ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΑΝΑΤΟΛΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΚΑΙ ΘΡΑΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε.

Transcript

1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΑΝΑΤΟΛΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΚΑΙ ΘΡΑΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΙΣΙΝΑΣ ΜΕΣΩ ΙΝΤΕΡΝΕΤ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ARDUINO ΣΕ ΕΙΚΟΝΙΚΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ LABVIEW CONTROL OF SWIMMING POOL VIA INTERNET WITH USE OF ARDUINO AND GRAPHICAL ENVIROMENT OF LABVIEW ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΑ ΣΠΟΥΔΑΣΤΩΝ: ΑΓΓΕΛΙΔΗΣ ΒΙΚΤΩΡ 4892 ΠΑΤΕΣ ΑΛΕΞΑΝΔΡΟΣ 4894 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΚΟΓΙΑΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ ΚΑΒΑΛΑ 2014

2 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η επιλογή του θέματος της εργασίας έγινε με κριτήριο την περιέργεια και την πρόκληση να επεξεργαστούμε το λογισμικό του Labview και την πλατφόρμα του Arduino. Η εκπόνηση της πτυχιακής εργασίας μας έδωσε την δυνατότητα να έρθουμε σε επαφή με το λογισμικό του Labview, ένα γραφικό περιβάλλον προγραμματισμού που δεν χειρίζεται κώδικα, αλλά γραφικά αντικείμενα Επίσης, έγινε μια πρώτη γνωριμία με την πλατφόρμα του Arduino. Ιδιαίτερα σημαντικός ήταν ο συνδυασμός των δυο παραπάνω, μέσω του οποίου μπορούν να δημιουργηθούν πολλές εφαρμογές γρήγορα και απλά, χωρίς την προϋπόθεση να πρέπει να γραφτεί κάποιος κώδικας. Τέλος, το πιο σημαντικό είναι ότι δεν χρειάζονται ιδιαίτερες γνώσεις προγραμματισμού. Σκοπός λοιπόν της εργασίας είναι η δημιουργία ενός προγράμματος μέσω του Labview το οποίο θα αλληλεπιδρά με το Arduino. Για την πραγματοποίηση αυτου του στόχου χρειάστηκε να αξιοποιηθούν όλες οι δεξιότητες και οι επιστημονικές γνώσεις που αποκτήθηκαν κατά την διάρκεια των σπουδών μας. Καθώς η εργασία ήταν ομαδική χρειάστηκε μεθοδική εργασία, συνεργασία, συνδυαστική σκέψη και απο τις δυο πλευρες. Και βεβαίως την υποστήριξη του επιβλέπων καθηγητή μας. Μέσω του θέματος που επιλέχθηκε δώθηκε η δυνατότητα να διερευνηθεί σε βάθος ένα θέμα που εστιάζει στον τομέα της ηλεκτρολογίας και συνδυάζει διάφορες πτυχές.

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα πτυχιακή εστιάζει στον γραφικό προγραμματισμό του Labview και στην αλληλεπίδραση με την πλατφόρμα ανοιχτού κώδικα Arduino, ώστε να δημιουργηθεί ένα πρόγραμμα το οποίο θα ελέγχει τα φορτία μιας πισίνας και θα εμφανίζει ενδέιξεις για την λειτουργία της πισίνας. Πιο συγκεκριμένα, επιλέχθηκε να γίνει καταγραφή της στάθμης του νερού της κολυμβητικής δεξαμενής και καταγραφή της θερμοκρασίας του νερού. Επιπλέον,θα ελέγχονται η αντλία που είναι υπεύθυνη για την ανακυκλοφορία του νερού, ο φωτισμός, αλλά και ο οπλισμός ενός αισθητηρίου με σκοπό να δημιουργηθεί ένα σύστημα συναγερμού με ηχητική ειδοποίηση. Τέλος, έχει προστεθεί και η επιλογή του απομακρυσμένου ελέγχου μέσω του διαδικτύου ώστε ο χρήστης να αλληλεπιδρά με την εφαρμογή από οπουδήποτε. ABSTRACT The present graduate project focuses on the graphical programming of Labview and in the interaction with the open source platform called Arduino, so a program, that will control the electrical loads of a swimming pool and indicate the functions of the pool, can be created. To be more specific, monitoring the water level of the swimming pool was chosen and also monitoring the water temperature. Also, there will be control of the water pump wich is responsible for circulating the water. Lighting and the operation of a sound alarm will also be possible to control. There will also be the choise of remote access via internet so the user can function with the software from anywhere.

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ...1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΠΙΣΙΝΑ 1.1 ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΝΕΡΟΥ ΣΤΑΘΜΗ ΝΕΡΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΝΕΡΟΥ-ΑΝΤΛΙΑ ΦΩΤΙΣΜΟΣ ΜΕΤΡΑ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ ΠΡΟΛΗΨΗΣ ΚΑΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΣΕ ΜΙΑ ΠΙΣΙΝΑ...15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΕΠΙΛΟΓΗ ΥΛΙΚΟΥ 2.1 ARDUINO UNO REV ΗΛΕΚΤΡΟΝΟΜΟΣ (ΡΕΛΕ) ΜΕΤΡΗΣΗ ΣΤΑΘΜΗΣ ΓΕΝΙΚΑ ΤΥΠΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΙΩΝ ΑΙΣΘΗΤΗΡΑΣ ΥΠΕΡΗΧΩΝ HC-SR ΣΥΣΤΗΜΑ ΣΥΝΑΓΕΡΜΟΥ ΕΙΔΗ ΑΙΣΘΗΤΗΡΙΩΝ ΓΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑ ΣΥΝΑΓΕΡΜΟΥ ΑΙΣΘΗΡΗΤΑΣ PIR SE ΑΙΣΘΗΤΗΡΑΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ...29

5 2.5.1 ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΤΥΠΟΙ ΘΕΜΡΟΜΕΤΡΩΝ ΤΥΠΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΙΩΝ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΘΕΡΜΙΣΤΟΡ ΑΝΤΛΙΑ ΦΩΤΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΑΝΤΛΙΑ ΦΩΤΙΣΜΟΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΒΟΗΘΗΤΙΚΟ ΚΥΚΛΩΜΑ ΚΑΙ ΚΥΚΛΩΜΑ ΙΣΧΥΟΣ...35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ARDUINO 3.1 ΓΕΝΙΚΑ Ο ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗΣ ΤΟΥ ARDUINO ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΜΕ ΑΛΛΕΣ ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΕΙΣΟΔΟΙ-ΕΞΟΔΟΙ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΕΝΣΩΜΑΤΩΜΕΝΑ ΚΟΥΜΠΙΑ ΚΑΙ LED ARDUINO IDE ΚΑΙ ΣΥΝΔΕΣΗ ΜΕ ΤΟΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗ ΓΛΩΣΣΑ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ SHIELDS...51

6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 LABVIEW 4.1 ΓΕΝΙΚΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟ LABVIEW FRONT PANEL BLOCK DIAGRAM PALETTES ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑ LABVIEW ΜΕ ARDUINO (LIFA) ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΤΗΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΜΕ ΤΟ ΓΡΑΦΙΚΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΤΟΥ LABVIEW ΠΛΑΝΟ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΤΗΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ...64 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΑΠΟΜΑΚΡΥΣΜΕΝΟΣ ΕΛΕΓΟΣ ΚΑΙ ΟΔΗΓΙΕΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΣΩΣΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΗΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ 5.1 ΑΠΟΜΑΚΡΥΣΜΕΝΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΟΙ DRIVERS NI VISA ΥΛΙΚΟΛΟΓΙΣΜΙΚΟ (FIRMWARE) «ΤΡΕΞΙΜΟ» - ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΗΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...102

7

8 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το αντικείμενο της παρούσας πτυχιακής είναι ο έλεγχος φορτίων και η παρακολούθηση της λειτουργίας μιας πισίνας με Arduino μέσα απο την δημιουργία προγράμματος σε εικονικό περιβάλλον Labview, επιπλεόν προστίθεται και το στοιχείο του απομακρυσμένου ελέγχου μέσω του διαδικτύου. Μια πισίνα ή αλλιώς μια κολυμβητική δεξαμενή μπορεί να προορίζεται για ιδιωτική χρήση, επαγγελματική χρήση ή ακόμα μπορεί να χρησιμοποιείται απο κάποιον κολυμβητικό σύλλογο. Ανεξάρτητα από το σκοπό για τον οποίο θα χρησιμοποιηθεί, η δημιουργία ενός προγράμματος για να ελέγχει φορτία και να παρουσιάζει ενδείξεις θα εξυπηρετούσε, γλιτώνοντας χρόνο και προσφέροντας ευκολία ακόμα και ασφάλεια. Καθώς θα μπορεί ο εκάστοτε υπέυθυνος της πισίνα να ελέγχει όλες τις λειτουργίες και να παρακολουθεί όλες τις ενδέιξεις μιας πισίνας, μέσα απο έναν υπολογιστή ακόμα και απο μια τηλεφωνική συσκευή π.χ. από ένα Android Smartphone. Ο έλεγχος αυτός γίνεται σε πραγματικό χρόνο και μπορεί να γίνει από οπουδήποτε αρκεί να υπάρχει πρόσβαση στο διαδίκτυο. Ειδάλλως μπορεί να γίνει απευθείας απο τον υπολογιστή που «τρέχει» την εφαρμογή. Για τις ανάγκες της εργασίας αποφασίστηκε να γίνει ένα μικρό προσχέδιο μια πισίνας, όπου θα γίνεται έλεγχος της αντλίας ανακυκλοφορίας του νερού, έλεγχος του φωτισμού, αλλά και έλεγχος ενός συστήματος συναγερμού με ηχητική ειδοποίηση στον χώρο. Ακόμη θα λαμβάνονται ενδείξεις για το επίπεδο του νερού αλλά και την θερμοκρασία του νερού. Ο έλεγχος του φωτισμού και η παρακολούθηση της θερμκρασίας μέσω του προγράμματος προσφέρει ένα επίπεδο ευκολίας στον χειρισμό. Η παρακολούθηση της στάθμης και ο έλεγχος της ανλτίας είναι απαραίτητα για την ορθή λειτουργία της πισίνας. Ενώ το σύστημα συναγερμού προσφέρει ασφάλεια στον χώρο που βρίσκεται η δεξαμενη. Η πλατφόρμα «πρωτοτυποποίησης» Arduino σε συνδυασμό με το εικονικό περιβάλλον του Labview καθιστούν τα παραπάνω εφικτά και ιδιαίτερα εύκολη την πραγματοποιησή τους. Το Labview διαθέτει έτοιμες εργαλειοθήκες που είναι κατασκευασμένες ειδικά για το Arduino, πράγμα που βοηθάει στην συνεργασία τους. 1

9 Επιπλέον η γλώσσα προγραμματισμού του Labview καθιστά δυνατόν να δημιουργηθούν δύσκολες εφαρμογές, σε πολύ μικρό χρόνο αφού δεν χρειάζεται να γραφτεί κάποιος κώδικας αλλά χρησιμοποιούνται γραφικα αντικείμενα, όπως κουμπιά, δείκτες, οθόνες ή τετραγωνίδια που παριστάνουν συναρτήσεις ή εκτελούν συγκεκριμένες λειτουργίες με τη μορφή υπό ρουτινών. Αυτά τα εικονίδια έχουν εισόδους και εξόδους και επιδέχονται προγραμματισμό των ιδιοτήτων τους. Μέσα απο την εκπόνηση της πτυχιακής καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι χάρη στην ελευθεριά που προσφέρει το Arduino και ιδιαίτερα στην απλότητα που προσφέρει το LabView είναι δυνατόν να δημιουργηθούν πολλές εφαρμογές γρήγορα, εύκολα και αξιόπιστα. Υπάρχει καιρός για διεύρυνση των γνώσεων πάνω στα αντικείμενα αυτά, ωστόσο η πτυχιακή αυτή αποτέλεσε μια καλή γνωριμία όχι με το LabView και το Arduino αλλά και με πτυχές της επιστήμης της ηλεκτρολογίας. 2

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΠΙΣΙΝA 1.1 ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΝΕΡΟΥ Ένα στοιχείο που επιλέχθηκε να καταγραφεί στην παρούσα πτυχιακή είναι η θερμοκρασία του νερού μιας πισίνας, καθώς η θερμοκρασία του νερού μιας πισίνας είναι πολύ σημαντική. Για παράδειγμα σε πισίνες που χρησιμοποιούνται για λόγους υδροθεραπείας σε νερό 26 ο C με 28 ο C διατηρείται μια χαμηλή και ευχάριστη θερμοκρασία σώματος. Αυτή η θερμοκρασία νερού συναντάται στις περισσότερες πισίνες κολυμβητηρίων και ασκεί θετικές επιδράσεις στον ανθρώπινο οργανισμό. Λίγα λεπτά μετά από τη βύθιση του σώματος στο νερό η θερμοκρασία του δέρματος αποκτά τη θερμοκρασία του νερού (η διαφορά είναι λιγότερο από 1 ο C) καθώς η αγωγιμότητα της θερμοκρασίας είναι 25πλάσια στο νερό, από ότι στον αέρα. Σε κατάσταση ηρεμίας και σε θερμοκρασία ο C, το σώμα αποκτά θερμική ουδετερότητα, ενώ σε χαμηλότερες από 30 ο C σημειώνεται προοδευτικά υποθερμία. Ακόμη και σε πισίνες κολυμβητηρίων η σωστή θερμοκρασία του νερού διαδραματίζει καθοριστικό ρόλο για την άνεση των κολυμβητών, ο δείκτης αυτός ονομάζεται θερμική άνεση. Η θερμοκρασία που συνίσταται να έχει το νερο σύμφωνα με τους δείκτες θερμικής άνεσης, διαφέρει αν γίνεται λόγος για εσωτερική, ή εξωτερική πισίνα και εξαρτάται απο την εξωτερική θερμοκρασία. Το αίσθημα Θερμικής Άνεσης των κολυμβητών κατά τους χειμερινούς μήνες σε θερμαινόμενες πισίνες γίνεται εύκολα κατανοητό από απαντήσεις κολυμβητών όπως π.χ: «Σήμερα το νερό ήταν ζεστό», «Σήμερα το νερό ήταν κρύο». Οι απαντήσεις συνήθως δίνονται για θερμαινόμενες πισίνες οι οποίες διατηρούν σταθερή θερμοκρασία με κατάλληλα αυτοματοποιημένες διατάξεις και κατάλληλους θερμοστάτες. Γίνεται κατανοητό ότι το συναίσθημα θερμικής άνεσης πρέπει να μελετηθεί σωστά και να εφαρμοστούν ανάλογες τεχνικές λύσεις από τον μελετητή ή τον κατασκευαστή του 3

11 έργου. Οι κατασκευαστικές αυτές λύσεις πρέπει να έχουν μελετηθεί έτσι ώστε οι κολυμβητές να έχουν την βέλτιστη θερμική άνεση στον χώρο αυτό, σε όλη την διάρκεια του χειμώνα. Γενικά το θερμικό κέντρο κάθε ανθρώπου διευθύνει υποθάλαμος του εγκεφάλου και υπάρχουν θερμο-ευαίσθητα νεύρα σε κάθε σημείο του ανθρώπινου οργανισμού ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΑΝΕΣΗΣ Ή ΔΥΣΦΟΡΙΑ ΣΕ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟΥΣ ΧΩΡΟΥΣ Α) Δωμάτιο με θερμοκρασία αέρα χώρου +20C και θερμοκρασία δομικών στοιχείων +16 C (μη θερμομονωμένα δομικά στοιχεία) Αποτέλεσμα: αίσθημα ΔΥΣΦΟΡΙΑΣ Β) Δωμάτιο θερμαινόμενο με θερμοκρασία αέρα χώρου +20 C και θερμομονωμένα δομικά στοιχεία Αποτέλεσμα: αίσθημα ΑΝΕΣΗΣ Γ) Δωμάτιο με θερμοκρασία αέρα +20 C (θερμομονωμένα δομικά στοιχεία ) και ανθρώπινο σώμα χωρίς ένδυση Αποτέλεσμα: αίσθημα ΔΥΣΦΟΡΙΑΣ Αυτό συμβαίνει γιατί η μετάδοση (απαγωγή) θερμότητας από το ανθρώπινο σώμα προς τον αέρα του δωματίου είναι μεγαλύτερη από την (μέγιστη δυνατή) παραγόμενη από το ανθρώπινο σώμα. Η μετάδοση θερμότητας είναι μεγαλύτερη (είναι εντονότερη) διότι δεν υπάρχουν οι 3 αντιστάσεις μετάβασης θερμότητας μεταξύ των ενδυμάτων και της εσωτερικής θερμοκρασίας δωματίου αλλά και η αντίσταση μετάδοσης της θερμότητας δια μέσου των ενδυμάτων. 4

12 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΑΝΕΣΗΣ Ή ΔΥΣΦΟΡΙΑΣ ΑΝΘΡΩΠΙΝΟΥ ΣΩΜΑΤΟΣ ΕΝΤΟΣ ΥΔΑΤΟΣ ΣΕ ΕΞΩΤΕΡΙΚΟΥΣ ΧΩΡΟΥΣ ΚΑΤΑ ΤΟΥΣ ΘΕΡΙΝΟΥΣ ΜΗΝΕΣ. Εξωτερική θερμοκρασία +35 C (ροή αέρα και υγρασία σε φυσιολογικά επίπεδα) Νερό με θερμοκρασία +25 C Αποτέλεσμα: αίσθημα ΑΝΕΣΗΣ Εξωτερική θερμοκρασία +42 C (καύσωνας) ροή αέρα και υγρασία σε φυσιολογικά επίπεδα) Νερό με θερμοκρασία +25 C Αποτέλεσμα: προσωρινό αίσθημα ΔΥΣΦΟΡΙΑΣ ΚΑΤΑ ΤΟΥΣ ΧΕΙΜΕΡΙΝΟΥΣ ΜΗΝΕΣ Εξωτερική θερμοκρασία +20 C Νερό με θερμοκρασία +17 C Αποτέλεσμα: αίσθημα ΠΟΝΟΥ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΑΝΕΣΗ Ή ΔΥΣΦΟΡΙΑΣ ΣΕ ΕΞΩΤΕΡΙΚΕΣ ΘΕΡΜΑΙΝΟΜΕΝΕΣ ΠΙΣΙΝΕΣ ΚΑΤΑ ΤΟΥΣ ΧΕΙΜΕΡΙΝΟΥΣ ΜΗΝΕΣ Εξωτερική θερμοκρασία +20 C Νερό με θερμοκρασία +28 C Αποτέλεσμα: αίσθημαανεσησ Εξωτερική θερμοκρασία +17 C Νερό με θερμοκρασία +28 C Αποτέλεσμα: αίσθημα ΔΥΣΦΟΡΙΑΣ Εξωτερική θερμοκρασία +17 C Νερό με θερμοκρασία +31 C Αποτέλεσμα αίσθημα ΑΝΕΣΗΣ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΑΝΕΣΗΣ Ή ΔΥΣΦΟΡΙΑΣ ΣΕ ΕΣΩΤΕΡΙΚΕΣ ΘΕΡΜΑΙΝΟΜΕΝΕΣ ΠΙΣΙΝΕΣ 5

