων Μονάδα Ποσότητα Τιμή 1 Arduino Uno Original Arduino Uno Compatible Arduino Nano Compatible nrf24l nrf24l01+ PA & LNA Socket adapter for nrf24l Prototyping shield DHT11 sensor Hygrometer and moisture module LCD 16x2 I 2 C module V Relay module DS3231 RTC module SD card reader module SD card 4GB Power bank 2200 mah V battery V battery connector USB cables Wires (M/F, F/F, jumper) Σύνολο Το κόστος υλοποίησης αφορά τα μέρη του τηλεπικοινωνιακού υποσυστήματος, δεν συμπεριλαμβάνεται το κόστος του UAV και του ηλεκτρικού κινητήρα. 79

91 6.5 Προβλήματα Λύσεις Κατά την ανάπτυξη και του υποσυστήματος επικοινωνίας παρουσιάστηκαν δύο προβλήματα σχετικά με το υλικό του μέρος. Το κυριότερο πρόβλημα που παρατηρήθηκε είχε να κάνει με τη σύνδεση του πομποδέκτη nrf24l01+ και της πλατφόρμας του Arduino. Λόγω της ιδιαιτερότητας του πομποδέκτη να λειτουργεί στα 3.3 V και των ακροδεκτών του Arduino να παρέχουν τάση ίση με 5 V για το λογικό 1, η μονάδα του πομποδέκτη παρουσίαζε προβλήματα κατά τη μετάδοση, υπερθέρμανση και υπήρχε κίνδυνος να προκληθεί ζημιά. Η λύση στο παραπάνω πρόβλημα δόθηκε μέσω ενός προσαρμογέα τάσης, ο οποίος ενσωματώνεται πάνω στον πομποδέκτη και στη συνέχεια συνδέεται στην πλακέτα του Arduino. Ο προσαρμογέας μετατρέπει την τάση του ρεύματος που δέχεται από 5 V σε 3.3 V και έπειτα το διοχετεύει στον πομποδέκτη, επιπλέον διαθέτει πυκνωτές που συμβάλλουν στην ομαλή λειτουργία του πομποδέκτη. Ένα δεύτερο πρόβλημα αφορούσε και πάλι την τροφοδοσία, αυτή τη φορά της συσκευής του πομπού. Ο τρόπος με τον οποίο γινόταν η παροχή ρεύματος στο σύστημα προκαλούσε πρόβλημα στη μονάδα της κάρτας SD με αποτέλεσμα οι μετρήσεις να μην αποθηκεύονται και αντί αυτών στην κάρτα μνήμης να εγγράφονται δεδομένα σε μη αναγνώσιμη μορφή. Η αλλοίωση των δεδομένων παρατηρήθηκε όταν για την τροφοδοσία της συσκευής γινόταν χρήση της υποδοχής των 2.1 mm και όχι της θύρας USB. Αρχικά για την παροχή ρεύματος αλλά και τη φόρτωση του κώδικα ο πομπός και ο δέκτης ήταν συνδεδεμένοι στον ηλεκτρονικό υπολογιστή σε απόσταση μερικών εκατοστών. Ωστόσο, για να έχει σημασία το τηλεπικοινωνιακό υποσύστημα, θα πρέπει ο πομπός να έχει κάποια απόσταση από το δέκτη, άρα και διαφορετική παροχή ρεύματος και ο δέκτης να βρίσκεται συνδεδεμένος στον υπολογιστή για την εμφάνιση των μετρήσεων. Έγιναν δοκιμές με μετασχηματιστή (5 V, 1 A) και μπαταρίας (9 V) με αποτέλεσμα τη μη ορθή αποθήκευση των μετρήσων στην κάρτα μνήμης. Τέλος, το πρόβλημα αντιμετωπίστηκε με την σύνδεση μιας μπαταρίας (powerbank, 2200 mah, 5 V, 1 A) στη θύρα USB του Arduino πομπού, η οποία έδωσε επιπλέον τη δυνατότητα φορητότητας του πομπού. 80

