Students for Automotive (S4A) Manuál pro soutěžní týmy

Students for Automotive (S4A) Manuál pro soutěžní týmy

Obsah 1. Tipy pro sestavování vozítka... 3 2. Aplikace pro OS Android... 3 3. Programovací prostředí Arduino IDE... 8 4. Programovaní WiFi modulu NodeMCU ESP8266 V3... 10 5. Programovaní Arduino Mega 2560... 12 6. Užitečné odkazy... 14 2

1. Tipy pro sestavování vozítka Pokud budete postupovat podle tohoto manuálu, budete na jeho konci schopni navázat komunikaci mezi aplikací běžící na mobilním telefonu s OS Android, WiFi modulem a deskou Arduino. Tato komunikace je nezbytná pro úspěšné zdolání soutěžní dráhy "Bludiště". V první řadě bychom vás chtěli upozornit na fakt, že je nutné každou provedenou změnu na soutěžním vozítku nejdříve otestovat a je jedno jestli se jedná o hardwarovou nebo softwarovou úpravu. Vždy je nutné se ujistit, zda provedená změna funguje podle vašich požadavků. Tento postup zkracuje dobu řešení problémů během sestavování vozítka. Na internetu je dostupných mnoho návodů pro všechny používané komponenty, proto se tento manuál věnuje jeťan tomu nejnutnějšímu. Pro jednotlivé desky také existuje mnoho knihoven pro zjednodušení a urychlení práce při vytváření projektů. Tyto knihovny jsou rovněž lehce dohledatelné. Na konci manuálu jsou některé užitečné odkazy. Nesnažte se vozítko konstruovat tak, aby jelo co nejrychleji a riskantně, ale spíše se zaměřte na spolehlivost chodu vozítka! Proto doporučujeme vytvořit si aspoň část úseku každé soutěžní dráhy a vozítko před dokončením vyzkoušet a doladit. 2. Aplikace pro OS Android Byla vám dodána předpřipravená aplikace s názvem WiFi Car S4A.apk, která má zajistit ovládání vozítka pomocí mobilního telefonu. Výsledná podoba aplikace je zobrazena na obrázku 1. Pro základní pohyby vozítka stačí aplikaci nainstalovat na mobilní telefon s OS Android a pokračovat podle pokynů v dalších kapitolách. Pokud se ale rozhodnete aplikaci modifikovat, je nutné pokračovat podle instrukcí v této kapitole. 3

Obrázek 1. Výsledná podoba uživatelského rozhraní mobilní aplikace pro OS Android Uživatelské rozhraní aplikace je vytvořeno tak, aby bylo co nejintuitivnější. V horní části obrazovky se nachází zobrazena aktuální IP adresa, která je manuálně nastavena při tvorbě mobilní aplikace a je shodná s IP adresou WiFi modulu, která je od výroby přednastavena na 192.168.4.1. Pro navázání komunikace mezi mobilní aplikací a WiFi modulem vozítka, je nutné mít zapnutou WiFi síť na mobilním telefonu a zároveň spuštěn WiFi modul naprogramovaný podle kapitoly 4. Pro samotný pohyb vozítka slouží 4 tlačítka - šipky nahoru a dolů určují směr pohybu dopředu a dozadu. Šipky po stranách určují rotaci vozítka vpravo nebo vlevo. Každému z těchto prvků byla přiřazena akce, která má být provedena při stisknutí a následném uvolnění daného prvku. Jak zobrazuje obrázek 5, při stisknutí tlačítka, je na IP adresu prostřednictvím protokolu http zaslána informace, obsahující proměnnou s názvem state, která při stlačení jednotlivých tlačítek nabývá následující hodnoty: - F při stisknutí šipky nahoru, - B při stisknutí šipky dolu, - R při stisknutí šipky vpravo, - L při stisknutí šipky vlevo. Při následném uvolnění tlačítek, proměnná state nabývá hodnotu "S". Tyto znaky následně přijme WiFi modul a zašle je dále do Arduina po sériové lince. Ve spodní části obrazovky je umístěn jezdec pro nastavení maximální rychlosti vozítka. Použitý zdroj stejnosměrného napětí při plném nabití dodává přibližně 10,6 V, přičemž 4