13 ΚΑΤΑ ΤΟΥΣ ΧΕΙΜΕΡΙΝΟΥΣ ΜΗΝΕΣ Θερμοκρασία αέρα +20 C Νερό με θερμοκρασία +28 C Αποτέλεσμα: αίσθημαανεσησ Συνήθως τους παραπάνω υπολογισμούς πραγματοποιούν οι κατασκευαστές πισίνας και οι μηχανολόγοι μηχανικοί. 1.2 ΣΤΑΘΜΗ ΝΕΡΟΥ Όλες οι πισίνες παρουσιάζουν απώλειες νερού κυρίως λόγω ανέμων, εξάτμισης από υψηλές θερμοκρασίες και παιχνιδιών στην πισίνα. Η χαμηλή στάθμη του νερού μπορεί να δημιουργήσει πολλά προβλήματα, όπως π.χ. να προκαλέσει βλάβη στις αντλίες η οποίες, λόγω χαμηλής σταθμής, δεν θα λαμβάνουν αρκετό ή και καθόλου νερό με αποτέλεσμα να μην ψύχονται σωστά, έτσι δημιουργούνται προβλήματα στην μόνωση μεταξύ αντλίας και μοτέρ. Επίσης σε πισίνες με μηχανισμό skimmer, ο οποίος αναφέρεται πιο αναλυτικά παρακάτω, το ιδανικό ύψος νερού είναι 10 εκ. κάτω από το επιχείλιο ή τρία τέταρτα του ύψους του skimmer. Υπάρχουν όμως περιπτώσεις όπου η μείωση της στάθμης του νερού μπορεί οφείλεται σε διαρροή. Απο τις πιο συχνές βλάβες που παρουσιάζονται στις πισίνες είναι οι ρωγμές στα πλακίδια, στις συνθετικές μεμβράνες ή στο σκυρόδεμα (αναλόγως το υλικό των τοιχωμάτων). Στην περίπτωση των μεμβρανών οι ρωγμές επιδιορθώνονται με την εφαρμογή ενός τεμαχίου του υλικού στην περιοχή της βλάβης. Ωστόσο για να γίνει αντιληπτή ακόμα και η παραμικρή διαρροή θα βοηθήσουσε σημαντικά η συνεχής παρακολούθηση της στάθμης. Μέσα απο την παρακολούθηση θα αποφεύγονταν πόλλα προβλήματα που στοιχίζουν σε χρόνο και χρήματα απο για παράδειγμα μια επιχείρηση, ή έναν κολυμβητικό σύλλογο. Ακόμα βοηθάει περιβολλοντικά μειώντας τις απώλειες και την σπατάλη νερού κάνοντας το σύστημα πιο αποδοτικό. 6

14 1.3 ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΝΕΡΟΥ - ΑΝΤΛΙΑ ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΝΕΡΟΥ Η ποιότητα του νερού κάθε πισίνας καθορίζεται από μερικά χαρακτηριστικά. 'Ετσι, σαν "καθαρό και υγιεινό νερό κολυμβητικής δεξαμενής" χαρακτηρίζεται εκείνο που διαθέτει ωραία όψη (διαυγή και κρυστάλλινη) και δεν περιέχει εστίες μολύνσεων (άλγη, βακτήρια, μύκητες, ιούς και τα μέταλλα). Τα άλγη είναι μονο/πολυκυτταρικές μορφές ζωής, πρασίνου ή καφέ χρώματος, που πολλαπλασιάζονται με μεγάλη ταχύτητα στο νερό με την παρουσία της ηλιακής ακτινοβολίας και του διοξειδίου του άνθρακα. Ως αποτέλεσμα, δημιουργείται γλοιώδες επιφανειακό στρώμα στον πυθμένα και τα τοιχεία της πισίνας, πράσινων ή/και καφέ κηλίδων, και επίσης πρασινίζει το νερό. Τα βακτήρια και οι ιοί, είναι μονοκύτταροι οργανισμοί ικανοί να πολλαπλασιαστούν σε αφιλτράριστο ή μη επαρκώς χλωριωμένο νερό. Συνιστούν το μικροβιακό φορτίο της πισίνας και αποτελούν εστίες μόλυνσης ικανές να προκαλέσουν ακόμα και πολύ σοβαρά προβλήματα στους κολυμβητές. Τα μέταλλα. Τα ίχνη των μετάλλων που βρίσκονται διαλυμένα στο νερό της πισίνας δεν συνιστούν κίνδυνο για την υγεία των κολυμβητών, τουλάχιστον στις συγκεντρώσεις που συναντώνται συνήθως. Αντίθετα, δημιουργούν σοβαρά προβλήματα στη λειτουργία της πισίνας, καθώς νερό με υψηλή περιεκτικότητα μεταλλικών ιόντων εμποδίζει τη σωστή αποσύνθεση των χημικών προϊόντων. Με άλλα λόγια τα χημικά γίνονται αναποτελεσματικά, γεγονός που οδηγεί στη δημιουργία μικροβιακού φορτίου και στο χρωματισμό του νερού. Δηλαδή, Το νερό είναι θολό Η συντήρηση της πισίνας γίνεται ακριβή Τα προϊόντα επεξεργασίας είναι ανεπαρκή Για να αντιμετωπιστούν όλα τα παραπάνω χρησιμοποιούνται: 7

15 1. ΠΡΟΪΟΝΤΑ ΧΛΩΡΙΩΣΗΣ Για τον έλεγχο του μικροβιακού φορτίου χρησιμοποιούνται διάφορα προϊόντα. Εκείνα όμως που έχουν αποδειχθεί αποτελεσματικότερα από τα άλλα, αλλά και ακίνδυνα για την υγεία των κολυμβητών, είναι οι σταθεροποιημένες μορφές χλωρίου, δηλαδή τα Απολυμαντικά Πρόσθετα Οργανικού Χλωρίου. Τα βασικά τους πλεονεκτήματα είναι: Είναι βραδείας ή ταχείας διάλυσης, ώστε να καλύπτουν τόσο τις ανάγκες της χλωρίωσης σοκ, όσο και της χλωρίωσης συντήρησης Δεν αλλοιώνουν το ph Δεν αφήνουν υπολείμματα Δεν δημιουργούν δυσάρεστες οσμές Μορφές χλωρίου στο νερό: Μετά τη τροφοδοσία του νερού της πισίνας με τα διάφορα απολυμαντικά πρόσθετα οργανικού χλωρίου, δημιουργούνται ενώσεις του χλωρίου που χαρακτηρίζονται σαν: Ελεύθερο (χρήσιμο) χλώριο. Πρόκειται για τη μορφή του χλωρίου που οξειδώνει τα άλγη, τα βακτήρια, τους μύκητες, τους ιούς και τις οργανικές ουσίες που κυκλοφορούν στο νερό της πισίνας Δεσμευμένο (άχρηστο) χλώριο. Πρόκειται για τη μορφή του χλωρίου, που έχοντας αντιδράσει με τα διάφορα φορτία του νερού, έχει χάσει την οξειδωτική του ικανότητα Ολικό χλώριο = ελεύθερο χλώριο + δεσμευμένο χλώριο Θα πρέπει να γίνεται χλωρίωση σοκ, πάντα αφού ελεγχθεί ότι το ph βρίσκεται μεταξύ των τιμών 7,2 και 7,6: Η χλωρίωση σοκ πρέπει να είναι η μόνη ρύθμιση που κάνουμε μέσα στην ίδια μέρα. Ποτέ δεν χρησιμοποιείται χλώριο σοκ ταυτόχρονα με Αλγοκτόνο ή ρυθμιστή ph την ίδια μέρα. 8

16 Κατά προτίμηση η επεξεργασία σοκ πρέπει να γίνεται αργά το απόγευμα ή νωρίς το πρωί. Το χλώριο σοκ τοποθετείται μόνο στα Καλαθάκια Συγκράτησης Φύλλων. Στα 100 m3 νερού χρησιμοποιείται δοσολογία 1 kg. Ποτέ όμως όταν υπάρχουν κολυμβητές στην πισίνα. Σε υψηλές θερμοκρασίες ή μεγάλο αριθμό κολυμβητών, αυξάνονται οι δόσεις Ακόμη αξίζει να σημειωθεί ότι: Πρέπει να περάσουν 5 ώρες συνεχούς φιλτραρίσματος από την προσθήκη χλωρίου σοκ για να επιτρέπεται η κολύμβηση. Το χλώριο σοκ χρησιμοποιείται για να σκοτώσει τα μικρόβια, βακτηρίδια και μύκητες που έχουν συνηθίσει στην ποσότητα χλωρίου που απελευθερώνεται από τις ταμπλέτες αργής διάλυσης. Το χλώριο σοκ έχει μεγάλες συγκεντρώσεις σε ορυκτά άλατα. Όταν χρησιμοποιείται άσκοπα δημιουργεί "γαλακτοειδές" νερό. Χλωρίωση σοκ χρειάζεται και σε περίπτωση καταιγίδας. Πάντοτε το δείγμα νερού είναι απο βάθος τουλάχιστον 40 cm από την επιφάνεια του νερού, και αυτό διότι η επιφανειακή συγκέντρωση του χλωρίου δεν είναι αντιπροσωπευτική. Μπορούμε να αυξηθελι ή να μειωθεί το ph του νερού με τη χρήση των ph(+) & ph(-) αντίστοιχα. Ειδικότερα: Για να μειώθεί το ph κατά 0,1 σε κάθε 100 m3 νερού, χρειάζονται 1 kgr pη(-). Ενώ, για να αυξηθεί το ph κατά 0,1 σε κάθε 100 m3 νερού, χρειάζονται 0,5 kg ph(+). Το ph(+) και το ph(-) τοποθετείται απ ευθείας στα καλαθάκια συγκράτησης φύλλων. Για πιο άμεση δράση του ph(+) και του ph(-), διαλύονται καλά σε δοχείο με νερό, και στη συνέχεια τα προσθέτονται απ'ευθείας στο νερό, περιμετρικά της πισίνας. 9

17 Γίνεται ανακυκλοφορία του νερό για τουλάχιστον 4 ώρες, ώστε να διαλυθεί το προϊόν ομοιόμορφα. Κατόπιν ελέγχεται το νερό και αν χρειαστεί ξαναρυθμίστεί, αφού όμως περάσει 1 ημέρα. Για να ισορροπήσει το ph του νερού της πισίνας μας, μπορεί να περάσει και ένας μήνας. Μέχρι τότε προσθέτεται το αντίστοιχο διορθωτικό ph(+) ή ph(-). Σχετικά με τα προϊόντα χλωρίωσης αξιζεί να σημειωθεί ότι, η χλωρίωση ασκεί οξειδωτική δράση στα μέταλλα, με αποτέλεσμα να συγκρατούνται από τα φίλτρα ή να καθιζάνουν στον πυθμένα, απ όπου απορροφώνται με την αναρροφητική σκούπα. 2. Αλγοκτόνο, η σωστή χρήση του είναι από τους πρωταρχικούς παράγοντες προστασίας της πισίνας, τόσο ενάντια στα άλγη όσο και ενάντια στα βακτήρια και τους ιούς, χρησιμοποιείται κυρίως για προληπτικούς και όχι κατασταλτικούς λόγους. Η δοσολογία συντήρησης είναι στα 100m3 νερού 0,5 lt ανά 20ήμερο. ΑΝΤΛΙΑ Για να επιτευχθούν τα παραπάνω δηλαδή η βέλτιστη υγιεινή λειτουργία της πισίνας. Είναι απαιρήτητο το φιλτράρισμα του νερού κυρίως με την χρήση αντλιών. Πρέπει πάντα να προβλέπεται ο σωστότερος τρόπος ανακυκλοφορίας του νερού. Η διαδικασία αυτή μπορεί να γίνει με δύο τρόπους: 1. Με skimmer: Είναι ένας μηχανισμός που βρίσκεται στο εσωτερικό της πισίνας. Μέσα από ειδικά στόμια ανακυκλώνει το νερό της επιφανειακής στρώσης της πισίνας. 2. Με περιμετρική υπερχείλιση: Επιτυγχάνεται όταν περιμετρικά της πισίνας υπάρχει ένα κανάλι υπερχείλισης, το οποίο επενδύεται με πλαστική σχάρα. Το νερό υπερχειλίζει από όλες τις πλευρές της πισίνας μέσα στη σχάρα και ανακυκλοφορεί. Και στις δυο περιπτώσεις η ανακυκλοφορία του νερού της πισίνας στηρίζεται στις αντλίες, που κυκλοφορούν το νερό μέσα στις σωληνώσεις με σκοπό να περάσει το νερό από τα φίλτρα που κατακρατούν στερεά σωματίδια. Η προσαγωγή και η επιστροφή του νερού στην πισίνα γίνεται από ειδικά τεμάχια (κυρίως από ABS) στόμια προσαγωγής, σχάρες φρεατίων, skimmers κτλ. Η διαστασιολόγηση των αντλιών και των φίλτρων γίνεται ανάλογα τον όγκο του νερού της πισίνας αλλά και τον χρόνο ανακυκλοφορίας 10

18 που θέλουμε. Ο χρόνος ανακυκλοφορίας κατά το νόμο πρέπει να είναι κάτω από 6 ώρες αλλά είναι προτιμότερο να είναι κάτω από 4 ώρες. Οι αντλίες για την λειτουργία της πισίνας είναι κυρίως πλαστικές και πάντα με πρόφιλτρο, ώστε να προστατεύονται τόσο οι αντλίες και τα φίλτρα από μεγάλα σωματίδια (φύλλα, κλαδιά κτλ) αλλά και οι σωληνώσεις. Η απόδοση των αντλιών εξαρτάται από την υποδύναμή της αλλά και από την κατασκευή της. Επιλέγονται ανάλογα από την παροχή ανά ώρα αλλά και μανομετρικό ύψος που απαιτείται. Το στοιχείο που κάνει να ξεχωρίζουν τα διαφορετικά συστήματα ανακυκλοφορίας είναι ο τρόπος με τον οποίο συλλέγουν το επιφανειακό νερό και το οδηγούν στο μηχανοστάσιο για το φιλτράρισμα των επιφανειακών ρίπων. Με βάση το στοιχείο αυτό διαμορφώνονται οι δύο βασικές κατηγορίες συστημάτων ανακυκλοφορίας πού είναι: Σύστημα ανακυκλοφορίας με σκίμμερ (Επιφανειακός απορροφητήρας) Σύστημα ανακυκλοφορίας με Υπερχείλιση. Το σύστημα ανακυκλοφορίας με σκίμμερ, ή αλλιώς επιφανειακού απορροφητήρα, είναι το σύστημα με το οποίο το επιφανειακό νερό συλλέγεται και οδηγείται στο μηχανοστάσιο μέσω ειδικής θυρίδας (σκίμμερ) η οποία εντοιχίζεται στο άνω τμήμα της πισίνας. Το σύστημα ανακυκλοφορίας με Υπερχείλιση είναι το σύστημα ανακυκλοφορίας με το οποίο το επιφανειακό νερό συλλέγεται μέσω ενός καναλιού το οποίο υπάρχει είτε σε όλη τη περίμετρο της πισίνας ή σε τμήμα αυτής. Εικόνα 1 Τύποι Συστημάτων Ανακυκλοφορίας 11

19 Με βάση τα ανωτέρω διαμορφώνονται οι παρακάτω ειδικότερες κατηγορίες συστημάτων ανακυκλοφορίας οι οποίες και παρουσιάζονται στα σχετικά λειτουργικά διαγράμματα. Σκίμμερ με κλασσικό σύστημα ανακυκλοφορίας πολλαπλών σημείων. Σκίμμερ με σημειακό σύστημα ανακυκλοφορίας. Περιμετρική υπερχείλιση. Υπερχείλιση καταρράκτης. Επίσης σημαντικό για την λειτουργία των αντλιών είναι ότι, κατά τη διάρκεια της ημέρας δημιουργούνται τα άλγη (ως φαινόμενο φωτοσύνθεσης). Γι αυτόν το λόγο, το 75% των ωρών που λειτουργεί το σύστημα πρέπει να είναι με το φως της μέρας, όπου η διαδικασία της φωτοσύνθεσης είναι σε εξέλιξη. π.χ.: αν λειτουργούν τα μηχανήματα 8 ώρες συνολικά τη μέρα, τότε οι 6 ώρες πρέπει να είναι με το φως της μέρας. Όταν η θερμοκρασία νερού είναι μικρότερη από 12οC, τότε καλός χρόνος φιλτραρίσματος είναι 3 ώρες. Όταν η θερμοκρασία νερού είναι μικρότερη από 13οC 20οC, τότε καλός χρόνος φιλτραρίσματος είναι 6 ώρες. Όταν η θερμοκρασία νερού είναι μικρότερη από 21οC 30οC, καλός χρόνος φιλτραρίσματος είναι 9 ώρες. Όταν η θερμοκρασία νερού είναι μεγαλύτερη από 30οC, τότε καλός χρόνος φιλτραρίσματος είναι 12 ώρες. 1.4 ΦΩΤΙΣΜΟΣ Το υδάτινο στοιχείο είναι απο την φύση του ζωντανό, δυναμικό και προσφέρει μοναδικές δημιουργικές ικανότητες στην αρχιτεκτονική τοπίου, έχοντας ιδιαίτερες χρωματικές αποχρώσεις όταν αλληλεπιδρά με το φως. Πλέον υπάρχοι ποικίλοι τρόποι φωτισμού μιας πισίνας όπως, φωτοδίοδοι (LED), έμμεσος φωτισμός μέσω κατόπτρων, προβολείς με την δυνατότητα προσθετικής μείξης χρωμάτων, οπτικές ίνες καθώς και «έξυπνα» συστήματα διαχείρησης φωτισμού. 12

20 ΠΗΓΕΣ ΦΩΤΟΣ ΚΑΙ ΦΩΤΙΣΤΙΚΑ ΣΩΜΑΤΑ Η επιλογή των φωτιστικών είναι αντικείμενο μελέτης. Οι πιο σημαντικοί παράγοντες που πρέπει να λαμβάνονται σοβαρά υπόψη στο σχέδιο υποβρύχιων φωτιστικών είναι: Ο βαθμός καθαρότητας του νερού. Η διάρκεια ζωής του λαμπτήρα και ο τρόπος αντικατάστασης του. Η συχνότητα που το νερό απομακρύνεται για τον καθαρισμό του χώρου (εάν πρόκειται για τεχνιτή λίμνη, πισίνα κτλ.). Η πρόβλεψη για παροχή αρκετά μακριάς καλωδίωσης, ώστε το φωτιστικό να μπορεί να βγει ολόκληρο από το νερό. Η τάση του ρεύματος που με ασφάλεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί μέσα στο νερό. Η πιθανότητα να βρίσκονται άνθρωποι μέσα στο νερό, όταν τα φωτιστικά λειτουργούν. Η ύπαρξη φυτών ή άλλων οργανισμών μέσα στο νερό. Τα κριτήρια, με τα οποία γίνεται η επιλογή της κατάλληλης φωτεινής πηγής και του φωτιστικού για χρήση κοντά, μέσα ή κάτω από την υδάτινη επιφάνεια, διαφέρουν αρκετά από αυτά που ισχύουν για τον εξοπλισμό που χρησιμοποιείται στην ξηρά. Η φωτεινή ένταση κάτω από την επιφάνεια του νερού επηρεάζεται σημαντικά από το βαθμό διαφάνειας ή καθαρότητας του νερού. Ακόμη και όταν το νερό είναι πλήρως διάφανο συνεχίζει να απορροφά φως. Ο βαθμός διαφάνειας είναι στην πλειοψηφία των περιπτώσεων δύσκολο να ελεγθχεί. ΝΕΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΚΑΙ ΦΩΤΙΣΜΟΣ ΠΙΣΙΝΑΣ Οι νέες τεχνολογίες φωτισμού προσφέρουν ένα δυναμικό εργαλείο για τη δημιουργία φωτιστικών εφέ και εξασφαλίζουν εγκαταστάσεις φωτισμού χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας, μεγάλης διάρκειας ζωής και περιορισμένης συντήρησης και μπορούν να εξασφαλίσουν μέγιστη ασφάλεια από πλευράς ηλεκτρολογικής εγκατάστασης. Κάποια απο αυτά είναι: Συστήματα οπτικών ινών, τα μόνα συστήματα φωτισμού, που δεν απαιτείται να διαθέτουν βαθμό προστασίας ΙΡ68 (πλήρης προστασία από εισχώρηση σκόνης, 13