92 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7: Χρήση υποσυστημάτων 7.1 Δοκιμή απλού τηλεπικοινωνιακού υποσυστήματος Για το πρώτο υποσύστημα που αναπτύχθηκε, πραγματοποιήθηκαν δοκιμές σε εξωτερικό χώρο σε αγροτική περιοχή. Ο πομπός τοποθετήθηκε σε ύψωμα και στη συνέχεια έγιναν λήψεις από διάφορα σημεία μέχρι την απόσταση των 4.22 χιλιομέτρων, όπως διακρίνεται από την Εικόνα 49 και τον Πίνακα 22. Παρατηρήθηκε αδυναμία λήψης μόνο σε σημεία που ο δέκτης δεν βρισκόταν σε οπτική επαφή (LoS) με τον πομπό. Εικόνα 49: Περιοχή δοκιμής Πίνακας 22: Γεωγραφικά στοιχεία δοκιμής Απόσταση από τον πομπό (m) Υψομετρική διαφορά από το επίπεδο της θάλασσας (m) Πομπός Λήψη Λήψη 2 1, Λήψη 3 1, Λήψη 4 2, Λήψη 5 4, Γεωγραφικές συντεταγμένες 39 18'11.29"N, 26 13'15.03"E 39 17'45.74"N, 26 12'59.18"E 39 17'30.67"N, 26 13'21.10"E 39 17'8.51"N, 26 13'18.29"E 39 16'40.47"N, 26 13'23.24"E 39 15'57.34"N, 26 12'39.47"E 81

93 Η απόσταση των 4.22 χιλιομέτρων δεν αποτελεί την εμβέλεια του υποσυστήματος, καθώς λόγω της μορφολογίας του εδάφους της περιοχής, ο δέκτης δεν βρίσκεται σε line of sight με το σημείο που είναι τοποθετημένος ο πομπός πέραν της συγκεκριμένης απόστασης. Τεχνικά χαρακτηριστικά καναλιού επικοινωνίας Ο πομπός ρυθμίστηκε να εκπέμπει με τη μέγιστη δυνατή ισχύ, στα +20 dbm και ο ρυθμός μετάδοσης στο κανάλι ορίστηκε στα 250 kbps, με συνέπεια η ευαισθησία του δέκτη να φτάνει τα -104 dbm, όπως αναφέρεται στον Πίνακα 10 του Κεφαλαίου 3, σύμφωνα με τον κατασκευαστή του πομποδέκτη. Επίσης, έγινε επιλογή του καναλιού 76, δηλαδή η συχνότητα GHz, που υπολογίζεται μέσω του τύπου F 0 = RF_CH [MHz]. Εικόνα 50: Μετρηθείσες τιμές κατά την δοκιμή του υποσυστήματος Τα στοιχεία της Εικόνας 50, λήφθηκαν κατά τη διάρκεια της δοκιμής του υποσυστήματος. Αποθηκεύθηκαν στην κάρτα μνήμης του πομπού σε ένα αρχείο κειμένου (.txt), μετά το τέλος της δοκιμής τα δεδομένα μεταφέρθηκαν σε έναν ηλεκτρονικό υπολογιστή. Με την εισαγωγή τους σε ένα υπολογιστικό φύλλο (excel) ήταν δυνατή η επεξεργασία και η οπτικοποίηση τους. 82