výrobcem doporučené napájecí napětí pro použité motory je 4,5 V. Jedním z řešení tohoto problému bylo omezení střídy pulzně šířkové modulace (dále jen PWM) napětí, kterým jsou napájeny motory. Na základě měření a experimentálního zjišťování, bylo omezení maximální střídy PWM stanoveno na hodnotu 150 což odpovídá 58,82%. To znamená, že posunutí jezdce do pravé krajní polohy musí odpovídat nastavení střídy na tuto hodnotu. Na základě této skutečnosti bylo nutné zvolit, jaké hodnoty budou zasílány při posouvání jezdce. Při tom všem bylo nutné myslet i na to, že aplikace posílá do WiFi modulu informace typu číslo, ale Arduino je z modulu přes sériovou linku čte jako sled jednoznakových informací. Proto je nutné každý přijatý znak přetypovat zpět na číselnou hodnotu. K tomu slouží část kódu zobrazená ve výpisu 1. Výpis 1. Kód pro načítání informace ze sériové linky a následné přetypování podle standartu ASCII Tento výpis zobrazuje příkaz pro desku Arduino pro načtení informace ze sériové linky. Pokud je dostupná informace větší než 0 bude zapsána do proměnné command, která je typu char. Jelikož se jedná o znakovou informaci, tak například při zaslání čísla 0 z mobilní aplikace, proměnná command nabude znakové hodnoty 0 což je po převodu podle ASCII 1 ve skutečnosti numerická hodnota 48. Proto bylo nutné vytvořit novou proměnnou, icommand typu integer, do které je zapsána hodnota proměnné command snížena o číslo 48, protože podle standardu ASCII numerické znaky začínají právě na pozici 48. Tak se dospělo k získání skutečné hodnoty, kterou zasílala mobilní aplikace. Jako nejjednodušší způsob omezení maximální hodnoty střídy PWM se tedy jevilo posílání jednoznakových informací. Proto připadla volba na celá čísla 2 až 5, což odpovídá minimální až maximální hodnotě jezdce sloužícího pro změnu rychlosti. Zároveň se tím dosáhlo i toho, že při násobení těchto čísel číslem 30, je výsledek vždy celé číslo od 60 do 150. Tím 1 http://www.theasciicode.com.ar/ascii-printable-characters/capital-letter-f-uppercase-asciicode-70.html 5

byla splněna výše uvedená podmínka omezení maximální hodnoty napájecího napětí pro použité motory při daném zdroji. Je nutné poznamenat, že takto vytvořená aplikace nepodporuje stisknutí dvou a více tlačítek najednou. Tato aplikace byla vytvořena a také je možné ji modifikovat pomocí online vývojového prostředí MIT App Inventor, pro jehož použití je nutné si vytvořit účet. Pomocí přiloženého webového odkazu 2 se dostanete na okno zobrazené na obrázku 2. Obrázek 2. Webová stránka pro MIT App Inventor V pravém horním rohu je potřebné stisknout oranžové tlačítko Create apps!, dále postupovat podle pokynů pro vytvoření účtu a následně se dostanete do samotného vývojového prostředí, kde v horní části v záložce Projects vyberete možnost Import project (.aia) from my computer tak, jak to zobrazuje obrázek 3. 2 http://appinventor.mit.edu/explore/ 6

Obrázek 3. Import existující aplikace Zde je nutné vyhledat poskytnutou aplikaci s názvem WiFi Car S4A s příponou.aia ve vašem počítači a importovat ji do vývojového prostředí. Následně je možné načtenou aplikaci modifikovat podle vlastních požadavků. Prostředí tohoto nástroje je poměrně intuitivní. Dělí se na dvě hlavní části. a) Designer - v tomto okně se navrhuje design aplikace. Objektům použitým v dané aplikací se přidělují parametry, jako například název, pozice, rozměry, obrázek a podobně. b) Blocks - v tomto okně lze graficky programovat použité objekty. Na obrázcích 4 a 5 je možné vidět vývojové prostředí obou těchto oken. 7

Obrázek 4. Vývojové prostředí MIT App Inventor - okno Designer Obrázek 5. Vývojové prostředí MIT App Inventor - okno Blocks Pro lepší orientaci ve vývojovém prostředí je možné absolvovat návody, ke kterým se lze dostat v sekcích Get Started a Tutorials zobrazených ve spodní části obrázku 2. 3. Programovací prostředí Arduino IDE Jako programovací nástroj pro naprogramování komponentů, které to vyžadují, byl ve všech případech použit software Arduino IDE. Toto vývojové prostředí je dostupné také v českém jazyce. 8