21 προστασία απο συνεχή βύθιση σε νερό υπό συγκεκριμένη πίεση για απεριόριστο χρονικό διάστημα) για εφαρμογές σε νερό, είναι τα συστήματα φωτισμού με οπτικές ίνες. Πλεονέκτημα σε σχέση με συμβατικά υποβρύχια φωτιστικά είναι ότι η φωτεινή πηγή βρίσκεται σε κάποια απόσταση και φυσικά σε στεγανό χώρο. Έτσι τα ηλεκτρικά μέρη του συστήματος (λαμπτήρας και σύστημα ελέγχου) δεν έρχονται σε άμεση επαφή με το νερό, με αποτέλεσμα η συντήρηση και η λειτουργία να είναι πιο ασφαλής. Ωστόσο με την τοποθέτηση συστημάτων οπτικών ινών αυξάνεται το κόστος σε σχέση με τα συμβατικά φωτιστικά, λόγω του ακριβού σχεδιασμού απο τον μελετητή. Φωτοδίοδοι (LED), είναι μικρές ηλεκτρονικές διατάξεις ημιαγωγών που ενεργοποιούνται όταν από ηλεκτρικό ρεύμα χαμηλής τάσης παράγουν φως σε ένα περιορισμένο τμήμα του ορατού φάσματος, σε κόκκινο, πράσινο, κίτρινο, και μπλε χρώμα. Σε υποβρύχιο φωτιστικό χρησιμοποιούνται συστοιχίες φωτοδιόδων, δηλαδή φωτοδίοδοι συνδεδεμένοι σε σειρά. Η δέσμη φωτός εξαρτάται απο τον φακό που τοποθετείται μπροστά απο τις φωτοδιόδους, ενώ το χρώμα απο την χημική σύσταση του ημιαγωγού. Τα κύρια χαρακτηριστικά τους αποτελούν ταυτόχρονα και πλεονέκτημας αυτών σε σχέση με τα συμβατικά φωτιστικά. Μεγάλη διάρκεια ζωής Χαμηλό κόστος συντήρησης Μικρό μέγεθος Εξαιρετικά χαμηλή κατανάλωση ενέργειας Σταθερότητα χρώματος καθ όλη τη διάρκεια ζωής του ηλεκτρονικού συστήματος Δυνατότητα κατεύθυνσης της φωτεινής δέσμης χωρίς την χρήση ανακλαστήρων, κάτι που διευκολύνει τη χρήση τους για φωτισμό ανάδειξης Παραγωγή φωτός χωρίς υπεριώδη (UV) ή υπέρυθρη (IR) ακτινοβολία. Ευκολία φωτορύθμισης και ελέγχου. Δυνατότητα μείξης χρωμάτων για την παραγωγή ενδιάμεσων αποχρώσεων και άλλων εφέ με χρήση χρώματος. 14

22 1.5 ΜΕΤΡΑ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ ΠΡΟΛΗΨΗΣ ΚΑΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΣΕ ΜΙΑ ΠΙΣΙΝΑ ΜΕΤΡΑ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ Ο πνιγµός είναι µια από τις κύριες αιτίες θανάτου από ατύχηµα για ενήλικες αλλα κυρίως και πολύ µικρά παιδιά. Κάθε χρόνο ένας αριθµός παιδιών πνίγονται στις πισίνες. Για την ασφαλή κολύμβηση και τη σωστή χρήση μιας κολυμβητικής δεξαμενής πρέπει να λαμβάνονται με προσοχή τα μέτρα Ασφαλείας. Ο Ναυαγοσώστης σε συνεργασία με τον Υπεύθυνο Ασφαλείας εφαρμόζει τον κανονισμό της κολυμβητικής δεξαμενής τηρώντας κάποιες προϋποθέσεις όπως: Τοποθέτηση πινακίδων για ορθή χρήση της πισίνας σύμφωνα με τους ισχύοντες κανόνες ασφαλείας σε εμφανή σημεία Ακριβή ώρα λειτουργίας Επαρκείς εφοδιασμός διασωστικών μέσων ανάλογα με το μέγεθος τις πισίνας Κουτί πρώτων βοηθειών Κ.α. Αυτά είναι κάποια απο τα μέτρα ασφαλείας για την ορθή και ασφαλή λειτουργία μιας πισίνας. Ωστόσο υπάρχουν και μέτρα πρόληψης. ΜΕΤΡΑ ΠΡΟΛΗΨΗΣ ΚΑΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ Η προστατευτική περίφραξη πισίνας προσφέρει ασφάλεια όλο το διάστημα που είναι τοποθετημένη, ενώ η προστασία που προσφέρει το προστατευτικό κάλυμμα ή το προστατευτικό δίχτυ χάνεται μόλις ένα απ αυτά αφαιρεθεί από την πισίνα. Κλείδωμα, δηλαδή πόρτες οι οποίες θα κλειδώνουν μόνες τους, ώστε να διασφαλίζουν την χρήση από παιδιά που δεν βρίσκονται υπό την επίβλεψη κάποιου ενήλικα. Τα πόμολα θα πρέπει να τοποθετούνται ψηλά, όπου δεν θα τα φτάνει ένα μικρό παιδί. Ειδικοί βραχίονες και έξτρα κλειδαριές λειτουργούν επιπρόσθετα για τον ίδιο σκοπό. Επίσης, όλα τα παράθυρα και οι πόρτες που οδηγογούν στον χώρο της πισίνας, θα πρέπει να ασφαλίζονται για να αποτρέψουν την είσοδο μικρών ανηλίκων. 15

23 Τα καλύμματα αποτελούν ένα στρώμα ασφάλειας για πισίνες. Είναι καλή προστασία, αλλά δεν θα πρέπει να αντικαθιστούν το φράχτη Φωτισμός γύρω από την πισίνα ο οποίος πρέπει να επαρκής για να υπαρχει συνεχής παρακολούθηση στον χώρο της πισίνας ακόμα και τις νυχτερινές ώρες. Συναγερμοί υπάρχουν διαφόρων ειδών συναγερμοί. Όπως συναγερμοί επιφάνειας, οι οποίοι εντοπίζουν οποιαδήποτε κίνηση στην επιφάνεια του νερού, καθώς και υποβρύχιοι συναγερμοί που με τη σειρά τους εντοπίζουν κινήσεις κάτω από την επιφάνεια του νερού. Υπάρχουν περιμετρικοί συναγερμοί., αυτές οι μονάδες παράγουν ηχητική ειδοποίηση όταν κάποιος προσπαθεί να περάσει στον χώρο της πισίνας. Υπάρχει ακόμα ένας τύπος συναγερμού της εσωτερικής εμβύθισης. Φοριέται συνήθως σε παιδιά και ειδοποιεί εάν αυτό μπει στο νερό ή περάσει κάποια συγκεκριμένη απόσταση στην πισίνα. Επίσης, καινοτομία αποτελούν οι συναγερμοί με υπέρυθρες, οι οποίοι περικλείουν τον χώρο της πισίνας με υπέρυθρες ακτίνες και ενεργοποιείται ένα ηχητικό σήμα εάν κάτι τις διασπάσει. Κοινοί είναι και οι συναγερμοί με απομακρυσμένους δέκτες, οι οποίοι ειδοποιούν τον ιδιοκτήτη όταν κάποιος βρίσκεται κοντά ή στον χώρο της πισίνας. 16

24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΕΠΙΛΟΓΗ ΥΛΙΚΟΥ 2.1 ARDUINO UNO REV3 Tο Arduino είναι μια «ανοικτού κώδικα» πλατφόρμα «πρωτοτυποποίησης» ηλεκτρονικών βασισμένη σε ευέλικτο και εύκολο στη χρήση υλικό και λογισμικό που προορίζεται για οποιονδήποτε έχει λίγη προγραμματιστική εμπειρία, στοιχειώδεις γνώσεις ηλεκτρονικών και ενδιαφέρεται να δημιουργήσει διαδραστικά αντικείμενα ή περιβάλλοντα. Θα γίνει εκτενέστερη αναφορά στο Arduino στο Κεφάλαιο ΗΛΕΚΤΡΟΝΟΜΟΣ (ΡΕΛΕ) Ο ηλεκτρονόμος όπως ονομάζεται στην ελληνική γλώσσα γνωστός ωστόσο ως ρελέ (relay), είναι στην ουσία ένας ηλεκτρικός διακόπτης. Αποτελείται απο έναν ηλεκτρομαγνήτη, στα άκρα του οποίου μόλις εφαρμοστεί τάση, έλκεται και συγκρατεί ένα σίδερο, ή πιο σωστά, ένα κομμάτι από αρκετά σιδερένια φύλλα, που είναι μονωμένα μεταξύ τους (ελάσματα). Στο άκρο του κινητού σιδερένιου τμήματος έχουν προσαρμόσει μία ή συνήθως περισσότερες ηλεκτρικές επαφές, μονωμένες τόσο μεταξύ τους, όσο και ως προς τον ηλεκτρομαγνήτη. Όσο υπάρχει η τάση οπλισμού, η τάση στα άκρα του πηνίου δηλαδή, υπάρχει και ο μαγνητισμός. Όταν σταματήσει η τάση, ένα ελατήριο που έχει εν τω μεταξύ συμπιεστή, επαναφέρει στην αρχική κατάσταση τα φύλλα σιδήρου και κατ' επέκταση τις ηλεκτρικές επαφές. Αν οι επαφές αυτές σε κατάσταση ηρεμίας, όταν δηλαδή δεν υπάρχει ρεύμα στο πηνίο του ρελέ, είναι ανοιχτές, τότε όταν μαγνητιστεί - οπλίσει, κλείνουν και αντίστοιχα οι κλειστές ανοίγουν. Οι χωρίς ρεύμα στο πηνίο, ανοιχτές επαφές χαρακτηρίζονται ως Normally Open (NO) και οι κλειστές ως Normally Close (NC). 17

25 Εάν το πηνίο διεγείρεται με συνεχές (DC) ρεύμα, ανεξάρτητα από το ηλεκτρικό ρεύμα που ρέει διαμέσου των επαφών, μια δίοδος μπαίνει συνήθως παράλληλα με το πηνίο. Όταν το πηνίο διεγείρεται, αποκαθίσταται ένα μαγνητικό πεδίο. Όταν το πηνίο αποδιεγείρεται, το καταρρέον μαγνητικό πεδίο δημιουργεί μια αιχμή ηλεκτρικού ρεύματος που θα μπορούσε να βλάψει το υπόλοιπο κύκλωμα. Για την κατασκευή επιλέχθηκε ένα ρελέ 4 καναλιών, μια πλακέτα που ελέγχει 4 ρελέ. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για πληθώρα εφαρμογών, ακόμα και για έλεγχο εξοπλισμού που απαιτεί σχετικά μεγάλο ρεύμα. Επίσης για τον έλεγχο του μπορεί να χρησιμοποιηθούν διάφοροι μικροελεγκτές όπως Rasp-Berry Pi, Arduino. Για να οπλίσει το ρελέ απαιτεί τάση 5V και ρεύμα 15-20ma. Αντέχει φορτία μέχρι και για AC 250V 10A και για DC 30V 10A. Επιπλέον υπάρχουν λυχνίες ένδειξης για την λειτούργια του κάθε ρελέ χωριστά. Εικόνα 2: Ηλετρκονόμος 4 καναλίων της Sainsmart 2.3 ΜΕΤΡΗΣΗ ΣΤΑΘΜΗΣ ΓΕΝΙΚΑ Μαζί με την θερμοκρασία και την πίεση η μέτρηση στάθμης βρίσκεται στην κορυφή των μετρητικών αναγκών. Για παράδειγμα σε μια πισίνα είναι δυνατό να ειπωθεί πως αποτελεί την βάση για την διαχείρηση του εξοπλισμού και έλεγχο των χημικών. Με την πάροδο του χρόνου, η πληθώρα των εφαρμογών και η πολυπλοκότητα των συστημάτων επίβλεψης έχει αυξήθεί, με αποτέλεσμα να απαιτείται επέκταση και βελτίωση των εφαρμοζόμενων αρχών μέτρησης στάθμης. Οι βασικοί ορισμοί για την μέτρηση στάθμης: Στάθμη: η απόσταση της επιφάνειας του μετρούμενου υλικού απο ένα σημείο αναφοράς 18

26 Ελάχιστο: η χαμηλότερη αποδεκτή στάθμη Μέγιστο: η υψηλότερη αποδεκτή στάθμη Γενικά η μέτρηση της στάθμης κατηγοριοποιείται σε: Σημειακή μέτρηση: η ανίνχευση μιας συγκεκριμένης στάθμης Συνεχής μέτρηση: μέτρηση της ακριβούς τιμής εντός μια συγκεκριμένης περιοχής μέτρησης ΤΥΠΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΙΩΝ Σύμφωνα με τις ανάγκες της κατάσκευης επιλέχθηκε η συνεχής μέτρηση στάθμης. Διότι χρησιμοποιείται συνήθως για την συνεχή επίβλεψη, έλεγχο διεργασιών, εξαγωγή πληροφοριών σχετικά με την κατανάλωση, αποφυγή απωλειών κ.α.. Κάποιες απο τις διαδεδομένες μέθοδοι για την συνεχή μέτρηση στάθμης είναι: Αισθητήρας μικροκυμάτων ο οποίος εκπέμπει ένα παλμό μικροκυμάτων κατα μήκος ενός καλωδίου ή μιας ράβδου ο παλμός αυτός αντανακλάται και επιστρέφει μόλις έρθει σε επαφή με το υλικό που είναι θεμιτό να μετρηθεί. Η στάθμη του υλικού υπολογίζεται απο τον χρόνο που μεταξύ της αποστολής λήψης του παλμού. Με αυτού του τύπου αισθητήρα είναι δυνατόν να μετρηθούν κάποια στερεά που είναι σε μορφή κόκκων Εικόνα 3: Αισθητήρας μικροκυμάτων σκόνης π.χ. πούδρα. Ωστόσο σε κολλώδη υλικά δημιουργούνται προβλήματα. Αισθητήρας πίεσης ο οποίος μετράει την πίεση του υγρού που μεταβάλλεται ανάλογα με την στάθμη. Ο αισθητήρας αυτός προσφέρει μετρήσεις με εξαιρετικά μεγάλη ακρίβεια και είναι κατάλληλος για μετρήσεις ακόμα και παχύρρευστων υγρών, αλλά σε υλικά που η αντιστάθμιση της θερμοκρασίας επιρεάζει την πυκνότητα είναι δυνατόν να οδηγήσουν σε Εικόνα 4: Αισθητήρας πίεσης 19

27 λανθασμένες μετρήσεις. Μαγνητικός αισθητήρας αποτελείται απο ένα πλωτό στοιχείο με έναν μόνιμο μαγνήτη τοποθετημένο στο εσωτερικό του. Το στοιχείο αυτό κινείται πάνω σε μια ράβδο που έχει κάποιες επαφές στο εσωτερικό της οι οποίες μεταβάλλουν την αντιστασή της. Πρόκειται για μια απλή μέθοδο η οποία όμως απαιτεί υλικά με πολύ μικρή πυκνότητα. Αισθητήρας υπερήχων εκπέμπει έναν υπέρηχο που κατευθύνεται προς την επιφάνεια του υλικού, ανακλάται και επιστρέφει στο αισθητήριο. Ο χρόνος μεταξύ εκπομπής και λήψης του υπέρηχου μετριέται και μεταφράζεται σε στάθμη του υλικού. Το σήμα που λαμβάνεται απο την συσκευή είναι αναλογικό. Πλεονέκτημα του αισθητήρα αποτελεί ότι δεν έρχεται σε επαφή με το υλικό και δεν εξαρτάται απο την πυκνότητα του. Ωστόσο η ταχύτητα του ήχου πολλές φορές είναι δυνατόν να επηρεαστεί απο μεταβολές της θερμοκρασίας Ο ΑΙΣΘΗΤΗΡΑΣ ΥΠΕΡΗΧΩΝ HC-SR04 Εικόνα 6: Αισθητήρας υπερήχων Ο αισθητήρας HC-SR04 περέχει μετρήσεις σε αποστάσεις μεταξύ 2cm 400cm με ακρίβεια μέχρι και 3mm. Ηλεκτρικές παράμετροι για την λειτουργία της μονάδας είναι: Εικόνα 5: Μαγνητικός αισθητήρας Τάση λειτουργίας 5V DC Ρεύμα λειτουργίας 15mA Συχνότητα λειτουργίας 40Hz 20

28 Μέγιστη απόσταση 4m Μικρότερη απόσταση 2cm Γωνία λήψης σήματος 15 μόιρες Έναυσμα (trigger) σήμα εισόδου Ηχώ (echo) σήμα εξόδου Διαστάσεις Παλμός 10us TTL Είσοδος TTL επίπεδο σήμα και η απόσταση σε αναλογία 45x20x15mm Τα PIN για την σύνδεση της συσκευής είναι τέσσερα: 5V τροφοδοσία (Vcc) Παλμός εισόδου (Trigg) Παλμός εξόδου (echo) 0V γείωση (GND) Εικόνα 7: Ο αισθητήρας υπερήχων HC-SR ΣΥΣΤΗΜΑ ΣΥΝΑΓΕΡΜΟΥ Υπάρχουν δύο βασικά συστήματα συναγερμού, τα ενσύρματα και ασύρματα. Και τα δύο τύποι έχουν πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Τα ενσύρματα συστήματα συναγερμών συνήθως θεωρούνται ως πιο αξιόπιστα συστήματα συναγερμού. Πρόκειται για σύστημα συναγερμού κατά το οποίο οι αισθητήρες (παγίδες) που ενεργοποιούν το συναγερμό είναι συνδεδεμένοι με τον πίνακα ελέγχου του συναγερμού με καλώδια. 21