94 7.2 Δοκιμή δικτύου αισθητήρων σε συνεργασία με UAV Η δοκιμή του υποσυστήματος έγινε στον αύλειο χώρο της σχολής. Οι τρεις επίγειες συσκευές (χρήστη, επίγειου σταθμού 1 και 2) τοποθετήθηκαν στο ίδιο επίπεδο, σε απόσταση μεταξύ τους, η οποία φαίνεται στην Εικόνα 51 και στον Πίνακα 23. Η μονάδα του επίγειου σταθμού 1 τοποθετήθηκε πίσω από το κτήριο της σίτισης της σχολής, ύψους περίπου 5 μέτρων, κάνοντας αδύνατη την οπτική επαφή με τις υπόλοιπες επίγειες μονάδες. Το UAV με ενσωματωμένη σε αυτό την συσκευή συλλογής και αναμετάδοσης δεδομένων, τοποθετήθηκε για απογείωση σε σημείο πλησίον του χρήστη. Εικόνα 51: Τοποθεσία επίγειων μονάδων στον χώρο δοκιμής Πίνακας 23: Γεωγραφικά στοιχεία επιμέρους μονάδων κατά τη δοκιμή Επίγειες μονάδες Απόσταση από τον χρήστη (m) Γεωγραφικές συντεταγμένες Συσκευή χρήστη '36.78"N, 22 22'18.88"E Επίγειος σταθμός '36.68"N, 22 22'16.78"E Επίγειος σταθμός '36.54"N, 22 22'20.01"E Η απόσταση ανάμεσα στους δύο σταθμούς είναι μέτρα. Όλα τα γεωγραφικά στοιχεία και οι σχετικές εικόνες έχουν ληφθεί από τις εφαρμογές Google Maps και Google Earth. 83

95 Τεχνικά χαρακτηριστικά καναλιού επικοινωνίας Η συχνότητα μετάδοσης των δεδομένων του δικτύου ορίστηκε στα GHz επιλέγοντας το κανάλι 108 μέσω του προγράμματος που φορτώθηκε στις συσκευές. Ο λόγος επιλογής της συγκεκριμένης συχνότητας είχε σκοπό την αποφυγή παρεμβολών με το σύστημα χειρισμού του UAV, που λειτουργεί σε συχνότητα 2.4 GHz. Επίσης, ορίστηκε ο ρυθμός μετάδοσης του καναλιού στα 250 kbps, με αποτέλεσμα η ευαισθησία δέκτη να φτάνει τα -94 dbm για τις συσκευές με τον απλό πομποδέκτη (επίγειοι σταθμοί) και τα -104 dbm για τη συσκευή του UAV και του χρήστη. Η ισχύς εκπομπής ρυθμίστηκε στη μέγιστη δυνατή τιμή, +20 dbm για τους πομποδέκτες με ενισχυμένα χαρακτηριστικά και 0 dbm για τους απλούς. Η ευαισθησία των δεκτών καθώς και οι ισχύες εκπομπής αναφέρονται σύμφωνα με το εγχειρίδιο του κατασκευαστή στους Πίνακες 9 και 10 του τρίτου κεφαλαίου. Εικόνα 52: Πορεία του UAV σε σχέση με τις επίγειες μονάδες Στην Εικόνα 52 φαίνεται η πορεία που ακολούθησε το UAV. Το διάστημα από την απογείωση του UAV έως και τα 20 μέτρα ύψος, παρατηρήθηκε λήψη δεδομένων μόνο από τον επίγειο σταθμό 2. Το UAV κινήθηκε προς τον σταθμό 1, αυξάνοντας το ύψος πτήσης του στα 35 μέτρα, στο διάστημα αυτό παρουσιάστηκε αδυναμία επικοινωνίας και με τους δύο σταθμούς. Στη συνέχεια, πετώντας σε υψόμετρο από 40 έως 60 μέτρα πραγματοποιήθηκαν λήψεις και από τους δύο σταθμούς, με μερικές απώλειες επικοινωνίας από τον σταθμό 1. Κατά το διάστημα πτήσης, με πορεία προς τον επίγειο σταθμό 2, αυξάνοντας σταδιακά από 65 μέχρι 100 μέτρα το ύψος του, το UAV είχε σταθερή επικοινωνία και με τις τρεις επίγειες συσκευές, συλλέγοντας 84

