SE3Groupe2024-2

Lien GIT

Voici le lien git pour accéder aux différents fichiers relatifs à notre projet : https://gitea.plil.fr/ahouduss/se3_2024_B2.git

Description

Objectif

L'objectif de ce projet est de concevoir une station domotique capable de collecter et d'afficher des mesures provenant de capteurs. Elle devra également être capable d'activer des actionneurs, tels que des LEDs, des cadenas ou tout autre dispositif, en fonction des besoins.

Cahier des charges

La station domotique devra permettre l'affichage des informations suivantes concernant une pièce :

• Température ambiante ;
• Taux d'humidité ;
• Présence humaine (via capteur de mouvement) ;
• D'autres paramètres pourront être ajoutés en fonction de l'avancement du projet.

Elle devra aussi permettre de contrôler différents actionneurs dans la pièce, tels que :

• L'éclairage, en fonction de la présence d'une personne (via un capteur de mouvement) ;
• D'autres dispositifs pourront être intégrés en fonction des besoins.

Des capteurs et actionneurs supplémentaires pourront être ajoutés si le projet atteint ses objectifs initiaux.

Spécification techniques

Microcontrôleur

Le projet nécessite un microcontrôleur, qui contiendra le programme, et qui communiquera avec les autres composants via les GPIOs.

Nous avons le choix entre plusieurs modèles de microcontrôleur : ATmega16u4, AT90USB1286, AT90USB1287.

Voici un tableau comparatif afin de sélectionner le plus adapté pour notre usage :

Caractéristiques	ATmega16U4	AT90USB1286	AT90USB1287
Architecture	AVR 8 bits	AVR 8 bits	AVR 8 bits
Mémoire Flash	16 KB	128 KB	128 KB
RAM (SRAM)	1.25 KB	4 KB	4 KB
EEPROM	512 Bytes	4 KB	4 KB
Fréquence d'horloge max.	16 MHz	16 MHz	16 MHz
Nombre de broches GPIO	26	48	48
Interfaces de communication	UART, SPI, I²C, USB 2.0	UART, SPI, I²C, USB 2.0	UART, SPI, I²C, USB 2.0
Contrôleur USB intégré	Oui (USB 2.0)	Oui (USB 2.0)	Oui (USB 2.0)
Taille des registres	8 bits	8 bits	8 bits
Nombre de broches	32	64	64
Différences principales	Conçu pour des applications compactes avec moins de mémoire et d'E/S	Plus de mémoire, adapté à des projets complexes nécessitant de nombreuses E/S et de la mémoire	Similaire au AT90USB1286 mais avec des fonctionnalités spécifiques pour certaines configurations USB (e.g., modes host/OTG).
Lien documentation	https://www.microchip.com/en-us/product/atmega16u4	https://www.microchip.com/en-us/product/at90usb1286	https://www.microchip.com/en-us/product/at90usb1287

Avec ce tableau, on constate que l'ATmega16U4 ne possède pas suffisamment de broches GPIOs. Cependant l'AT90USB1286 et son homologue l'AT90USB1287 dépassent notre cadre d'usage (utilisation mode USB spécifique HOST/OTG, etc... ).

Le compromis est donc d'opter pour un ATmega32u4 afin d'avoir suffisamment de broches et de mémoire.

Caractéristiques	ATmega32U4
Architecture	AVR 8 bits
Mémoire Flash	32 KB
RAM (SRAM)	2.5 KB
EEPROM	1 KB
Fréquence d'horloge max.	16 MHz
Nombre de broches GPIO	26
Interfaces de communication	UART, SPI, I²C, USB 2.0
Contrôleur USB intégré	Oui (USB 2.0)
Taille des registres	8 bits
Nombre de broches	32
Différences principales	Conçu pour des applications nécessitant un contrôleur USB intégré, avec une mémoire et un nombre de broches intermédiaires

Datasheet ATmega32u4 :

Datasheet du microcontroleur : ATMEGA32U4

Communication

La station utilisera une puce NRF24L01 pour la communication sans fil entre les différents actionneurs et capteurs.

La communication entre le pc et la station se fera quant à elle en USB.