29 Τα ασύρματα συστήματα συναγερμών αποτελούνται από ένα πίνακα ελέγχου και αισθητήρες (παγίδες), όμως η διαφορά είναι ότι τα παραπάνω συνδέονται μεταξύ τους αλλά και με τον πίνακα ελέγχου ασύρματα εξαλείφοντας την ανάγκη να περαστούν καλώδια. Όπως και στα ενσύρματα συστήματα συναγερμών, έτσι και στα ασύρματα μια ποικιλία από αισθητήρες μπορούν να προστεθούν στο σύστημα, όπως αισθητήρες ή ασύρματες μαγνητικές επαφές ή παγίδες π.χ. για πόρτες και παράθυρα, PIR αισθητήρες ανίχνευσης κίνησης, ανιχνευτές καπνού καθώς και άλλα πολλά.. Αλλά η ομορφιά και ταυτόχρονα η ευκολία ενός ασύρματου συστήματος είναι το γεγονός ότι δεν χρειάζεται να εγκατασταθούν όλα τα αξεσουάρ ταυτόχρονα, σε αντίθεση με το ενσύρματο σύστημα. Το μόνο κύριο μειονέκτημα στα ασύρματα συστήματα είναι το γεγονός ότι θα πρέπει να αλλάζονται οι μπαταρίες των αισθητήρων τακτικά. Και στις δύο περιπτώσεις ένα ολοκληρωµένο ηλεκτρονικό σύστηµα συναγερµού αποτελείται από τα εξής στοιχεία: Κεντρική µονάδα ελέγχου : συνδέονται όλα τα αισθητήρια και εξαρτήµατα που αποτελούν ένα συναγερµό, στην παρούσα πτυχιακή τον ρόλο της κεντρική μονάδας αναλαμβάνει το Αrduino. Πληκτρολόγιο : ενεργοποιεί το σύστηµα ασφαλείας (πλήρης /µερική όπλιση) ή το απενεργοποιεί, µε την εισαγωγή προσωπικού κωδικού, δηλαδή εδώ η εφαρμογή του Labview. Είσοδοι του συστήµατος : αποτελούνται απο τους ανιχνευτες και τα αισθητήρια που περιλαµβάνει το σύστηµα, είσοδος στην μακέτα είναι ο αισθητήρας PIR. Έξοδοι του συστήµατος : Συνήθως περιλαµβάνουν φωτεινές και ηχητικές ενδείξεις οι οποίες προειδοποιούν και ενηµερώνουν για πιθανή παραβίαση του φυλασσόµενου χώρου, στην συγκεκριμένη περίπτωση θα είναι ένα απλό λαμπάκι που τροφοδοτείται από δυο μπαταρίες ΕΙΔΗ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ ΓΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑ ΣΥΝΑΓΕΡΜΟΥ Οι ανιχνευτές και τα αισθητήρια, σε ένα σύστηµα συναγερµού, είναι οι συσκευές εκείνες οι οποίες αναγνωρίζουν ανεπιθύµητες εισβολές σε κάποιον προστατευόµενο χώρο. 22

30 Τοποθετηµένες στρατηγικά στον χώρο, µπορούν να προσφέρουν την µέγιστη ασφάλεια. Για ευκολότερη διαχείρηση τους, καθώς και παρακολούθησης των σηµάτων τους, ο χώρος χωρίζεται σε ζώνες στις οποίες µπορούν να ενεργοποιούνται ή να απενεργοποιούνται ξεχωριστά οι κάθε αισθητήρες. Ανιχνευτές επαφής (µηχανικοί διακόπτες/µαγνητικές επαφές) Μια µεγάλη κατηγορία ανιχνευτών, η οποία έχει ως σκοπό την προστασία συγκεκριµένων σηµείων. Οι µηχανικοί ανιχνευτές χρησιµοποιούνται για να ανιχνεύσουν π.χ. το άνοιγµα µιας προστατευόµενης πόρτας. Για την ενεργοποίησή τους, απαιτούν άµεση φυσική επαφή. Για τον ίδιο σκοπό χρησιµοποιούνται και οι ανιχνευτές µαγνητικής επαφής, που όπως και οι µηχανικοί προϋποθέτουν ότι υπάρχει άµεση επαφή. Όταν η πόρτα ή το παράθυρο ανοίγει, ο µαγνήτης ελευθερώνει ένα διακόπτη και δίνει το σήµα του συναγερµού. Ανιχνευτές µικροκυµάτων Μια άλλη κατηγορία ανιχνευτών που χρησιµοποιούνται σε εφαρµογές εσωτερικών αλλά και εξωτερικών χώρων, είναι εκείνοι που βασίζουν τη λειτουργία τους στη µετάδοση µικροκυµάτων. Είναι ανιχνευτές κίνησης, οι οποίοι σαρώνουν µια προκαθορισµένη περιοχή µε ένα ηλεκτρικό πεδίο. Μια κίνηση στο συγκεκριµένο χώρο,διεγείρει το πεδίο και ενεργοποιεί το συναγερµό. Ένα σηµαντικό µειονέκτηµα των ανιχνευτών αυτών οφείλεται στο ότι ενώ δεν επηρεάζονται από τον αέρα ή τις µεταβολές στη θερµοκρασία και στην υγρασία λόγω των υψηλών συχνοτήτων στις οποίες µεταδίδονται, µπορούν και διαπερνούν διάφορα φυσικά εµπόδια, όπως τοίχους,µε αποτέλεσµα να ανιχνεύουν κινήσεις που έγινε εκτός της προστατευόµενης περιοχής και να δώσουν λανθασµένο συναγερµό. Ενεργοί ανιχνευτές υπερύθρων Για την προστασία εσωτερικών και εξωτερικών χώρων, αξιοποιούνται σε πολύ µεγάλη κλίµακα ανιχνευτές, που εκπέµπουν δέσµες υπέρυθρου φωτός σε έναν αποµακρυσµένο δέκτη, δηµιουργώντας έναν ηλεκτρονικό φράκτη. Παραστατικά, η λειτουργία τους µπορεί να παροµοιασθεί µε εκείνη ενός τεντωµένου σπάγκου. Όταν η δέσµη διακοπεί, 23

31 τότε ενεργοποιείται ο συναγερµός. Οι ανιχνευτές φωτο-ηλεκτρικών δεσµών συνίστανται από δύο επιµέρους µέρη: Έναν ποµπό και ένα δέκτη. Ο ποµπός χρησιµοποιεί µία δίοδο εκποµπής υπέρυθρου φωτός και µεταδίδει µια συνεχόµενη υπέρυθρη ακτίνα φωτός στο δέκτη. Ο δέκτης διαθέτει µια φωτοηλεκτρική κυψέλη(συνήθως φωτοτρανζίστορ ή φωτοδίοδο) που ελέγχει την παρουσία της δέσµης φωτός. Συνήθως, στην περίπτωση που διαπιστώσει ότι δεν δέχεται τουλάχιστον το 90% του εκπεµπόµενου σήµατος και για χρονικό διάστηµα µεγαλύτερο των 75 milliseconds ( ο χρόνος που απαιτείται για να διασχίσει κάποιος τη δέσµη) τότε δίνει σήµα συναγερµού. Ανιχνευτές υπερήχων Μια άλλη µεγάλη κατηγορία ανιχνευτών εσωτερικού χώρου, απαρτίζεται από εκείνους τους ανιχνευτές που λειτουργούν µε υπέρηχους. ιαχωρίζονται σε δύο κατηγορίες: στους ενεργούς και στους παθητικούς. Ακουστικοί αισθητήρες Είναι οι λιγότερο διαδεδοµένοι και χρησιµοποιούνται µόνο σε περιπτώσεις όπου οι φυσικοί ήχοι του περιβάλλοντος έχουν χαµηλή ένταση, ώστε να µην καλύπτοναι οι θόρυβοι που παράγονται από ενέργειες διείσδυσης. Ανιχνευτές ηλεκτρικού πεδίου Μια σηµαντική οµάδα ανιχνευτών εξωτερικού χώρου, είναι οι ανιχνευτές ηλεκτρικού πεδίου. Οι συγκεκριµένες διατάξεις παράγουν ένα ηλεκτροστατικό πεδίο ανάµεσα ή γύρω από µια συστοιχία ενσύρµατων αγωγών και µιας ηλεκτρικής γείωσης. Κάθε διαταραχή στο πεδίο, που προκαλείται από πιθανή διείσδυση, ενεργοποιεί τους ανιχνευτές και δίνει σήµα συναγερµού. Οι ανιχνευτές ηλεκτρικού πεδίου χρησιµοποιούνται και αποδεικνύονται πολύ αποτελεσµατικοί σε φράκτες περίφραξης. Ανιχνευτές χωρητικότητας Μια άλλη κατηγορία ανιχνευτών που βασίζεται στις ιδιότητες των ηλεκτροστατικών πεδίων είναι οι ανιχνευτές που λειτουργούν, ελέγχοντας τις µεταβολές στη χωρητικότητα των πεδίων. 24

32 Οι ανιχνευτές αυτής της κατηγορίας αποτελούνται από τρία ηλεκτροφόρα σύρµατα (χαµηλής τάσης) που τοποθετούνται πάνω από το φράκτη. Γύρω από τα σύρµατα παράγεται ένα ηλεκτρικό πεδίο, µε το φράκτη να αποτελεί την ηλεκτρική γείωση. Συνήθως απαιτείται επαφή µε τα σύρµατα για την ενεργοποίηση του συναγερµού, αλλά, αυξάνοντας την ευαισθησία του πεδίου µπορεί να ανιχνευθεί και παρουσία, χωρίς να είναι απαραίτητη η άµεση φυσική επαφή. Ανιχνευτές κραδασµών Στην κατηγορία αισθητήρων που τοποθετούνται σε περιφράξεις, ανήκουν και οι ανιχνευτές κραδασµών.ενέργειες, όπως η αναρρίχηση σε ένα φράκτη ή το κόψιµο των συρµάτων προκαλούν µηχανικές δονήσεις. Οι ανιχνευτές αυτής της κατηγορίας αντιλαµβάνονται τις δονήσεις αυτές, χρησιµοποιώντα ηλεκτρο-µηχανικούς ή πιεζοηλεκτρικούς µετατροπείς. Τα σήµατα από τους µετατροπείς, στέλνονται σε έναν επεξεργαστή και αναλύονται. Ανάλογα µε τη συχνότητα του σήµατος, αγνοείται το ερέθισµα ή στην αντίθετη περίπτωση και όπου κρίνεται σκόπιµο, ενεργοποιείται ο συναγερµός. Ανιχνευτές θραύσης Aναγνωρίζουν τη συχνότητα των τζαµιών όταν σπάνε ή όταν κόβονται µε διαµάντι και τοποθετούνται απέναντι ή στο πλάι της τζαµαρίας που προστατεύουν. Ανιχνευτές πίεσης Λειτουργούν σαν ανοιχτοί διακόπτες οι οποίοι κλείνουν κύκλωµα και δίνουν έξοδο όταν δεχτούν πίεση σε οποιοδήποτε σηµείο τους.συνήθως τοποθετούνται σε εισόδους κάτω από πλαίσια. Ανιχνευτές PIR Οι παθητικοί ανιχνευτές υπέρυθρων που έχει επικρατήσει να αποκαλούνται PIR έχουν ευρύτατη χρήση σε συστήµατα ασφαλείας. Όπως υποδηλώνει το όνοµά τους, οι συγκεκριµένοι αισθητήρες είναι παθητικοί, το οποίο σηµαίνει ότι δεν εκπέµπουν κανενός είδους σήµα, αλλά δέχονται σήµατα. Αναλυτικότερα, η κεφαλή του αισθητήρα 25

33 είναι διαχωρισµένη σε τοµείς, µε τον κάθε τοµέα να καθορίζεται από συγκεκριµένα όρια. Η ανίχνευση πραγµατοποιείται όταν µια πηγή θερµότητας διασχίζει δύο γειτονικούς τοµείς ή ένα συγκεκριµένο τοµέα δύο φορές, µέσα σε ένα ορισµένο χρονικό διάστηµα. Οι αισθητήρες τύπου PIR ανιχνεύουν την εκπεµπόµενη ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία, που παράγεται από πηγές που παράγουν θερµοκρασίες χαµηλότερες του ορατού φωτός. Ουσιαστικά, δεν µετρούν την ποσότητα της υπέρυθρης εκπεµπόµενης ακτινοβολίας, αλλά τις µεταβολές της. ηλαδή, εντοπίζουν µια υπέρυθρη εικόνα, ανιχνεύοντας την αντίθεση που υπάρχει µεταξύ της εικόνας και του ψυχρότερου περιβάλλοντος. Μονάδα µέτρησης της υπέρυθρης ακτινοβολίας είναι τα microns. Η εκπεµπόµενη ενέργεια από το ανθρώπινο σώµα κυµαίνεται µεταξύ των 7 έως 14 microns. Οι περισσότεροι εκ των ανιχνευτών PIR λειτουργούν ανάµεσα σε αυτά τα όρια. Για να αποφεύγονται τυχούσες θερµικές παρεµβολές από µη σχετικές πηγές που πιθανόν να βρίσκονται στο περιβάλλον, χρησιµοποιείται είτε ένα κύκλωµα µέτρησης του ρυθµού µεταβολής είτε ένα κύκλωµα µέτρησης παλµού δύο διευθύνσεων. Όταν η ανίχνευση του σήµατος γίνεται βάσει του ρυθµού µεταβολής, ο αισθητήρας αξιολογεί την ταχύτητα µε την οποία µεταβάλλεται η ποσότητα της ενέργειας στον υπό έλεγχο χώρο. Παραδείγµατος χάρη, η κίνηση από ένα εισβολέα στον ελεγχόµενο χώρο προκαλεί µια πολύ γρήγορη µεταβολή της ενέργειας, ενώ οι βαθµιαίες θερµοκρασιακές µεταβολές, αντιθέτως,προκαλούν αργές και σταδιακές αλλαγές στην εκπεµπόµενη ποσότητα της ενέργειας. Στην άλλη κατηγορία του παλµού µέτρησης δύο διευθύνσεων, σήµατα από διαφορετικούς θερµικούς αισθητήρες συντελούν στην εµφάνιση αντίθετης πολικότητας. Ένας άνθρωπος που θα διεισδύσει στον ελεγχόµενο χώρο µε µια φυσιολογική ταχύτητα, θα προκαλέσει φυσιολογικά, διάφορα σήµατα που θα συµβάλλουν στην ανίχνευση του. Όταν η εκπεµπόµενη ακτινοβολία υπερβεί κάποια προκαθορισµένη τιµή, τότε ο θερµικός αισθητήρας παράγει ένα ηλεκτρικό σήµα, που αποστέλλεται σε ένα ενσωµατωµένο επεξεργαστή για αξιολόγηση και πιθανή ενεργοποίηση του 26

34 συναγερµού.οι ανιχνευτές τύπου PIR τοποθετούνται κυρίως σε τοίχους ή οροφές, µε τη διάταξη ανίχνευσης να καλύπτει τις πιθανές ζώνες διείσδυσης. Κάθε ζώνη ανίχνευσης/ επίβλεψης µπορεί να παροµοιαστεί περιγραφικά σαν µια ακτίνα προβολέα, που σταδιακά διευρύνεται, όσο η ζώνη εκτείνεται µακρύτερα από τον αισθητήρα, ενώ άλλα τµήµατα είναι φωτεινότερα και άλλα σκοτεινότερα. Το συγκεκριµένο αυτό χαρακτηριστικό επιτρέπει στο χρήστη να εστιάζει την "ακτίνα" σε περιοχές που απαιτούν µεγαλύτερο βαθµό προστασίας, από άλλες µικρότερης σηµασίας. Θεωρητικά, οι ανιχνευτές αυτής της κατηγορίας, όταν τοποθετούνται σε οροφές ή πύργους καλύπτουν µια ζώνη ανίχνευσης 360 µοιρών. Η κατάλληλη χρησιµοποίηση και εναλλαγή διάφορων φακών και ανακλαστήρων επιτρέπει τη συνεχή αλλαγή και τµηµατοποίηση σε µικρότερες ζώνες των χώρων που βρίσκονται υπό επιτήρηση. O σχεδιασµός των ανιχνευτών PIR τους δίνει τη δυνατότητα να παρέχουν ένα ολοκληρωτικό φραγµό προστασίας, εξουδετερώνοντας τα νεκρά σηµεία που πιθανώς να υπάρχουν. Οι ανιχνευτές PIR µε αυτό το συγκεκριµένο χαρακτηριστικό είναι κατάλληλοι για εισόδους και προθάλαµους. Όπως και κάθε σύστηµα επιτήρησης και προστασίας, έτσι και οι ανιχνευτές PIR διαθέτουν τα τρωτά τους σηµεία. Το κυριότερο πηγάζει από την ίδια αρχή λειτουργίας τους, που βασίζεται, όπως προαναφέρθηκε, στη διαφορά θερµοκρασίας µεταξύ του περιβάλλοντος και του στόχου. Θεωρητικά λοιπόν, εάν η ενέργεια που εκπέµπει κάποιος έχει την ίδια θερµοκρασία µε τον περιβάλλον, τότε οι ανιχνευτές δεν θα µπορούν να τον εντοπίσουν. Για να αντιµετωπιστεί αποτελεσµατικά η συγκεκριµένη αδυναµία των ανιχνευτών τύπου PIR, θα πρέπει να χρησιµοποιούνται σε συνδυασµό και ανιχνευτές άλλου είδους, ανάλογα µε το χώρο προστασίας. Ένα ακόµα πρόβληµα που παρουσιάζεται συχνά είναι οι λανθασµένοι συναγερµοί που συνήθως οφείλονται στην κίνηση ενός κατοικιδίου ή εντόµου καθώς και στην µεταβολή θερµότητας που προκαλεί ένα χρονοπρογραµµατιζόµενο σύστηµα θέρµανσης ή και σωλήνες ζεστού νερού. 27

35 Επιπροσθέτως, ένα άλλο µειονέκτηµα είναι ότι οι ανιχνευτές PIR δεν είναι σε θέση να φιλτράρουν το ορατό φως, οπότε µπορεί η λειτουργία τους να επηρεαστεί από τους προβολείς των αυτοκινήτων ή άλλες πηγές εστιασµένου φωτός. Αν και η υπέρυθρη ακτινοβολία από το ηλιακό φως φιλτράρεται από τα παράθυρα, σε ένα δωµάτιο υπάρχουν και άλλα αντικείµενα που µπορούν να εκπέµπουν ή και να αντανακλούν υπέρυθρη ακτινοβολία και σε συνδυασµό µε τυχαίες παροδικές κινήσεις που προκαλούν σηµαντικές αυξοµειώσεις της εκπεµπόµενης ενέργειας. Όλα τα παραπάνω είναι πιθανές αιτίες πρόκλησης λανθασµένων συναγερµών,για αυτό το λόγο πλέον οι σύγχρονοι PIR ανιχνευτές διαθέτουν ένα «έξυπνο» ενσωµατωµένο σύστηµα το οποίο µπορεί να ξεχωρίζει τα σήµατα (πχ δεν δίνεται έξοδος για αντικείµενα µικρότερα κάποιου ύψους) µειώνοντας έτσι δραστικά τις πιθανότητες λαθών ΑΙΣΘΗΤΗΡΑΣ PIR SE-10 Στην παρούσα πτυχιακή έγινε χρήση ενός αισθητήρα PIR συγκεκριμενα του SE-10. Επιλέχθηκε ο συγκεκριμένος αισθητήρας, διότι υποστήριζεται από την πλατφόρμα που χρησιμοποιήθηκε (Arduino UNO Rev3) και απο την διαδικτυακή κοινότητα του Arduino, η οποία μπορεί να προσφέρει υποστήριξη για αρχάριους μέσα απο πληθώρα παραδειγμάτων που παρέχει. Αν και οι ο κατασκευαστής προτείνει τάση λειτουργίας 12V λειτουργεί εξίσου καλά και στα 5V. Εικόνα 8: Αισθητήρας PIR, SE-10 Η συνδεσμολογία που φαίνεται στο σχέδιο είναι και αυτή που θα εφαρμοστεί στην μακέτα. Δηλαδή επιπλέον του αισθητηρίου PIR και της πλακέτας (Arduino) απαιτούνται μια λάμπα, ένας απο τους 4 ηλεκτρονόμους της πλακέτας, μια αντίσταση 4.7 κω, μια λάμπα και μπαταρίες. 28