96 δεδομένα από τους σταθμούς και προωθώντας τα στον χρήστη. Η επικοινωνία παρέμεινε και κατά την κάθοδο του UAV από τα 100 έως τα 55 μέτρα ύψος. Έπειτα, ενώ το ύψος του UAV ήταν 50 μέτρα από το μέρος που βρισκόταν η συσκευή του χρήστη, χάθηκε η επικοινωνία με τον σταθμό 1 μέχρι και το τέλος της πτήσης. Η Εικόνα 53 παρουσιάζει τις λήψεις από τους επίγειους σταθμούς κατά την πτήση του UAV. Εικόνα 53: Λήψεις από τους επίγειους σταθμούς σε σχέση με το ύψος πτήσης του UAV 7.3 Παρατηρήσεις Σαν ένα γενικό συμπέρασμα από τις δοκιμές, προκύπτει το γεγονός ότι και στις δύο περιπτώσεις των υποσυστημάτων, παρατηρείται αδυναμία επικοινωνίας όταν οι επιμέρους μονάδες τους δεν έχουν οπτική επαφή (LoS) μεταξύ τους. Ειδικότερα για το δεύτερο υποσύστημα, διαπιστώνεται ότι κατά την πτήση του UAV σε χαμηλό ύψος υπήρχαν απώλειες επικοινωνίας με τις επίγειες μονάδες. Οι πομποδέκτες nrf24l01+ έχουν τη δυνατότητα της μεταξύ τους ασύρματης σύνδεσης ακόμα και σε μεγάλες αποστάσεις, όπως τα 4,22 χιλιόμετρα, με μικρή κατανάλωση ισχύος. Ωστόσο, αδυνατούν να επικοινωνήσουν όταν μεταξύ τους παρεμβάλλονται φυσικά εμπόδια όπως κτίρια και βουνά. Στη συγκεκριμένη περίπτωση, αυτό έγινε εμφανές όταν το UAV ανέβηκε σε ύψος αρκετό ώστε να έχει σταθερή οπτική επαφή με όλες τις επίγειες μονάδες, με συνέπεια η λήψη δεδομένων από τους σταθμούς και η αποστολή τους στον χρήστη να πραγματοποιείται χωρίς πρόβλημα. 85

97 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑΤΑ 1. Διαμόρφωση εύρους παλμού (PWM) Στο κεφάλαιο 2 σχετικά με την πλατφόρμα Arduino, αναφέρθηκε ότι μερικοί από τους ψηφιακούς ακροδέκτες του μπορούν να λειτουργήσουν και ως ψευδοαναλογικές έξοδοι PWM. Η διαμόρφωση εύρους παλμών (Pulse Width Modulation) είναι μια τεχνική για την εξαγωγή αναλογικών αποτελεσμάτων από ψηφιακούς παλμούς. Με την PWM παράγονται ψηφιακοί παλμοί μεταβλητού πλάτους με εύρος από 0V έως 5 V. Η διάρκεια του παλμού στα 5 V ορίζεται σαν το πλάτος του παλμού και το ποσοστό του πλάτους του παλμού σε μια περίοδο καλείται κύκλος λειτουργίας (duty cycle). Το Arduino παρέχει τη δυνατότητα μεταβολής του κύκλου λειτουργίας των παλμών στις εξόδους των PWM ακροδεκτών. Η λειτουργία αυτή είναι εξαιρετικά χρήσιμη, για παράδειγμα μεταβάλλοντας τον κύκλο λειτουργίας ενός led η φωτεινότητα του αλλάζει, όπως θα γινόταν αν ήταν συνδεδεμένο σε αναλογική τάση μεταξύ 0 και 5 V. Εικόνα 54: Διαμόρφωση εύρους παλμού Στο παραπάνω γράφημα, οι πράσινες γραμμές αντιπροσωπεύουν μια κανονική χρονική περίοδο, η οποία είναι το αντίστροφο της συχνότητας PWM. Δηλαδή, με PWM συχνότητα περίπου στα 500 Hz οι πράσινες γραμμές θα φθάσουν στα 2 milliseconds η κάθε μια. Με κλήση της συνάρτησης analogwrite() σε κλίμακα από 0 έως 255, για παράδειγμα η συνάρτηση analogwrite(255) απαιτεί κύκλο λειτουργίας σε ποσοστό 100% (δηλαδή συνεχώς ενεργό) και η analogwrite(127) θα έχει ποσοστό 50% (ενεργό το μισό χρόνο). [43] 86