Obrázek 6. Vývojové prostředí Arduino IDE Jak můžeme vidět na ukázce na obrázku 6, toto prostředí je velmi jednoduše členěno. V horní části se nacházejí tlačítka pro práci s vytvořeným kódem. Konkrétně jsou to (zleva): kompilování kódu, nahrání kódu do desky, vytvoření nového sketch-e, otevření existujícího sketch-e a uložení aktuálně editovaného sketch-e. V hlavní části je prostor pro editaci kódu. Všimněme si, že při otevření okna pro vytváření nového kódu, vývojové prostředí automaticky vypíše základní funkce potřebné pro programování desek s mikrokontrolérem. První funkce, "void setup ()", slouží k prvotnímu nastavení, které má mikrokontrolér provést pro správnou funkci výsledné aplikace. Tato akce se provede při každém zapnutí desky. Jedná se například o příkazy pro spuštění komunikace po sériové lince, která probíhá mezi programovanou deskou a počítačem, případně jinou deskou. Další výborný příklad je nastavování vstupně-výstupních (dále jen I/O) pinů. Každý pin může plnit jen jednu z těchto funkcí, nikoliv obě najednou. Druhou funkcí je "void loop ()". V této funkcí se cyklicky vykonává hlavní část kódu. To znamená, že se v ní nacházejí samotné příkazy pro akce, které má provést deska s mikrokontrolérem, jako například měření času na základě podnětů ze vstupní periferie a podobně. V pravé horné části vývojového prostředí se nachází tlačítko pro spuštění sériového monitoru. Tento nástroj je velmi užitečná pomůcka při programování desek s mikrokontrolérem. Jeho vlastností je schopnost komunikovat s deskou připojenou k počítači pomocí sériové linky USB. To znamená, že se jedná o prostředí, jehož prostřednictvím jsou na 9

monitoru počítače zobrazovány instrukce, které jsou přijímány z připojené desky, a naopak instrukce z počítače mohou být zapsány do desky. 4. Programovaní WiFi modulu NodeMCU ESP8266 V3 Pro programování WiFi modulu, ale i jiných desek od výrobců třetích stran, je nutné doinstalovat do vývojového prostředí Arduino IDE knihovny pro danou desku. V případě WiFi modulu se postupuje následovně. 1. Spusťte Arduino IDE a otevřete okno Vlastnosti. 2. Vložte odkaz "http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json" do pole s názvem Správce dalších desek URL: tak jako na obrázku 7 a stiskněte OK. 3. V záložce Nástroje vyberte Manažer desek a najděte platformu esp8266 (pravděpodobně poslední v seznamu) a klikněte instalovat. 4. Následně stačí už jen desku připojit k počítači a v záložce Nástroje/Vývojová deska vybrat správnou desku a port podle obrázku 8. Obrázek 7. Doinstalovaní knihovny pro WiFi modul 10

Obrázek 8. Nastavení desky a portu na kterém je připojená Pro úspěšné navázání komunikace s mobilní aplikací je nutné kód zobrazený na následujícím výpisu nahrát do WiFi modulu. Výpis 2. Kód pro WiFi modul 11

V kódu se nacházejí komentáře v anglickém jazyce s vysvětlivky pro objasnění jednotlivých kroků. Následně stačí WiFi modul propojit s deskou Arduino. Tento postup je popsán v následující kapitole. 5. Programovaní Arduino Mega 2560 Na základě kódu z předchozí kapitoly, po připojení WiFi modulu k desce Arduino podle následujícího schématu zapojení, budou informace úspěšně posílány z mobilní aplikace prostřednictvím WiFi modulu do Arduina. Obrázek 9. Propojení desky Arduino s WiFi modulem Dále je třeba připojit Arduino k počítači, v Arduino IDE v záložce Nástroje vybrat správnou desku a port, a nahrát kód zobrazený na výpisu 3. 12

Výpis 3. Kód pro desku Arduino Mega 2560 Jako poslední je třeba připojit mobilní telefon s nainstalovanou aplikací k WiFi modulu prostřednictvím sítě WiFi v nastavení telefonu. Při výzvě je nutné zadat heslo přednastavené na:12345678 a spustit mobilní aplikaci. Po otevření sériového monitoru v Arduino IDE a mačkání tlačítek v mobilní aplikaci, můžeme na sériovém monitoru vidět podobný výpis jako je zobrazený na obrázku 10. 13

Obrázek 10. Výpis komunikace desek v sériovém monitoru V sériovém monitoru je nutné nastavit stejnou přenosovou rychlost jaká je nastavena pro Arduino, v tomto případě 9600 baudů. 6. Užitečné odkazy Stažení Arduino IDE: https://www.arduino.cc/en/main/software Odkaz na Mit App Inventor: http://appinventor.mit.edu/explore/ Arduino návody: http://navody.arduino-shop.cz a https://create.arduino.cc/projecthub Dokumentace pro WiFi modul: https://nodemcu.readthedocs.io/en/master/ 14