36 Σύμφωνα με την συνδεσμολογία θα δοθεί ρεύμα στο αισθητήριο, μόνο όταν δοθεί εντολή μέσω του προγράμματος, για να περάσουν 5V απο το ψηφιακό pin 2. Μόλις εντοπιστεί κίνηση θα δοθεί σήμα με αποτέλεσμα να οπλίσει ο ηλεκτρονόμος Κ1. Οπλίζοντας ο ηλεκτρονόμος επιτρέπει την διέλευση ρεύματος απο τον θετικό πόλο της μπαταρίας προς την λάμπα, με αποτέλεσμα να ανάψει. 2.5 ΑΙΣΘΗΤΗΡΙΟ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Εικόνα 9: Συνδεσμολογία PIR, ολοκληρωμένο σύστημα συναγερμού ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ Η έννοια που επινόησαν οι άνθρωποι για να προσδιορίσουν με αριθμούς το πόσο ζεστό και κρύο είναι ένα σώμα, λέγεται θερμοκρασία. Η κλίμακα θερμοκρασίας κελσίου προσδιορίζεται απο 2 χαρακτηριστικά σημεία της. Το μηδέν (συμβολικά 0 ο C), που αντιστοιχεί στη θερμοκρασία πήξης του καθαρου νερού ή τήξης του πάγου και το εκατό (συμβολικά 100 ο C) που αντιστοιχεί στη θερμοκρασία βρασμού του καθαρού νερού, όταν η ατμοσφαιρική πίεση είναι ίση με 1atm ΤΥΠΟΙ ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΩΝ Το όργανο που χρησιμοποιείται για την μέτρηση της είναι το θερμόμετρο. Η λειτουργία του βασίζεται σε ιδιότητες των υλικών που αλλάζουν με τη μεταβολή της θερμοκρασίας (όπως η διαστολή, δηλαδή η αύξηση του όργκου των σωμάτων όταν αυξάνεται η θερμοκρασία). Είναι γνωστό ότι τα σώματα μεταβάλλουν τις διαστάσεις τους όταν μεταβάλλεται η θερμοκρασία τους. Σε στενές περιοχές θερμοκρασιών η μεταβολή των διαστάσεων των σωμάτων είναι γραμμική συνάρτηση της θερμοκρασίας. Στα θερμόμετρα υγρών η ιδιότητα αυτή αξιοποιείται με την τοποθέτηση ενός υγρού (υδραργύρου, ή χρωματισμένου οινοπνεύματος) σε ένα μικρό γυάλινο δοχείο, που απολήγει σε ένα στενό σωλήνα. Το ύψος της στάθμης του υγρού στο σωλήνα ακολουθεί τις μεταβολές της 29

37 θερμοκρασίας την οποία μετρούμε απ ευθείας σε μια κλίμακα προσαρμοσμένη δίπλα στο σωλήνα. Τα συμβατικά υδραργυρικά θερμόμετρα είναι κατάλληλα για μετρήσεις θερμοκρασιών από έως. Τα διμεταλλικά θερμόμετρα αξιοποιούν τους διαφορετικούς συντελεστές διαστολής δύο διαφορετικών μετάλλων. Αποτελούνται από δύο συγκολλημένες μεταλλικές ταινίες με διαφορετικούς συντελεστές διαστολής, οπότε όταν θερμαίνονται, κάμπτονται προς την πλευρά του μετάλλου με το μικρότερο συντελεστή διαστολής. Το αντίθετο συμβαίνει, όταν ψύχονται. Τα διμεταλλικά θερμόμετρα χρησιμοποιούνται ως θερμοστάτες, π.χ. σε ηλεκτρικά ψυγεία, σε εγκαταστάσεις κεντρικής θέρμανσης κλπ. Μια άλλη κατηγορία θερμομέτρων αξιοποιεί τη μεταβολή των ηλεκτρονικών ιδιοτήτων των μετάλλων και των ημιαγωγών. Στα μέταλλα η ηλεκτρική αντίσταση αυξάνει συναρτήσει της θερμοκρασίας. Στα θερμόμετρα αντίστασης ο αισθητήρας δέχεται τις μεταβολές της θερμοκρασίας και τις μεταφράζει με κατάλληλη ηλεκτρική διάταξη σε ηλεκτρικό σήμα. Στους ημιαγωγούς η ηλεκτρική αντίσταση κατά κανόνα μειώνεται όταν αυξάνει η θερμοκρασία. Οι αντίστοιχοι αισθητήρες λέγονται θερμίστορ. Η σύγχρονη τεχνολογία παρέχει ολοκληρωμένες ηλεκτρονικές διατάξεις πολύ μικρών διαστάσεων, που λειτουργούν με ημιαγώγιμους αισθητήρες. Τα θερμοστοιχεία είναι ένας άλλος τύπος ηλεκτρονικών θερμομέτρων. Η αρχή λειτουργίας τους βασίζεται στην ηλεκτρική τάση, που παράγεται στην επαφή δύο μετάλλων. Η τάση αυτή είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας και μεταφέρεται σε ένα κατάλληλα βαθμονομημένο βολτόμετρο, όπου μπορούμε να αναγνώσουμε απ ευθείας τη θερμοκρασία. Η χρήση των θερμοστοιχείων συνηθίζεται στις βιομηχανικές εφαρμογές, όπου απαιτούνται ακριβείς μετρήσεις σε ευρεία περιοχή θερμοκρασιών από -200 ο C έως 1600 ο C. Τα πυρόμετρα και οι θερμογράφοι αξιοποιούν τη θερμική ακτινοβολία, που εκπέμπουν τα σώματα σε οποιαδήποτε θερμοκρασία. Τα πυρόμετρα χρησιμοποιούνται για μετρήσεις υψηλών θερμοκρασιών, π.χ. τηγμάτων μετάλλων. Οι θερμογράφοι δέχονται τη θερμική ακτινοβολία των σωμάτων και με κατάλληλη εστίαση τη διαβιβάζουν σε ένα φωτογραφικό φιλμ, ή σε ένα μόνιτορ. Τα σημεία του σώματος, που βρίσκονται σε 30

38 υψηλότερη θερμοκρασία, εκπέμπουν ισχυρότερη ακτινοβολία και χρωματίζουν πιο έντονα το φιλμ, ή την οθόνη. Οι θερμογράφοι είναι κατάλληλοι για μετρήσεις χαμηλών θερμοκρασιών, όπως είναι αυτές του περιβάλλοντος και χρησιμοποιούνται στον έλεγχο της θερμικής μόνωσης των κτηρίων ΤΥΠΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΙΩΝ ΘΕΜΡΟΚΡΑΣΙΑΣ Θερμοζεύγος (thermocouple). Τα αισθητήρια αυτά παράγουν κατ' ευθείαν ηλεκτρικό σήμα ανάλογο με την θερμοκρασία του χώρου στον οποίο βρίσκονται. Συνήθως αναφέρονται με την λέξη θερμοζεύγος (thermocouple) γιατί απαιτούνται τουλάχιστον δύο διαφορετικά υλικά για την δημιουργία τους. Γενικά τα θερμοζεύγη δεν είναι αισθητήρια μεγάλης ακρίβειας. Επίσης υπάρχει δυσκολία στον σχεδιασμό του κυκλώματος αντιστάθμισης. Είναι όμως γρήγορα στην απόκριση (χρόνος απόκρισης περίπου 1-2 sec) και αρκετά φθηνά. Ανάλογα με την περιοχή θερμοκρασίας που πρόκειται να χρησιμοποιηθεί, επιλέγεται το κατάλληλο θερμοζεύγος. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στην γραμμικότητα που παρουσιάζει το αισθητήριο που θα επιλεγεί στην περιοχή αυτή. Ολοκληρωμένα αισθητήρια επαφής PN. Η συμπεριφορά μιας επαφής pn, μιας διόδου ή ενός τρανζίστορ, όπως αναφέραμε και στην προηγούμενη παράγραφο, εξαρτάται από την θερμοκρασία στην οποία βρίσκεται. Και αυτό γιατί αύξηση της θερμοκρασίας, σημαίνει ότι στην επαφή παρέχεται ενέργεια, επομένως αυξάνεται η δυνατότητα κίνησης των ελευθέρων ηλεκτρονίων (μειώνεται το ενεργειακό χάσμα), επομένως η αντίσταση που παρουσιάζει η επαφή μειώνεται. Ετσι αν η επαφή συνδεθεί σε μια πηγή ρεύματος, η διαφορά δυναμικού στα άκρα της επαφής θα μειώνεται. Αποδεικνύεται ότι η διαφορά δυναμικού της επαφής V είναι της μορφής: V = a bt, όπου a, b δύο σταθερές και Τ η θερμοκρασία της επαφής. Αισθητήρια θερμοκρασίας μεταβλητής αντίστασης. Πρόκειται για αισθητήρια στα οποία εκμεταλλευόμαστε την μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης ενός υλικού, καθώς αλλάζει η θερμοκρασία του. Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι : 31

39 1. τα θερμίστορ (thermistors) 2. και τα αισθητήρια αντίστασης (resistance temperature detectors - RTD). Ένα σημαντικό μειονέκτημα των αισθητηρίων θερμοκρασίας μεταβλητής αντίστασης είναι το φαινόμενο αυτοθέρμανσης. Κατά την λειτουργία του ένα αισθητήριο αντίστασης διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα. Λόγω όμως του φαινομένου Joule μια αντίσταση που διαρρέεται από ρεύμα θερμαίνεται. Έτσι το αισθητήριο θερμαίνεται λόγω του ρεύματος που το διαρρέει. Αυτό είναι μια πηγή σφάλματος, αφού η θερμοκρασία του αισθητηρίου δεν επηρεάζεται μόνο από την θερμότητα του αντικειμένου (του οποίου μετρά την θερμοκρασία) αλλά και από την θερμότητα που αναπτύσσεται σε αυτό λόγω του φαινομένου joule ΘΕΡΜΙΣΤΟΡ Πρόκειται για αντιστάτες, η τιμή των οποίων εξαρτάται από την θερμοκρασία στην οποία βρίσκονται. Κατασκευάζονται από την μίξη οξειδίων μετάλλων με χαρακτηριστικά ημιαγωγών και έχουν σχήμα κυλινδρικό, σφαιρικό, ορθογώνιο και λεπτού φιλμ. Διαιρούνται σε δύο κατηγορίες : αρνητικού συντελεστή θερμοκρασίας (negative temperature coefficient - NTC) Στα θερμίστορ αυτά η αντίσταση μειώνεται καθώς η θερμοκρασία αυξάνει, παρουσιάζουν δηλαδή αρνητικό θερμικό συντελεστή. και θετικού συντελεστή θερμοκρασίας (positive temperature coefficient - PTC). Στα θερμίστορ αυτά σε μια μεγάλη περιοχή θερμοκρασίας, η αντίστασή τους αυξάνει καθώς η θερμοκρασία αυξάνει, παρουσιάζουν δηλαδή θετικό θερμικό συντελεστή. Όλα τα μέταλλα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή PTC, παρουσιάζουν όμως χαμηλό θερμικό συντελεστή. Αντίθετα άλλα (κεραμικά) υλικά παρουσιάζουν υψηλό συντελεστή και γι αυτό προτιμούνται. Τα θερμίστορ είτε είναι PTC είτε έιναι NTC δεν παρουσιάζουν γραμμική συμπεριφορά και γι αυτό δεν χρησιμοποιούνται ευρέως στην βιομηχανία για μέτρηση θερμοκρασίας. Είναι όμως 10 φορές πιο ευαίσθητα σε αλλαγές της θερμοκρασίας από τα θερμοζεύγη και παρουσιάζουν πολύ καλλίτερη σταθερότητα στην συμπεριφορά τους κατά την 32

40 διάρκεια μακρόχρονης χρήσης του. Επίσης έχουν μικρές διαστάσεις και δεν χρειάζονται ειδική συρμάτωση. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε θερμοκρασιακές περιοχές από -100 ο C έως 400 ο C. Για τις ανάγκες τις πτυχιακής αποφασίστηκε να χρησιμοποιηθεί αισθητήριο θερμοκρασίας τύπου θερμίστορ, με εποξική επικάλυψη. Η εποξική επικάλυψη χρησιμοποιείται ως προστατευτικό αστάρι, για την επικάλυψη και προστασία επιφανειών αλλά και ως ρητίνη πλαστικοποίησης. Η αντιστασή του στους 25 ο C είναι 10kΩ +-1%, το εύρως μέτρησης θερμοκρασίας του θερμίστορ είναι απο -55 ο C έως 125 ο C, η διάμετρος του αισθητηρίου είναι 3,5mm και το μήκος του καλωδίου 45cm. Εικόνα 10: 10K Precision Epoxy Thermistor NTC H συνδεσμολογία που εφαρμόστηκε είναι η εξής: Εικόνα 11: Συνδεσμολογία για το θερμίστορ με αντίσταση 10kΩ 33

41 2.6 ΑΝΤΛΙΑ, ΦΩΤΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΑΝΤΛΙΑ Για την κατασκευή επιλέχθηκε μια εμβυθιζόμενη αντλί, η οποία είναι σχεδιασμένη για πλήρη εμβύθιση σε νερό, αλλα περιορισμένη στην συνεχή λειτουργία της η οποία δεν πρέπει να υπερβένει τα 15 λεπτά. Ακόμη αντέχει σε θερμοκρασίες μέχρι 60 ο C και δεν πρέπει να λειτουργεί όταν δεν είναι βυθισμένη σε νερό. Κάποια βασικά χαρακτηριστικά της αλντίας είναι: Χωρητικότητα 378 LPH λίτρα/ώρα Τάση Μοτέρ 12V DC Ονομαστικό ρεύμα In=2A Διάμετρος Σωλήνα 11mm Μανομετρικό 5m ΦΩΤΙΣΜΟΣ Για τον φωτισμό της μακέτας χρησιμοποιήθηκε μια ταινία LED 12V DC και μήκους περίπου 25cm, σε αυτό το μήκος υπολογίζεται ότι χρειάζεται 0,2Α ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ Για την τροφοδοσία των παραπάνω χρειάστηκε να χρησιμοποιηθούν 2 τροφοδοτικά το ένα για την ανλτία (12V DC, 2A) και το άλλο για την ταινία LED (12V DC, 1A). 34

42 2.7 ΒΟΗΘΗΤΙΚΟ ΚΥΚΛΩΜΑ ΚΑΙ ΚΥΚΛΩΜΑ ΙΣΧΥΟΣ Το κύκλωμα ισχύος: Και το βοηθητικό κύκλωμα: Εικόνα 22: Το κύκλωμα της κατασκευής απο την μεριά του ισχύος Εικόνα 13: Το κύκλωμα της κατασκευής απο την μεριά του βοηθητικού 35

43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ARDUINO 3.1 ΓΕΝΙΚΑ Tο Arduino είναι μια «ανοικτού κώδικα» πλατφόρμα «πρωτοτυποποίησης» ηλεκτρονικών βασισμένη σε ευέλικτο και εύκολο στη χρήση hardware και software που προορίζεται για οποιονδήποτε έχει λίγη προγραμματιστική εμπειρία, στοιχειώδεις γνώσεις ηλεκτρονικών και ενδιαφέρεται να δημιουργήσει διαδραστικά αντικείμενα ή περιβάλλοντα. Εικόνα 14: Arduino UNO REV3 Στην ουσία, πρόκειται για ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα που βασίζεται στον μικροελεγκτή ATmega της Atmel του οποίου όλα τα σχέδια, καθώς και το software που χρειάζεται για την λειτουργία του, διανέμονται ελεύθερα και δωρεάν ώστε να μπορεί να κατασκευαστεί από τον καθένα (απ όπου και ο χαρακτηρισμός «ανοικτού κώδικα»). Αφού κατασκευαστεί, μπορεί να συμπεριφερθεί σαν ένας μικροσκοπικός υπολογιστής, ο χρήστης μπορεί να συνδέσει επάνω του πολλαπλές μονάδες εισόδου/εξόδου και να προγραμματίσει τον μικροελεγκτή να δέχεται δεδομένα από τις μονάδες εισόδου, να τα επεξεργάζεται και να στέλνει κατάλληλες εντολές στις μονάδες εξόδου. 36

44 Το Arduino βέβαια, δεν είναι ούτε ο μοναδικός, ούτε και ο καλύτερος δυνατός τρόπος για την δημιουργία μιας οποιασδήποτε διαδραστικής ηλεκτρονικής συσκευής. Όμως το κύριο πλεονέκτημά του είναι η τεράστια κοινότητα που το υποστηρίζει και η οποία έχει δημιουργήσει, συντηρεί και επεκτείνει μια ανάλογου μεγέθους διαδικτυακή γνωσιακή βάση. Έτσι, παρότι ένας έμπειρος ηλεκτρονικός μπορεί να προτιμήσει διαφορετική πλατφόρμα ή εξαρτήματα ανάλογα με την εφαρμογή που έχει στον νου του, το Arduino, με τα εκτενεί εγχειρίδια, καταφέρνει να κερδίσει όλους αυτούς των οποίων οι γνώσεις στα ηλεκτρονικά είναι περιορισμενες. Ακριβώς επειδή απευθύνεται κυρίως σε αρχάριους των ηλεκτρονικών και επειδή, παρά τις αναλυτικότατες οδηγίες που υπάρχουν, δεν έχουν όλοι τις γνώσεις και τα μέσα να κατασκευάσουν μια ηλεκτρονική πλακέτα, κυκλοφορούν έτοιμες, προκατασκευασμένες πλακέτες Arduino που μπορεί να το προμηθευτεί κανείς για περίπου 25. Με λίγα χρήματα παραπάνω μάλιστα, οι περισσότεροι προμηθευτές διαθέτουν Arduino Starter Kit, τα οποία, εκτός από το ίδιο το Arduino, περιέχουν διάφορα άλλα εξαρτήματα και εργαλεία που μπορεί να χρειαστεί κανείς για τις πρώτες του εφαρμογές (όπως το απαραίτητο καλώδιο USB για την σύνδεση με τον υπολογιστή, ράστερ, καλώδια, LED, διακόπτες, ποτενσιόμετρα, αντιστάσεις, διόδους, τρανζίστορ κ.λπ.). Μπορεί κάποιος να βρεί μια λίστα με προμηθευτές του Arduino σε όλο τον κόσμο, κάνοντας κλικ στον σύνδεσμο Buy στον επίσημο ιστότοπο του Arduino. Στην λίστα δεν υπάρχει έλληνας προμηθευτής αλλά πολλά καταστήματα του εξωτερικού στέλνουν και στην Ελλάδα με αρκετά λογικά μεταφορικά κόστη. Υπάρχουν διαφορετικές εκδόσεις στις οποίες κυκλοφορεί, επίσημες και ανεπίσημες. Από τις επίσημες εκδόσεις (Duemilanove, UNO, Diecimila, Nano, Mega, Bluetooth, LilyPad, Mini, Mini USB, Pro, Pro Mini, Serial και Serial SS) συνιστάται κυρίως η αγορά του Arduino UNO ή Duemilanove ή τουλάχιστον των Diecimila ή Mega επειδή διαθέτουν υποδοχή USB και είναι συμβατές με τα shield. Για τους ίδιους λόγους, από τις ανεπίσημες εκδόσεις (Freeduino, Boarduino, Sanguino, Seeeduino, BBB, RBBB κ.α.) συνιστάται μόνο το Freeduino και το Seeeduino. 37