Lien tutoriel utilisation de puces à distance : NRF24L01

Datasheet NRF24L01 :

Datasheet module de communication : NRF24L01

Énergie

La station sera alimentée de manière hybride, selon les scénarios suivants  : - Par un port USB, pour la programmation, les tests et la configuration avec affichage sur moniteur PC ;

- Par une batterie Lithium, en mode autonome pour une utilisation prolongée (avec affichage écran LCD dans un second temps).

Les capteurs/actionneurs seront alimentées de manière hybride, selon les scénarios suivants :

- Par un port USB, pour la programmation, les tests et la configuration ;

- Par une batterie Lithium, en mode autonome pour son usage définitif.

Modèles de batterie à notre disposition :

• Batterie 3.7V 100 mAh, connecteur molex mâle ;
• Batterie 3.7V 300 mAh, connecteur molex mâle ;

Nous allons ajouter la possibilité de recharger notre batterie depuis notre carte via le composant MAX1811. La carte se rechargera lorsqu'elle sera branché en USB mais l'USB fournit du 5V, ce qui peut nuire à certains de nos composants...

Pour proteger les composants, nous allons ajouter un régulateur de tension pour garder une tension de 3,3V sur l'ensemble de notre carte.

Datasheets du chargeur et du régulateur :

Datasheet du chargeur : MAX1811

Datasheet du régulateur : LTC3531

Affichage

Dans un premier temps, les informations seront remontées via la connexion USB à un programme sur PC (selon les exigences du cahier des charges).

Dans un second temps, un écran LCD sera utilisé pour afficher les données directement sur la station, offrant ainsi une solution autonome, sous réserve du temps disponible pour cette implémentation.

Datasheet de l'écran graphique utilisé :

Datasheet de l'écran : NHD‐C12832A1Z‐FSW‐FBW‐3V3

On décide de prgrammer l'écran en C. On code donc notre écran via l'API "glcd.h". L'écran sera composé d'un menu permettant de naviguer parmi les différents capteurs enregistrés afin de consulter la valeur renvoyée par cle capteur choisi. Les boutons intégrés sur la carte ainsi que l'encodeur rotatif permettront à l'utilisateur de naviguer entre les différents capteurs..

Diverses

La carte comportera également une led afin d'indiquer son état d'alimentation ainsi que deux autres leds permettant de faire des tests de programmation.

Hardware de la station domotique

Schématique

Notre schéma électrique

Schéma électrique V1 KICAD

Comprendre notre schéma

Comprendre la schématique

Vue 3D

Carte station en 3D - Vue arrière

Carte station en 3D - Vue avant

Software de la station domotique

Capteurs

Capteur de mouvement

Spécifications techniques

On utilise un capteur de mouvement HC-SR501 (voir datasheet ci-dessous) afin de détecter ou non la présence de quelqu'un dans une pièce et de pouvoir ensuite allumer la lumière si une personne est présente ou a contrario l'éteindre si la pièce est vide. Ici la lumière sera modélisée par une led présente sur l'arduino uno.

datasheet_mvmt

capteur_mvmt

• Jumper Set

Les deux modes repeat ou single trigger permettent de régler le temps de détection avant d'arrêter de détecter une présence (par exemple, besoin d'une présence continue pour que la led reste allumée ou bien besoin de réactiver de temps à autre le capteur en bougeant).

• Sensitivty Adjust

On modifie le potentiomètre à l'aide d'un tournevis afin d'ajuster la sensibilité à la présence de notre main, par exemple pour l'amplitude de nos mouvements.

Circuit

On connecte le GND à la masse de l'arduino, le power au 5V et la sortie au pin PB0 (digital 8). Voir la vidéo de démonstration pour plus de détails.

Programmation

Voici le code afin d'allumer une led dès qu'une présence est détectée.

/* ceci est le code pour le capteur de présence HC-SR501
 * pour plus d'informations regarder dans le dossier datasheet pour la doc */

#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>

int main(void) {
    DDRB |= (1 << PB5); //led D13 en sortie
    while (1) {
        if (PINB & (1 << PB0)) { //si mvmt
            PORTB |= (1 << PB5);  //led allumée
        } else { //si absence
            PORTB &= ~(1 << PB5); //led éteinte
        }
        _delay_ms(500);
    }
    return 0;
}

Démonstration

Voici le résultat en vidéo ci-dessous. On constate bien que la led s'allume lorsqu'une présence est détectée.