45 Στην παρούσα πτυχιακή θα γίνει χρήση του Arduino UNO. Γι αυτό όσα θα αναφερθούν παρακάτω αφορούν το Arduino Uno. 3.2 Ο ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗΣ ΤΟΥ ARDUINO Το Arduino βασίζεται στον ATmega328, έναν 8-bit RISC μικροελεγκτή, τον οποίο χρονίζει στα 16MHz. Ο ATmega328 διαθέτει ενσωματωμένη μνήμη τριών τύπων: 2Kb μνήμης SRAM που είναι η ωφέλιμη μνήμη που μπορούν να χρησιμοποιήσουν τα προγράμματά σας για να αποθηκεύουν μεταβλητές, πίνακες κ.λπ. κατά το runtime (ονομάζεται η διάρκεια κατα την οποία «τρέχει» το πρόγραμμα). Όπως και σε έναν υπολογιστή, αυτή η μνήμη χάνει τα δεδομένα της όταν η παροχή ρεύματος στο Arduino σταματήσει ή αν γίνει reset. 1Kb μνήμης EEPROM η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για «ωμή» εγγραφή/ανάγνωση δεδομένων (χωρίς datatype) ανά byte από τα προγράμματά σας κατά το runtime. Σε αντίθεση με την SRAM, η EEPROM δεν χάνει τα περιεχόμενά της με απώλεια τροφοδοσίας ή reset οπότε είναι το ανάλογο του σκληρού δίσκου. 32Kb μνήμης Flash, από τα οποία τα 0,5Kb χρησιμοποιούνται από το firmware (υλικολογισμικό) του Arduino που έχει εγκαταστήσει ήδη ο κατασκευαστής του. Το firmware αυτό που στην ορολογία του Arduino ονομάζεται bootloader είναι αναγκαίο για την εγκατάσταση των δικών σας προγραμμάτων στον μικροελεγκτή μέσω της θύρας USB, χωρίς δηλαδή να χρειάζεται εξωτερικός hardware programmer. Τα υπόλοιπα 31,5Kb της μνήμης Flash χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση αυτών ακριβώς των προγραμμάτων, αφού πρώτα μεταγλωττιστούν στον υπολογιστή σας. Η μνήμη Flash, όπως και η EEPROM δεν χάνει τα περιεχόμενά της με απώλεια τροφοδοσίας ή reset. Επίσης, ενώ η μνήμη Flash υπό κανονικές συνθήκες δεν προορίζεται για χρήση runtime μέσα από τα προγράμματά σας, λόγω της μικρής συνολικής μνήμης που είναι διαθέσιμη σε αυτά (2Kb SRAM + 1Kb 38

46 EEPROM), έχει σχεδιαστεί μια βιβλιοθήκη που επιτρέπει την χρήση όσου χώρου περισσεύει (30Kb μείον το μέγεθος του προγράμματός σας σε μεταγλωττισμένη μορφή). 3.3 ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΜΕ ΑΛΛΕΣ ΕΚΔΟΣΕΙΣ Το Arduino Mega είναι η πιο εξελιγμένη έκδοση με τον μικροελεγκτή ATmega1280 και αρκετά μεγαλύτερο μέγεθος. Οι διαφορές του από το UNO είναι: Τετραπλάσια μνήμη (8Kb SRAM, 4Kb EEPROM, 128Kb Flash). 40 επιπλέον ψηφιακά pin εισόδου/εξόδου (σύνολο 54) 10 επιπλέον pin αναλογικής εισόδου (σύνολο 16) Υποστήριξη ψευδοαναλογικής εξόδου PWM σε 8 ακόμα ψηφιακά pin (σύνολο 14 PWM pin) Υποστήριξη εξωτερικού interrupt σε 4 ακόμα ψηφιακά pin (σύνολο 6 interrupt) 3 επιπλέον σειριακά interface (σύνολο 4) από τα οποία το ένα προωθείται στον ελεγκτή Serial-Over-USB όπως στο UNO για σύνδεση με τον υπολογιστή. Το Arduino Mega είναι συμβατό με τα περισσότερα shield που έχουν κυκλοφορήσει για το Arduino αλλά όχι με το Ethernet Shield, το οποίο είναι ένα αρκετά σημαντικό μειονέκτημα για όσους θέλουν να φτιάξουν εφαρμογές με πρόσβαση στο internet ή σε κάποιο άλλο δίκτυο. Από τις ανεπίσημες εκδόσεις, το Freeduino 1.16 και το Seeeduino βασίζονται στο Diecimila οπότε ισχύουν οι ίδιες διαφορές που έχει αυτό με το Uno. Το Freeduino είναι ακριβής κλώνος του Diecimila, ενώ το Seeeduino είναι μια βελτιωμένη έκδοση του Diecimila με κύρια διαφορά την προσθήκη 2 επιπλέον pin αναλογικής εισόδου. 3.4 ΕΙΣΟΔΟΙ ΕΞΟΔΟΙ Καταρχήν το Arduino διαθέτει σειριακό interface. Ο μικροελεγκτής ATmega υποστηρίζει σειριακή επικοινωνία, την οποία το Arduino προωθεί μέσα από έναν 39

47 Εικόνα 15: Είσοδοι και έξοδοι του Arduino Uno Rev3 ελεγκτή Serial-over-USB ώστε να συνδέεται με τον υπολογιστή μέσω USB. Η σύνδεση αυτή χρησιμοποιείται για την μεταφορά των προγραμμάτων που σχεδιάζονται από τον υπολογιστή στο Arduino αλλά και για αμφίδρομη επικοινωνία του Arduino με τον υπολογιστή μέσα από το πρόγραμμα την ώρα που εκτελείται Επιπλέον, στην πάνω πλευρά του Arduino βρίσκονται 14 θηλυκά pin, αριθμημένα από 0 ως 13, που μπορούν να λειτουργήσουν ως ψηφιακές είσοδοι και έξοδοι. Λειτουργούν στα 5V και καθένα μπορεί να παρέχει ή να δεχτεί το πολύ 40mA. Ως ψηφιακή έξοδος, ένα από αυτά τα pin μπορεί να τεθεί από το πρόγραμμά σε κατάσταση HIGH ή LOW, οπότε το Arduino θα ξέρει αν πρέπει να διοχετεύσει ή όχι ρεύμα στο συγκεκριμένο pin. Με αυτόν τον τρόπο μπορεί κάποιος λόγου χάρη να ανάψει και να σβήσει ένα LED που έχει συνδέσει στο συγκεκριμένο pin. Αν πάλι ρυθμίστεί ένα από αυτά τα pin ως ψηφιακή είσοδο μέσα από το πρόγραμμά σας, μπορεί με την κατάλληλη εντολή να διαβαστεί η κατάστασή του (HIGH ή LOW) ανάλογα με το αν η εξωτερική συσκευή που έχει συνδεθεί σε αυτό το pin διοχετεύει ή όχι ρεύμα στο pin (με αυτόν τον τρόπο λόγου χάρη μπορεί να «διαβάστεί» η κατάσταση ενός διακόπτη). Μερικά από αυτά τα 14 pin, εκτός από ψηφιακές είσοδοι/έξοδοι έχουν και δεύτερη λειτουργία. Συγκεκριμένα: 40

48 Τα pin 0 και 1 λειτουργούν ως RX και TX της σειριακής όταν το πρόγραμμά ενεργοποιεί την σειριακή θύρα. Έτσι, όταν λόγου χάρη το πρόγραμμά στέλνει δεδομένα στην σειριακή, αυτά προωθούνται και στην θύρα USB μέσω του ελεγκτή Serial-Over-USB αλλά και στο pin 0 για να τα διαβάσει ενδεχομένως μια άλλη συσκευή (π.χ. ένα δεύτερο Arduino στο δικό του pin 1). Αυτό φυσικά σημαίνει ότι αν στο πρόγραμμά ενεργοποιηθεί το σειριακό interface, χάνονται 2 ψηφιακές εισόδους/εξόδους. Τα pin 2 και 3 λειτουργούν και ως εξωτερικά interrupt (interrupt 0 και 1 αντίστοιχα). Με άλλα λόγια, μπορούν να τα ρυθμιστούν μέσα από το πρόγραμμά ώστε να λειτουργούν αποκλειστικά ως ψηφιακές είσοδοι στις οποίες όταν συμβαίνουν συγκεκριμένες αλλαγές, η κανονική ροή του προγράμματος σταματάει *άμεσα* και εκτελείται μια συγκεκριμένη συνάρτηση. Τα εξωτερικά interrupt είναι ιδιαίτερα χρήσιμα σε εφαρμογές που απαιτούν συγχρονισμό μεγάλης ακρίβειας. Τα pin 3, 5, 6, 9, 10 και 11 μπορούν να λειτουργήσουν και ως ψευδοαναλογικές έξοδοι με το σύστημα PWM (Pulse Width Modulation), δηλαδή το ίδιο σύστημα που διαθέτουν οι μητρικές των υπολογιστών για να ελέγχουν τις ταχύτητες των ανεμιστήρων. Έτσι, μπορεί να συνδεθεί λόγου χάρη ένα LED σε κάποιο από αυτά τα pin και να ελεγχθεί πλήρως η φωτεινότητά του με ανάλυση 8bit (256 καταστάσεις από 0-σβηστό ως 255- πλήρως αναμμένο) αντί να υπάρχει απλά η δυνατότητα αναμμένο-σβηστό που παρέχουν οι υπόλοιπές ψηφιακές έξοδοι. Είναι σημαντικό ότι το PWM δεν είναι πραγματικά αναλογικό σύστημα και ότι θέτοντας στην έξοδο την τιμή 127, δεν σημαίνει ότι η έξοδος θα δίνει 2.5V αντί της κανονικής τιμής των 5V, αλλά ότι θα δίνει ένα παλμό που θα εναλλάσσεται με μεγάλη συχνότητα και για ίσους χρόνους μεταξύ των τιμών 0 και 5V. Στην κάτω πλευρά του Arduino, με τη σήμανση ANALOG IN, θα υπάρχει μια ακόμη σειρά από 6 pin, αριθμημένα από το 0 ως το 5. Το καθένα από αυτά λειτουργεί ως αναλογική είσοδος κάνοντας χρήση του ADC (Analog to Digital 41

49 Converter) που είναι ενσωματωμένο στον μικροελεγκτή. Για παράδειγμα, μπορείτε να τροφοδοτηθεί ένα από αυτά με μια τάση την οποία μπορεί να κυμάνεται με ένα ποτενσιόμετρο από 0V ως μια τάση αναφοράς Vref η οποία, αν δεν γίνει κάποια αλλαγή είναι προρυθμισμένη στα 5V. Τότε, μέσα από το πρόγραμμά μπορεί να «διαβαστεί» η τιμή του pin ως ένα ακέραιο αριθμό ανάλυσης 10-bit, από 0 (όταν η τάση στο pin είναι 0V) μέχρι 1023 (όταν η τάση στο pin είναι 5V). Η τάση αναφοράς μπορεί να ρυθμιστεί με μια εντολή στο 1.1V, ή σε όποια τάση (μεταξύ 2 και 5V) τροφοδοτώντας εξωτερικά με αυτή την τάση το pin με την σήμανση AREF που βρίσκεται στην απέναντι πλευρά της πλακέτας. Έτσι, αν τροφοδοτηθεί το pin AREF με 3.3V και στην συνέχεια δοκιμαστεί να διαβαστεί κάποιο pin αναλογικής εισόδου στο οποίο εφαρμόζεται τάση 1.65V, το Arduino θα επιστρέψει την τιμή 512. Τέλος, καθένα από τα 6 αυτά pin, με κατάλληλη εντολή μέσα από το πρόγραμμα μπορεί να μετατραπεί σε ψηφιακό pin εισόδου/εξόδου όπως τα 14 που βρίσκονται στην απέναντι πλευρά και τα οποία περιγράφηκαν πριν. Σε αυτή την περίπτωση τα pin μετονομάζονται από 0~5 σε 14~19 αντίστοιχα. 3.5 ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ Το Arduino μπορεί να τροφοδοτηθεί με ρεύμα είτε από τον υπολογιστή μέσω της σύνδεσης USB, είτε από εξωτερική τροφοδοσία που παρέχεται μέσω μιας υποδοχής φις των 2.1mm (θετικός πόλος στο κέντρο) και βρίσκεται στην κάτω-αριστερή γωνία του Arduino. Για να μην υπάρχουν προβλήματα, η εξωτερική τροφοδοσία πρέπει να είναι από 7 ως 12V και μπορεί να προέρχεται από ένα κοινό μετασχηματιστή του εμπορίου, από μπαταρίες ή οποιαδήποτε άλλη πηγή DC. Δίπλα από τα pin αναλογικής εισόδου, υπάρχει μια ακόμα συστοιχία από 6 pin με την σήμανση POWER. Η λειτουργία του καθενός έχει ως εξής: 42

50 Το πρώτο, με την ένδειξη RESET, όταν γειωθεί (σε οποιοδήποτε από τα 3 pin με την ένδειξη GND που υπάρχουν στο Arduino) έχει ως αποτέλεσμα την επανεκκίνηση του Arduino. Το δεύτερο, με την ένδειξη 3.3V, μπορεί να τροφοδοτήσει τα εξαρτήματά με τάση 3.3V. Η τάση αυτή δεν προέρχεται από την εξωτερική τροφοδοσία αλλά παράγεται από τον ελεγκτή Serial-over-USB και έτσι η μέγιστη ένταση που μπορεί να παρέχει είναι μόλις 50mA. Το τρίτο, με την ένδειξη 5V, μπορεί να τροφοδοτήσει τα εξαρτήματά με τάση 5V. Ανάλογα με τον τρόπο τροφοδοσίας του ίδιου του Arduino, η τάση αυτή προέρχεται είτε άμεσα από την θύρα USB (που ούτως ή άλλως λειτουργεί στα 5V), είτε από την εξωτερική τροφοδοσία αφού αυτή περάσει από ένα ρυθμιστή τάσης για να την «φέρει» στα 5V. Το τέταρτο και το πέμπτο pin, με την ένδειξη GND, είναι φυσικά γειώσεις. Το έκτο και τελευταίο pin, με την ένδειξη Vin έχει διπλό ρόλο. Σε συνδυασμό με το pin γείωσης δίπλα του, μπορεί να λειτουργήσει ως μέθοδος εξωτερικής τροφοδοσίας του Arduino, στην περίπτωση που δεν βολεύει να χρησιμοποιηθεί η υποδοχή του φις των 2.1mm. Αν όμως υπάρει ήδη συνδεδεμένη εξωτερική τροφοδοσία μέσω του φις, μπορεί να χρησιμοποιηθεί αυτό το pin για να τροφοδοτήσει εξαρτήματα με την πλήρη τάση της εξωτερικής τροφοδοσίας (7~12V), πριν αυτή περάσει από τον ρυθμιστή τάσης όπως γίνεται με το pin των 5V. 3.6 ΕΝΣΩΜΑΤΩΜΕΝΑ ΚΟΥΜΠΙΑ ΚΑΙ LED Πάνω στην πλακέτα του Arduino υπάρχει ένας διακόπτης micro-switch και 4 μικροσκοπικά LED επιφανειακής στήριξης. Η λειτουργία του διακόπτη (που έχει την σήμανση RESET) και του ενός LED με την σήμανση POWER είναι μάλλον προφανής. 43

51 Τα δύο LED με τις σημάνσεις TX και RX, χρησιμοποιούνται ως ένδειξη λειτουργίας του σειριακού interface, καθώς ανάβουν όταν το Arduino στέλνει ή λαμβάνει (αντίστοιχα) δεδομένα μέσω USB. Σημειώστε ότι τα LED αυτά ελέγχονται από τον ελεγκτή Serialover-USB και συνεπώς δεν λειτουργούν όταν η σειριακή επικοινωνία γίνεται αποκλειστικά μέσω των ψηφιακών pin 0 και 1. Τέλος, υπάρχει το LED με την σήμανση L. Η βασική δοκιμή λειτουργίας του Arduino είναι να του ανατεθεί να αναβοσβήνει ένα LED. Για να γίνει αυτό από την πρώτη στιγμή, χωρίς να συνδεθεί τίποτα πάνω στο Arduino, οι κατασκευαστές του σκέφτηκαν να ενσωματώσουν ένα LED στην πλακέτα, το οποίο σύνδεσαν στο ψηφιακό pin 13. Έτσι, ακόμα και αν δεν έχει συνδεθεί τίποτα πάνω στο φυσικό pin 13, αναθέτοντάς του την τιμή HIGH μέσα από το πρόγραμμά, θα ανάψει αυτό το ενσωματωμένο LED. 3.7 ARDUINO IDE ΚΑΙ ΣΥΝΔΕΣΗ ΜΕ ΤΟΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗ Ότι χρειάζεται για την διαχείριση του Arduino από τον υπολογιστή το παρέχει το Arduino IDE, την τελευταία έκδοση του οποίου μπορεί να βρεις κανείς στο επίσημο σαιτ για καθένα από τα τρία δημοφιλέστερα λειτουργικά συστήματα. Το Arduino IDE είναι βασισμένο σε Java και συγκεκριμένα παρέχει: ένα πρακτικό περιβάλλον για την συγγραφή των προγραμμάτων (τα οποία ονομάζονται sketch στην ορολογία του Arduino) με συντακτική χρωματική σήμανση, αρκετά έτοιμα παραδείγματα, μερικές έτοιμες βιβλιοθήκες για προέκταση της γλώσσας και για να χειρίζεται κανείς εύκολα μέσα από τον κώδικά τα εξαρτήματα που είναι συνδέδεμένα στο Arduino, τον compiler για την μεταγλώττιση των sketch, 44

52 ένα serial monitor που παρακολουθεί τις επικοινωνίες της σειριακής (USB), αναλαμβάνει να στείλει αλφαριθμητικά στο Arduino μέσω αυτής και είναι ιδιαίτερα χρήσιμο για το debugging των sketch και την επιλογή να «ανεβεί» το μεταγλωττισμένο sketch στο Arduino. Για τα δύο τελευταία χαρακτηριστικά βέβαια, το Arduino πρέπει να έχει συνδεθεί σε μια από τις θύρες USB του υπολογιστή και, λόγω του ελεγκτή Serial-over-USB, θα πρέπει να αναγνωριστεί από το λειτουργικό σύστημα ως εικονική σειριακή θύρα. Για την σύνδεση θα χρειαστεί ένα καλώδιο USB από Type A σε Type B, όπως αυτό των εκτυπωτών. Για την αναγνώριση από το λειτουργικό θα χρειαστεί να εγκατασταθεί απο τον οδηγό του FTDI chip (δηλαδή του ελεγκτή Serial-over-USB) ο οποίος υπάρχει στον φάκελο drivers του Arduino IDE. Την τελευταία έκδοση αυτού του οδηγού μπορεί επίσης να κατεβάσει κάποιος για κάθε λειτουργικό σύστημα από το σαιτ της FTDI. Στους τελευταίους πυρήνες του Linux υπάρχει εγγενής υποστήριξη του συγκεκριμένου ελεγκτή. Αν όλα έγιναν σωστά, το κεντρικό παράθυρο του Arduino IDE θα εμφανιστεί όταν το εκτελείται και στο μενού Tools > Serial Port θα πρέπει να εμφανίζεται η εικονική σειριακή θύρα (συνήθως COM# για τα Windows, /dev/ttyusbserial## για το MacOS και /dev/ttyusb## για το Linux). Επιλέγεται αυτή η εικονική θύρα και στην συνέχεια επιλέγεται ο τύπος του Arduino (Arduino Duemilanove w/ ATmega328) από το μενού Tools > Board. Το Arduino είναι πλέον έτοιμο να δεχτεί sketch. 3.8 ΓΛΩΣΣΑ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ Η γλώσσα του Arduino βασίζεται στη γλώσσα Wiring, μια παραλλαγή C/C++ για μικροελεγκτές αρχιτεκτονικής AVR όπως ο ATmega, και υποστηρίζει όλες τις βασικές δομές της C καθώς και μερικά χαρακτηριστικά της C++. Για compiler χρησιμοποιείται ο AVR gcc και ως βασική βιβλιοθήκη C χρησιμοποιείται η AVR libc. Λόγω της καταγωγής της από την C, στην γλώσσα του Arduino μπορεί να χρησιμοποιήθούν ουσιαστικά οι ίδιες βασικές εντολές και συναρτήσεις, με την ίδια 45

53 σύνταξη, τους ίδιους τύπων δεδομένων και τους ίδιους τελεστές όπως και στην C. Πέρα από αυτές όμως, υπάρχουν κάποιες ειδικές εντολές, συναρτήσεις και σταθερές που βοηθούν για την διαχείριση του ειδικού hardware του Arduino. Οι πιο σημαντικές από αυτές επεξηγούνται στον πίνακα που ακολουθεί: Όρισμα Είδος Τύπος Παράμετροι Περιγραφή LOW Σταθερά int - HIGH Σταθερά int - INPUT Σταθερά int - OUTPUT Σταθερά int - pinmode Εντολή - (pin, mode) digitalwrite Εντολή - (pin,pinstatus) Έχει την τιμή 0 και είναι αντίστοιχη του λογικού false. Έχει την τιμή 1 και είναι αντίστοιχη του λογικού true. Έχει την τιμή 0 και είναι αντίστοιχη του λογικού false. Έχει την τιμή 1 και είναι αντίστοιχη του λογικού true. Καθορίζει αν το συγκεκριμένο ψηφιακόpin θα είναι pin εισόδου ή pin εξόδου ανάλογα με την τιμή που δίνεται στην παράμετρο mode (INPUT ή OUTPUT αντίστοιχα). Θέτει την κατάσταση pinstatus (HIGH ή LOW) στο 46

54 συγκεκριμένο ψηφιακό pin. digitalread Συνάρτηση int (pin) analogreference Εντολή - (type) analogread Συνάρτηση int (pin) analogwrite Εντολή - (pin, value) Επιστρέφει την κατάσταση του συγκεκριμένου ψηφιακού pin (0 για LOW και 1 για HIGH) εφόσον αυτό είναι pin εισόδου. Δέχεται τις τιμές DEFAULT, INTERNAL ή EXTERNAL στην παράμετρο type για να καθορίσει την τάση αναφοράς (V ref ) των αναλογικών εισόδων (5V, 1.1V ή η εξωτερική τάση με την οποία τροφοδοτείται το pin AREF αντίστοιχα) Επιστρέφει έναν ακέραιο από 0 εώς 1023, ανάλογα με την τάση που τροφοδοτείται το συγκεκριμένο pin αναλογικής εισόδου στην κλίμακα 0 ως V ref. Θέτει το συγκεκριμένο ψηφιακό pin σε 47

55 κατάσταση ψευδοαναλογικής εξόδου (PWM). Η παράμετρος value καθορίζει το πλάτος του παλμού σε σχέση με την περίοδο του παραγόμενου σήματος στην κλίμακα από 0 ως 255 (π.χ. με value127, το πλάτος του παλμού είναι ίσο με μισή περίοδο). Μετρητής που επιστρέφει το χρονικό διάστημα σε ms από την στιγμή που άρχισε η εκτέλεση του προγράμματος. Λόγω millis Συνάρτηση unsigned long () του τύπου μεταβλητής (unsigned long δηλ. 32bit) θα γίνει overflow σε 2^32ms δηλαδή περίπου σε 50 μέρες, οπότε ο μετρητής θα ξεκινήσει πάλι από το μηδέν. delay Εντολή - (time) Σταματά προσωρινά την ροή του προγράμματος για time ms. Η 48

56 παράμετρος time είναι unsigned long (από 0 ως 2^32). Σημειώστε ότι παρά την προσωρινή παύση, συναρτήσεις των οποίων η εκτέλεση ενεργοποιείται από interrupt θα εκτελεστούν κανονικά κατά την διάρκεια μιας delay. attachinterrupt Εντολή - (interrupt,function,triggermode) Θέτει σε λειτουργία το συγκεκριμένοinterrupt, ώστε να ενεργοποιεί την συνάρτηση function, κάθε φορά που ικανοποιείται η συνθήκη που ορίζεται από την παράμετρο triggermode: LOW (ενεργοποίησ η όταν η κατάσταση του pin που αντιστοιχεί στο συγκεκριμένο interrupt γίνει LOW) 49

57 RISING (όταν από LOW γίνει HIGH) FALLING (όταν από HIGH γίνει LOW) CHANGE (όταν αλλάξει κατάσταση γενικά) detachinterrupt Εντολή - (interrupt) nointerrupts Εντολή - () interrupts Εντολή - () Απενεργοποιεί το συγκεκριμένοinterrupt. Σταματά προσωρινά την λειτουργία όλων των interrupt Επαναφέρει την λειτουργία των interrupt που διακόπηκε προσωρινά από μια εντολή nointerrupts. Θέτει τον ρυθμό Serial.begin Μέθοδος κλάσης - (datarate) μεταφοράς δεδομένων του σειριακού interface (σε baud) Serial.println Μέθοδος κλάσης - (data) Διοχετεύει τα δεδομένα data για αποστολή μέσω του 50

58 σειριακού interface. Η παράμετρος data μπορεί να είναι είτε αριθμός είτε αλφαριθμητικό. Επιπλέον, στην γλώσσα του Arduino κάθε πρόγραμμα αποτελείται από δύο βασικές ρουτίνες. 3.9 SHIELDS Τα shield είναι ολοκληρωμένες πλακέτες που είναι σχεδιασμένες ώστε να κουμπώνουν πάνω στο Arduino προεκτείνοντας την λειτουργικότητά του. Είναι η hardware αντίστοιχη έννοια των plugin, addon και extension που υπάρχουν στο software. Μερικά από τα πιο δημοφιλή shield που κυκλοφορούν στο εμπόριο για το Arduino είναι: Ethernet shield: Δίνει στο Arduino την δυνατότητα να δικτυωθεί σε ένα LAN ή στο internet μέσω ενός τυπικού καλωδίου Ethernet. WiFi shield: Όμοιο με το Ethernet shield, χωρίς φυσικά το καλώδιο. Διάφορα shield οθόνης: Προσθέτουν οθόνη στο Arduino. Κυκλοφορούν από απλές οθόνες τύπου calculator μέχρι OLED touchscreen υψηλής ανάλυσης τύπου iphone. Wave shield: Δίνει στο Arduino την δυνατότητα να παίζει ήχους/μουσική από κάρτες SD. GPS shield: Προσθέτει GPS δυνατότητες στο Arduino (εντοπισμό στίγματος). Διάφορα Motor Shields: Σας επιτρέπουν να οδηγήσετε εύκολα μοτέρ διάφορων τύπων (απλά DC, servo, stepper κ.λπ.) από το Arduino. ProtoShield: Μια προσχεδιασμένη πλακέτα πρωτοτυποποίησης, συμβατή στις διαστάσεις του Arduino και χωρίς εξαρτήματα για να φτιάξετε το δικό σας shield. 51

59 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 LABVIEW 4.1 ΓΕΝΙΚΑ Το όνομα Lab View είναι το ακρώνυμο των λέξεων <<Virtual Instrument Enggineering Workbench>> και αναπτύχθηκε κατά το τέλος της δεκαετίας του 80 από την εταιρία National Instrumenrs. Η εταιρία αυτή ειδικέυται σε συστήματα συλλογής δεδομένων, σε αισθητήρες, αυτοματισμούς και λογισμικό μετρήσεων και ελέγχου. Το Lab View στηρίζεται στον γραφικό προγραμματισμό μέσω αντικειμένων και αποτελεί ένα καλό παράδειγμα του αντικειμενοστραφή προγραμματισμού. Αυτός ο όρος χρησιμοποιείται στην πληροφορική σε αντιδιαστολή με τον λεγόμενο προγραμματισμό διαδικασιών, όπου ο προγραμματιστής γράφει κώδικα εντολών που εκτελούνται με γραμμική διαδοχή. Στο γραφικό περιβάλλον του Lab View ο προγραμματιστής δεν χειρίζεται κώδικα, αλλά γραφικα αντικείμενα, όπως κουμπιά, δείκτες, οθόνες ή τετραγωνίδια που παριστάνουν συναρτήσεις ή εκτελούν συγκεκριμένες λειτουργίες με τη μορφή υπό ρουτινών. Αυτά τα εικονίδια έχουν εισόδους και εξόδους και επιδέχονται προγραμματισμό των ιδιοτήτων τους. Προγραμματίζοντας με τα αντικείμενα που μας δίνει το περιβάλλον του Lab View δημιουργούμε τα λεγόμενα εικονικά όργανα (Virual Instruments ή Vls). Η γραφική γλώσσα που χρησιμοποιεί το Lab View για τον προγραμματισμό και τη δημιουργία εικονικών οργάνων ονομάζεται γλώσσα G. Είναι πάντως δυνατό να χρησιμοποιήσει κανείς το Lab View σε απλό επίπεδο, χρησιμοποιώντας έτοιμα εικονικά όργανα, χωρίς να μπαίνει σε λεπτομέρειες με τη γλώσσα G. Η ορολογία, τα εικονίδια και η γενικότερη φιλοσοφία που χρησιμοποιεί το Lab View και η γλώσσα G είναι οικεία σε επιστήμονες και μηχανικούς. Με αυτόν τον τρόπο ο χρήστης δημιουργεί προγράμματα με μεγαλύτερη ευκολία χωρίς να παγιδεύεται σε μια πληθώρα συντακτικων λεπτομερειών. Έτσι είναι πιο φιλικό προς τον χρήστη και μπορεί ακόμα και κάποιος χωρίς καμία εμπειρία στον προγραμματισμό να μάθει εύκολα να το χρησιμοποιεί. Το Lab View περιέχει επίσης βιβλιοθήκες με πληθώρα έτοιμων εφαρμογών οι οποίες μπορούν να 52

60 βοηθήσουν το χρήστη σε οποιαδήποτε προγραμματιστική εφαρμογή. Για να γίνει κατανοητή η λειτουργία ενός εικονικού εργαστηρίου δίνεται παρακάτω μια σχηματική παράσταση. Έστω κάνουμε ένα πείραμα με παλμογράφο στο οποίο έχουμε την πηγή μας το κύκλωμα και τον παλμογράφο.. Εικόνα 16: Παράδειγμα λειτουργίας εικονικού εργαστηρίου 4.2 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟ LABVIEW Τα προγράμματα του Lab View ονομάζονται virtual instruments (για λόγους συντομίας Vls) και αυτό γιατί η εμφάνιση τους και η λειτουργία τους μιμείται πραγματικά όργανα. Ένα VL αποτελείται από τρία μέρη: Το Front Panel που είναι ουσιαστικά το user interface. Μπορεί να περιέχει διακόπτες, οθόνες που να πλησιάζουν γραφικές παραστάσεις, διάφορα όργανα επιλογής εισόδων και ένδειξης εξόδων. Είναι ουσιαστικά ένας συνδυασμός από controls και indications. Ο χρήστης μπορεί να εισάγει δεδομένα χρησιμοποιώντας το πληκτολόγιο ή το ποντίκι μέσω των controls και στη συνέχεια να δει τα αποτελέσματα που παράγονται από το πρόγραμμα στην οθόνη μέσω των indicators. Η εισαγωγή των controls και των indicators γίνεται μέσα από το Control Palette. Μόλις τοποθετήσουμε ένα αντικείμενο στο front panel τότε μπορούμε να προσαρμόσουμε το μέγεθος, το σχήμα και τη θέση του. Το block diagram είναι ουσιαστικά ο πηγαίος κώδικας του VI, και το εκτελέσιμο πρόγραμμα. Τα στοιχεία που το αποτελούν είναι εικονίδια τα οποία αντιπροσωπεύουν χαμηλότερης στάθμης Vls, έτοιμες συναρτήσεις του LabView και δομές ελέγχου του προγράμματος. Ο χρήστης πρέπει να συνδέσει καλώδια για να ενώσει τα εικονίδια 53

61 υποδεικνύοντας έτσι τη ροή των δεδομένων. Το εικονίδιο και οι σύνδεσμοι του Vl που του επιτρέπουν να ανταλλάσσει δεδομένα με άλλα Vls. Το εικονίδιο είναι τοποθετημένο στην πάνω-δεξιά γωνία του front panel και του block diagram. Το εικονίδιο εμφανίζεται επίσης στο block diagram όταν χρησιμοποιούμε το συγκεκριμένο Vl ως subvl. Με διπλό click πάνω στο εικονίδιο του ενεργού Vl, εμφανίζεται Icon Editor ο οποίος δίνει τη δυνατότητα στο χρήστη να διαμορφώσει το εικονίδιο όπως αυτός επιθυμεί FRONT PANEL Το front panel είναι το παράθυρο μέσα από το οποίο ο χρήστης αλληλεπιδρά με το πρόγραμμα. Εκτελώντας ένα Vl, θα πρέπει να υπάρχει ένα front panel ανοιχτό έτσι ώστε να μπορούν να εισαχθούν δεδομένα στο πρόγραμμα που τρέχει. Επίσης είναι ιδιαίτερα χρήσιμο γιατί σε αυτό εμφανίζεται η έξοδος του προγράμματος. -Εργαλεία ελέγχου και δείκτες Το front panel είναι κυρίως ένας συνδυασμός εργαλείων ελέγχου και δεικτών. Τα εργαλεία ελέγχου εξομοιώνουν τις τυπικές συσκευές εισόδου που μπορεί κανείς να βρει σε συμβατικά όργανα, όπως τα περιστρεφόμενα κουμπιά και οι διακόπτες. Τα εργαλεία ελέγχου εισάγουν τα δεδομένα στο μπλοκ διάγραμμα ενός Vl. Οι δείκτες εξομοιώνουν τις οθόνες εξόδου που εμφανίζονουν τα δεδομένα που το πρόγραμμα παίρνει ή παράγει. Ο πιο απλός τρόπος για να ξεχωρίσουμε τα εργαλεία ελέγχου και τους δείκτες είναι οι εξης: Εργαλεία ελέγχου=είσοδοι Δείκτες=Έξοδοι Γίνεται τοποθέτηση των controls και indicators σε ένα front panel επιλέγοντάς τα από το μενού των controls στο πάνω μέρος του παραθύρου του front panel. Μόλις ένα αντικείμενο βρεθεί στο front panel, μπορεί πολύ εύκολα να αλλαχθεί το μέγεθος, η μορφή και η θέση του. 54

62 4.2.2 BLOCK DIAGRAM Το παράθυρο του μπλοκ διαγράμματος περιέχει τον γραφικό πηγαίο κώδικα ενός Vl του LabView. Το μπλοκ διάγραμμα αυτό, παίζει τον ρόλο που έχουν οι γραμμές κώδικα σε μια από τις δημοφιλείς γλώσσες προγραμματισμού όπως η C++ και η Java, είναι δηλαδή ο εκτελέσιμος κώδικος. Το μπλοκ διάγραμμα κατασκευάζεται ενώνοντας με εικονικά καλώδια αντικείμενα που εκτελούν συγκεκριμένες λειτουργίες. Το παρακάτω διάγραμμα που μοιάζει αρκετά με τα διαγράμματα ροής που χρησιμοποιούνται στην διαδικασία του προγραμματισμού σαν προσχέδιο, είναι στην περίπτωση του Lab View το ίδιο το πρόγραμμα. -Pull-Down Men Το Lab View έχει δύο τύους μενού, το pull-down και το pop-up, τα οποία ο χρήστης θα πρέπει να χρησιμοποιήσει εκτενώς στην ανάπτυξη των προγραμμάτων του. -File Menu Σε αυτό το μενού βρίσκουμε συνηθισμένες εντολές διαχείρισης αρχείων. π.χ New Vl: δημιουργεί ένα νέο Vl. Close AII: κλείνει όλα τα ανοιχτά αρχεία. Save As: επιτρέπει στον χρήστη να αποθηκεύσει το τρέχον αρχείο με ένα διαφορετικό όνομα, προέκταση αρχείου ή σε διαφορετική θέση. Print: εμφανίζει ένα dialog box το οποίο δίνει στο χρήστη διάφορες επιλογές που αφορούν την εντύπωση ενός αρχείου. Vl Properties: εμφανίζει ένα dialog box που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να σεταριστούν κάποιες γενικές επιλογές και για να σεταριστούν ή απλώς να ειδωθούν κάποιες επιλογές που αφορούν memory usage, documentation, revision history, security, window appearance, window size, execution και printing. 55

63 -Edit Menu Περιέχει εντολές οι οποίες μας επιτρέπουν να ψάξουμε για Lab View αρχεία και να τροποποιήσουμε το περιεχόμενο τους π.χ Undo:ακυρώνει την τελευταία ενέργεια του χρήστη. Redo:ακυρώνει την τελευταία Undo ενέργεια. Cut:απομακρύνεται το επιλεγμένο αντικείμενο και το αποθηκεύει στο clipboard Copy:αντιγράφει το επιλεγμένο αντικείμενο και το αποθηκεύει στο clipboard Paste:τοποθετεί τα αντικείμενα του clipboard στο ενεργό παράθυρο -Operate Menu Περιέχει εντολές οι οποίες χρησιμεύουν στον έλεγχο της λειτουργίας των Vls πχ Run:εκτελεί το VI. Μπορεί ακόμα να χρησιμοποιηθεί το κουμπί Run που βρίσκεται στο toolbar Stop:σταματάει την εκτέλεση του VI πριν αυτή ολοκληρωθεί. -Window Menu Περιέχει εντολές οι οποίες επιτρέπουν στο χρήστη να διαμορφώσει την εμφάνιση των παραθύρων και των palettes. Ο χρήστης μπορεί επίσης να προσπελάσει το error list window και να δει τα περιεχόμενα του clipboard πχ Show Diagram/Show Panel:ενεργοποιεί το παράθυρο του block diagram και του front panel του VI,αντίστοιχα Show Controls Palette:εμφανίζει την controls palette.στο block diagram αυτή η εντολή αντικαθίσταται από την show functions palette η οποία και εμφανίζει την functions palette. -Tools Menu Περιέχει εντολές οι οποίες χρησιμοποιούνται για τη διαμόρφωση του LabView, των projects του χρήστη και των VI s πχ. 56