Capteur presence

Dans un second temps, on fera communiquer ce capteur avec notre carte station domotique par le biais des modules nrf24 afin d'afficher l'état de la pièce sur l'écran.

Capteur de température

Spécifications techniques

On utilise aussi le capteur de température DS18B20 (voir datasheet ci-dessous) afin de mesurer la température de l'eau (pour une piscine ou une plante par exemple).

Datasheet_temp_eau

Circuit

On branche les 3 broches de notre sonde de la manière suivante :

• le gnd est relié à la masse
• le power est relié au 3,3V
• le fil de données est branché sur le pin PD2 (digital 2).

On branche également une résistance de 4,7kΩ entre le fil de données et le 3,3V.

capteur_eau

Programmation

Arduino

Pour commencer on a testé si notre sonde fonctionnait correctement à l'aide d'un code arduino et on a constaté aucun souci (voir dans le git).

C

On est donc passer à du code en c et on a trouvé plusieurs ressources sur github que l'on a fusionné afin d'obtenir un code fonctionnel.On a utilisé les fichiers du répertoire test1 :

• onewire.h, onewire.c : pour remplacer la librairie OneWire.h de l'arduino afin de communiquer avec l'unique fil de données de la sonde.
• ds18b20.h, ds18b20.c : pour les fonctions princiales utiles à notre sonde.
• UART.h, UART.c : pour afficher la température sur la liaison série.
• main.c : pour le code principal
• Makefile : pour faciliter la compilation

[INSERER LE CODE UNE FOIS QU IL SERA MIS AU PROPRE]

Démonstration

Voici le résultat en vidéo ci-dessous. On constate bien que la température affichée sur le minicom augmente lorsque la sonde reste longtemps dans la bouilloire chauffée au préalable.

video capteur eau

Dans un second temps, on fera communiquer ce capteur avec notre carte station domotique par le biais des modules nrf24 afin d'afficher la température de la pièce sur l'écran.

Actionneur

Lumière

On peut décider d'allumer une lumière selon certains critèrres (par exemple lorsque le capteur de présence détecte quelqu'un). Ici allumer une led par exemple.

Communication

Pour plus de détails, se référer à la rubrique spécifications techniques->communication. Ici nous traiterons du code implémenté afin de communiquer entre les différents capteurs/actionneurs et notre carte principale.

Ecran

Afin d'avoir une interface pour l'utilisateur, nous décidons d'afficher sur un écran les données reçues des capteurs et l'état des actionneurs. On doit donc voir s'afficher la température d'une pièce, si il y a une présence etc.

Pour cela, on va devoir coder l'écran NHD‐C12832A1Z‐FSW‐FBW‐3V3 (voir datasheet dans la rubrique spécifications techniques->écran).

Programmateur AVR

Objectif

Réaliser un programmateur AVR afin d'envoyer notre code C sur le microcontrôleur de notre carte.

Cours / Tutoriel

https://rex.plil.fr/Enseignement/Systeme/Systeme.PSE/systeme063.html

Schématique

Notre schéma électrique

Schéma électrique KICAD

Conception de notre schéma électrique

Document expliquant point par point le schéma réalisé sur KICAD

Documents relatifs à la conception du kicad de la carte

Datasheet ATMEGA8U2

AVR Hardware Design Considerations

Vue 3D

Fichier kicad

Fichier:2024-PSE-G2-Prog.zip

Brasure

Carte programmateur AVR - Vue avant

Carte programmateur AVR - Vue arrière

Programmation

Test leds et boutons

Afin de vérifier que notre carte fonctionne correctement après brasure, on code un programme permettant d'allumer une led périodiquement puis un autre programme allumant une led lorsqu'un bouton poussoir est pressé.

Afin de mettre le programme sur notre carte, on vérifie au préalable que notre carte est bien reconnue en tant que périphérique USB à l'aide de la commande lsusb.