64 Windows Measurement & Automation Explorer: δίνει πρόσβαση στον Measurement & Automation Explorer, τον οποίο μπορεί α χρησιμοποιήσει ο χρήστης για να διαμορφώσει το instruments and data acquisition hardware που είναι συνδεδεμένο στο συστημά του. Instrumentation: δίνει πρόσβαση στις Instrument Driver Network, Import CVI Instrument Driver, Update VXI plug & play Drivers εντολές. Data acqusition: δίνει πρόσβαση στο DAQ Channel Viewer και στο DAQ Solution Wizard. Datalogging and Supervisory Control: δίνει πρόσβαση σε εργαλεία από το Lab View Datalogging and Supervisory Control Control Module σε συστήματα που έχουν εγκατεστημένο τα συγκεκριμένα module. -Browse Menu Περιέχει τις παρακάτω εντολές: Show VI Hierarchy: εμφανίζει ένα Hierarchy window το οποίο χρησιμοποιείται για να ειδωθούν τα subvis και άλλοι κόμβοι οι οποίοι αποτελούν το ενεργό VI. This VI's Callers: επιτρέπει στον χρήστη να αποκτήσει πρόσβαση σε μια λίστα η οποία περιλαμβάνει όλα τα VIs τα οποία καλούν το τρέχον VI σαν subvi. -Help Menu Περιέχει τις παρακάτω εντολές: Show Context Help: εμφανίζει το Context Help window, το οποίο παρέχει βασικές πληροφορίες για οποιοδήποτε VI, function ή control. Για να εμφανισθεί στο παράθυρο η βοήθεια ενός συγκεκριμένου αντικειμένου πρέπει να μετακινήσουμε τον κέρσορα πάνω σε αυτό. Lock Context Help: κλειδώνει το τρέχον περιεχόμενο του Context Help window. Όταν αυτή η εντολή είναι ενεργοποιημένη τότε η μετακίνηση του κέρσορα πάνω σε ένα άλλο αντικείμενο είτε του block diagramm είτε του front panel, δεν αλλάζει το περιεχόμενο το Context Help window. 57

65 4.2.3 PALETTES To Labview διαθέτει τρεις παλέτες με τις οποίες εργαζόμαστε στο περιβάλλον του: 1. Παλέτα εργαλείων (Tools palette) Περιέχει εργαλεία που θα χρησιμοποιήσουμε για την κατασκευή εικονικών οργάνων. 2. Παλέτα στοιχέιων αντικειμένων (Controls) Η παλέτα των στοιχέιων αντικειμένων (Controls) βρίσκεται στο Front panel πατώντας δεξί κλικ και έχει: Διακόπτες Οθόνες χαρακτήρων Ποτενσιόμετρα Πλήκτρα κ.α. 3. Παλέτα συναρτήσεων λειτουργιών (Functions) Η παλέτα των συναρτήσεων λειτουργιών (Functions) μας παρέχει τις λειτουργίες ή τις εντολές με τις οποίες κατασκευάζουμε τον κώδικα του προγράμματος και βρίσκεται στο block diagram πατώντας δεξί κλικ. Τα σημαντικότερα εργαλεία τις πλακέτας εργαλείων (Tools palette) είναι: Automatic tool selection. Αν ειναι ενεργοποιημένο αυτό το εργαλείο τότε ο χρήστης μετακινώντας τον κέρσορα πάνω απο ένα αντικείμενο είτε του front panel είτε του block diagram, το Labview επιλέγει αυτόματα το καταλληλο εργαλείο που πρέπει να χρησιμοποιηθεί. Operating tool που μας επιτρέπει να αλλάζουμε τις τιμές των controls που βρίσκονται στο front panel αλλά και να χειριζόμαστε όλα τα όργανα που θα χρειαζόταν και στον αληθινό κόσμο την παρέμβαση του ανθρώπινου χερίου για τη λειτουργία τους όπως για παράδειγμα ένας διακόπτης. Είναι το μόνο εργαλείο που έιναι διαθέσιμο στο run mode. Positioning tool επιλέγει, μετακινεί αλλάζει τις διαστάσεις των αντικειμένων. Labeling tool μας επιτρέπει να δημιουργήσουμε και να επεξεργαστούμε ετικέτες με κείμενο. Wiring tool μας επιτρέπει να συνδέσουμε τα διάφορα αντικείμενα που είναι 58

66 τοποθετημένα στο block diagram μεταξύ τους/ Object shortcut menu tool εμφανίζει το μενού ενός αντικειμένου χωρίς να χρειαστεί να κανουμε δεξί κλικ σε αυτό Scrolling tool μας επιτρέπει να κάνουμε scroll στην οθόνη χωρίς να χρησιμοποιήσουμε τα scrolling bars. Breakpoint tool μας επιτρέπει να θέτουμε breakpoints σε VI s, κόμβους, καλώδια με σκοπό να σταματάμε την εκτέλεση του προγράμματος σε εκείνο το σημείο. Probe tool με επιτρέπει να δημιουργήσουμε ένα probe πάνω σε ένα καλώδιο με σκοπό να ελέγχουμε τις ενδιάμεσες τιμές σε ένα VI σε περίπτωση που αυτό παράγει μη αναμενόμενες τιμές. Copying tool μας επιτρέπει να αλλάζουμε το χρώμα ενός αντικειμένου ή του φόντου. 59

67 4.3 ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑ LABVIEW ME ARDUINO (LIFA) Το Labview συνεργαζεται καλα με διάφορες υπολογοστικες πλατφορμες (όπως arduino, raspberry κ.α.) στην συγκεκριμενή πτυχιακή έχει επιλεχθεί το Arduino Uno. Οι λογοι που έχει επιλεγεί εξηγόυνται στο προηγούμενο κεφάλαιο. Για την συνεργασία του Labview με το Arduino είναι απαραίτητο να συνδέονται μεταξύ τους η σύνδεση γίνεται μέσω ενός υπολογιστή όπου το arduino συνδέεται σε μια θύρα USB του Η/Υ και έτσι επικοικωνεί με τον Η/Υ. Ωστόστο για να συνεργάζεται και με το Labview είναι απαραίτητη η χρήση ενός λογισμίκου LIFA (Labview Interface For Arduino). Το LIFA επιτρέπει στον χρήστη να ελέγχει αισθητήρες και να λαμβάνει δεδομένα μέσω ενώς μικροεπεξεργαστή arduino χρησιμοποιώντας τον γραφικό προγραμματισμό του Labview. Αξιοποιώντας την υπολογιστική δύναμη του Labview που τρέχει σε έναν Η/Υ με τις εισόδους και εξόδους της πλακέτας, δύναται κανείς να δημιουργήσει πολύπλοκες εφαρμογές ταχύτερα σε σχέση με άλλες γλώσσες προγραμματισμου ακόμα και με λιγότερες γνώσεις πάνω σε πολύπλοκες γλώσσες προγραμματισμού. Το LIFA συνεργάζεται καλύτερα έχει κατασκευαστεί για την συνεργασία με το Arduino και συνεργάζεται καλύτερα με το Arduino Uno. Το LIFA περιέχει το υλικολογισμικό (firmware δλδ το λογισμικό των ηλεκτρονικών συσκευών) για το arduino. Η διαδικασία εγκατάστασης του firmware σημαίνει ολική αφαίρεση του προηγούμενου, εγγραφή του καινούριου και έλεγχο του καινούριου λογισμικού. Κατά την διαγραφή του προηγούμενου, δεδομένης της ύπαρξης μνήμης η οποία διαγράφει το περιεχόμενό της με εφαρμογή τάσης, ενδέχεται να εφαρμοστεί παραπάνω τάση από την απαιτούμενη. Ακόμη το LIFA επιτρέπει σύνδεση Arduino και υπολογιστή μέσω USB, ή Xbee module, ή Bluetooth module. Επιπλέον μαζι με το LIFA προστίθεται μια καινούρια κατηγορία, στην παλέτα συναρτήσεων, που ονομάζεται arduino εκεί υπάρχουν τα εξής: 60

68 Low Level Analog Input Read an individual Analog Input Pin Read the full Analog Input Port Digital Input and Output Read or write an individual Digital Pin Read or write the full Digital Port Pulse Width Modulation (PWM) Write an individual PWM Pin Write the entire PWM Port Tone Generate a square wave using thetone VI Inter-Integrated Circuit (I2C) I2C master read and write. Serial Peripheral Interface (SPI) SPI Master Mode. Support for SPI Mode 0, 1, 2, and 3 Configurable bit order (MSBF, LSBF) Supports multiple clock rates. Built In Sensor Support Thermistor, Photocell, IR Sensor 61

69 Configurable thermistor support for reading temperature. Configurable photocell support for reading light intesity. IR Proximity sensor support for detecting objects. RGB LED Full 24-bit Color Support via 'Color-Picker' control. Configurable pin connections. Seven Segment Display Seven Segment Display Support Write single character of 'scrolling' text. Configurable pin connections. BlinkM Full BlinkM 'Smart-LED' Support Control RGB Color Program and play light scripts Fully configurable Servo Motors Control as many servos as hardware allows. Set and hold angle or generate pulses for continuous motion. Stepper Motors Control up to 7 stepper motors. Fully configurable step and direction control. Character LCD Configurable control lines and display size. Configurable cursor options. Print static string, text or scrolling text. 62

70 Create custom characters using 'custom-character' control 4.4 ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΤΗΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΜΕ ΤΟ ΓΡΑΦΙΚΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΤΟΥ LABVIEW ΠΛΑΝΟ - ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΤΗΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ Για να απλοποιηθεί ο σχεδιασμός της εφαρμογής θα διαιρεθεί σε τρία σχήματα: Σχήμα 1: Σχεδιασμός της εφαρμογής για την λειτουργία τριών ψηφιακών Pin για χρήση εξοδου Το πρώτο στο οποίο φαίνονται τρεις έξοδοι απο ψηφιακά PIN του Arduino τα οποία δίνουν εντολή και οπλίζουν αντίστοιχα 3 ρελέ χωριστά, έτσι ώστε να κλείσουν οι επαφές και να οπλίσουν, η ανλτία, ο φωτισμός και ο αισθητήρας PIR. Σχήμα 2: Σχεδιασμός της εφαρμογής για την λειτουργία ενός ψηφιακού Pin για χρήση ως είσοδο 63

71 Το δεύτερο στο οποίο το Arduino λαμβάνει ένα αναλογικό σήμα απο το Θερμίστορ σε ένα απο τα αναλογικά του PIN. Σχήμα 3: Σχεδιασμός της εφαρμογής για την λειτουργία δυο ψηφιακών Pin το ένα ως έξοδος το άλλο ως είσοδος Το τρίτο στο οποίο το στέλνεται μέσω ενός ψηφιακού PIN του Arduinos εντολή ώστε να ξεκινήσει ένας υπέρηχος ο οποίος αναλόγως την απόσταση επιστρέφει μετά απο κάποιο χρονικό διάστημα δίνοντας σήμα σε ένα άλλο ψηφιακό PIN. Συνοπτικά για την υλοποίηση της εφαρμογής θα χρειαστεί να δωθεί εντολή εξόδου σε 4 ψηφιακά PIN, εντολή εισόδου σε ένα ψηφιακό PIN και εντολή εισόδου σε ένα αναλογικό PIN ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ Πρώτο βήμα για την υλοποίηση της εφαρμογής είναι η δημιουργία ενός front panel. Εκεί θα χρειαστεί να δημιουργηθεί πρώτα μια πλατφόρμα για να είναι όλα τα κουμπιά και οι ενδείξεις μαζί ως ένα εννιαίο τμήμα, τρεις διακόπτες για τον χειρισμό της αντλίας, του φωτισμού και του συναγερμού, μια ένδειξη για την θερμοκρασία και μια ένδειξη για το επίπεδο του νερού. Οι διακόπτες και οι ενδείξεις μπορούν δημιουργηθούν και απ το παράθυρο του Block diagram με την μορφή indicator (ένδειξη) control (κουμπί). Τέλος 64

72 είναι απαραίτητο και ένα κουμπί stop το οποίο σταματάει την εφαρμογή. Εικόνα 17: Η εικόνα του αρχικού Front Panel Το επόμενο βήμα είναι να τοποθετηθούν όλα τα κουμπια και οι ενδείξεις πάνω στην πλατφόρμα. Ώστε να πάρουν την μορφή που θα έχει η εφαρμογή με την οποία θα αλληλεπιδρά ο χρήστης. Εικόνα 18: Ολοκληρωμένο Front Panel Αφού ολοκληρωθεί το front panel το επόμενο βήμα έιναι να γραφτεί ο κώδικας, ο οποίος 65

73 βρίκεται στο Block Diagram. Η αρχική εικόνα του block diagram θα ειναι: Εικόνα 19: Η εικόνα του αρχικού Block Diagram Τα πρώτα βήματα για την δημιουργία του κώδικα είναι η προσθήκη ενός block το οποίο θα ανοίγει την σύνδεση με το Arduino, ενός άλλου που θα την κλείνει, ενός block που θα διαχειρίζεται τυχόν σφάλματα όταν κλείνει η εφαρμογή. Και τέλος η προσθήκη μιας δομής while loop που είναι απαραίτητη για να επαναλαμβάνεται ο κώδικας συνεχώς και να σταματάει μόνο όταν πατηθεί το κουμπί Stop απο τον χρήστη. Τα blocks για την έναρξη και το κλείσιμο της εφαρμογής υπάρχουν στην κατηγορια Arduino απο την παλέτα και είναι μια προσθήκη που συμπεριλαμβάνεται στο LIFA. 66

74 Εικόνα 20: To Block Diagram μετά απο την προσθήκη των Init, Close, Handle error Blocks αλλά και της while loop. Έπειτα σύμφωνα με το πρώτο σχήμα χρειάζονται τρεις έξοδοι απο ψηφιακά PIN (digital write pin). Σύφωνα με την λογική του προγράμματος για να οριστεί ένα ψηφιακό ως είσοδος ή έξοδος είναι απαραίτητη η προσθήκη ενός block που ορίζει την λειτουργία του PIN (set digital pin mode). Εφόσον είναι γνωστό πως θα χρειαστεί να λειτουργήσουν τρεις ηλεκτρονόμοι πρέπει να προστεθούν τρια απο το κάθε block. Εικόνα 21: To Block Diagram μετά την προσθήκη των Digital Write Pin και Set Digital Pin Mode Blocks 67

75 Μετά σύμφωνα με το σχήμα 2 πρέπει να προστεθεί ένα Block για το θερμίστορ το οποίο υπάρχει έτοιμο στην εργαλειοθήκη του LIFA στον τομέα τον αισθητήρων. Για περισσότερη βοήθεια υπάρχει και ένα παραπλήσιο παράδειγμα με θερμίστορ. Και σύμφωνα με το σχήμα 3 πρέπει να προστεθεί ένα block για τον αισθητήρα υπερήχων, το οποίο υπάρχει στο φορουμ υποστήριξης του επίσημου σαιτ της ΝΙ. Αν και είναι έτοιμο το block του αισθητήρα υπερήχων HC-SR04 θα πρέπει να γίνου αλλαγές στο firmware που έρχεται μαζι με το LIFA ώστε να υποστηρίξει τον αισθητήρα αλλά και να προστεθούν κάποιες νέες βιβλιοθήκες. Εικόνα 22: Το Βlock Diagram με την προσθήκη του αισθητήρα HC-SR04 και του Thermistor Read Επόμενο είναι να ενωθούν όλα τα Blocks μεταξύ τους και με τα Init, Close, ώστε να αλληλεπιδρουν με το Arduino αλλα και μεταξύ τους. Η σύνδεση γίνεται ενώνοντας το Arduino resource (απ όπου ανοίγει η επικοινωνία με Arduino) απο init μέχρι το close συμπεριλαμβάνοντας κάθε block στην σειρά. To ίδιο θα πρέπει να επαναληφθεί και με το error (απ όπου διαγιγνώσκονται τυχόν σφάλματα). 68

76 Εικόνα 23: Το Block Diagram αφού έχουν ενωθεί Arduino Resource και Error Αμέσως επόμενο είναι να ενωθούν οι διακόπτες και οι ενδέιξεις με τα αντίστοιχα blocks. Για να επιτευχθεί η σύνδεση οι διακόπτες θα ενωθούν στο σημείο όπου θα διαβαζει την τιμή 0 ή 1 (Value) και οι ενδείξεις στις εξόδους των Blocks temperature και distance αντίστοιχα. Ακόμη μεταξύ των διακοπτών και των blocks θα χρειαστεί να τοποθετηθεί ένας μετατροπέας Bool to 0,1 οποίος μετατρέπει την λογική Boolean σε ψηφιακό 0 ή 1. Εικόνα 24: Το Block Diagram μετά την σύνδεση των διακοπτών και των ενδείξεων 69

77 Μετά θα πρέπει να οριστούν τα αναλογικά και το ψηφιακό PIN. Για να γίνει αυτό θα δημιουργηθούν σταθερές, πατώντας δεξί κλικ πάνω στα σημεία, του κάθε block, που εμφανίζονται οι ενδείξεις Digital I/O Pin, ECHO, TRIGG και Thermistor AI Pin και επιλέγοντας create->constant. Στα block των διακοπτών πρέπει αφού οριστεί το pin του Set Digital Pin Mode να δημιουργηθεί ένας κόμβος ο οποίος θα ενώνεται με το αντίστοιχο του Digital Write Pin. Εικόνα 25: Το Block Diagram αφού έχουν οριστεί τα PIN Έπειτα μένει να οριστούν οι σταθερές για τα Set Digital Pin Block όπου θα ορίζονται ως Output, δηλαδή έξοδοι. Και στο Thermistor Block να οριστεί η τάση τροφοδοσίας, 5V στην συγκεκριμένη περίπτωση, αλλά και η αντίσταση του θερμίστορ. 70

78 Εικόνα 26: Το Block Diagram αφού έχουν οριστεί όλες οι σταθερές Τελευταίο που θα πρέπει να προστεθεί είναι μια χρονοκαθυστέρηση, που θα εξασφαλίζει την ομαλή λειτουργία της εφαρμογής καθώς «τρέχει». Η χρονοκαθυστέρη χρησιμοποιείται κυρίως για τις ενδείξεις οι οποίες χωρις την προσθήκη χρονοκαθυστέρησης θα λαμβάνονται με την μέγιστη ταχύτητα την οποία μπορεί να δώσει ο υπολογιστής και το Arduino με αποτέλεσμα να τρεμοπαίζουν οι δέικτες και να μην είναι σαφείς οι μετρήσεις στον χρήση. Πειραματικά προέκυψε ότι ένα καλός χρόνος για την χρονοκαθυστέρη είναι 0.200s, διότι έτσι εξασφαλίζεται η ομαλή λειτουργία, αλλά και η καθυστέρηση απο την στιγμή που θα πατήσει ο χρήστης κάποιο κουμπί μέχρι να δωθεί η εντολή και να πραγματοποιηθεί δεν θα γίνεται ιδιαίτερα αντιληπτή. 71