Pour plus de détail sur notre périphérique usb branché on doit faire la commande " lsusb -s [bus]:[device] -v " :

cedricagathe@computer:~$ lsusb -s 003:008 -v

Bus 003 Device 011: ID 03eb:2044 Atmel Corp. LUFA CDC Demo Application
[...]
Device Descriptor:
  bLength                18
  bDescriptorType         1
[...]
  bDeviceClass            2 Communications
  bDeviceSubClass         0 
  bDeviceProtocol         0 
[...]
  idVendor           0x03eb Atmel Corp.
  idProduct          0x2044 LUFA CDC Demo Application
[...]
    Interface Descriptor:
      bLength                 9
      bDescriptorType         4
      bInterfaceNumber        0
      bAlternateSetting       0
      bNumEndpoints           1
      bInterfaceClass         2 Communications
      bInterfaceSubClass      2 Abstract (modem)
      bInterfaceProtocol      1 AT-commands (v.25ter)
[...]
      Endpoint Descriptor:
        bLength                 7
        bDescriptorType         5
        bEndpointAddress     0x82  EP 2 IN
[...]
    Interface Descriptor:
      bLength                 9
      bDescriptorType         4
      bInterfaceNumber        1
      bAlternateSetting       0
      bNumEndpoints           2
      bInterfaceClass        10 CDC Data
      bInterfaceSubClass      0 
      bInterfaceProtocol      0 
[...]
      Endpoint Descriptor:
        bLength                 7
        bDescriptorType         5
        bEndpointAddress     0x83  EP 3 IN
 [...]

Comme vu en cours, on revoit nos descripteurs ainsi que la description des interfaces de l'usb ainsi que d'autres données.Une fois notre carte détectée, on appuie sur le bouton HWB puis reset afin de mettre notre carte en mode DFU. On téléverse ensuite notre programme sur la carte à l'aide d'un makefile préalablement codé en tapant la commande make upload.

LUFA

Afin de pouvoir faire de notre carte un périphérique USB, nous allons utiliser la LUFA (Lightweight USB Framefork for AVRs).

• Tout d'abord, nous avons codé un programme permettant de voir si la lufa détecte bien les boutons-poussoirs de notre carte comme des points d'accès d'entrées en affichant sur le minicom quel bouton-poussoir était pressé par l'utilisateur. Notre code se trouve dans le répertoire se ci-dessous : https://gitea.plil.fr/ahouduss/se3_2024_B2/src/branch/main/01%20-%20Programmateur%20AVR/programmation/lufa-LUFA-210130-NSI/se/VirtualSerial

Pour écrire notre code, nous avons réutilisé l'exemple VirtualSerial récupéré au repertoire suivant :

LUFA/Demos/Device/LowLevel/VirtualSerial

• On place le programme dans notre carte à l'aide de la commande make upload. Pour ce faire, il faut modifier le makefile original par ceci :

MCU          = atmega8u2
ARCH         = AVR8
BOARD        = NONE
F_CPU        = 16000000
F_USB        = $(F_CPU)
OPTIMIZATION = s
TARGET       = VirtualSerial
SRC          = $(TARGET).c Descriptors.c spi.c $(LUFA_SRC_USB)
LUFA_PATH    = ../../LUFA
CC_FLAGS     = -DUSE_LUFA_CONFIG_HEADER -IConfig/
LD_FLAGS     =
PROGRAMMER  = dfu-programmer

all:

upload: $(TARGET).hex
	$(PROGRAMMER) $(MCU) erase
	$(PROGRAMMER) $(MCU) flash $(TARGET).hex
	$(PROGRAMMER) $(MCU) reset

clean:
	rm -f *.bin *.elf *.lss *.map *.sym *.eep

Le MCU a été changé afin de correspondre au nôtre. Une commande clean à été ajouté et la fréquence CPU augmentée à 16 MHz.

• On lance la commande minicom afin de voir si le bouton pressé est bien affiché via la liaison série. On configure le minicom au préalable.

sudo minicom -os

Ensuite nous entrons dans Serial port setup :

Il va falloir procéder à 3 changements :

1. Appuyer sur A et changer modem par l'emplacement de notre carte (ici /ttyACM0) puis ENTRER
2. Appuyer sur E puis appuyer sur C pour configurer la vitesse de notre minicom puis ENTRER
3. Appuyer sur F puis ENTRER

Appuyer de nouveau sur ENTRER pour enregistrer la configuration et ensuite faite Exit. On est maintenant prêt à recevoir les messages USB qu'on envoie lors d'un appui :

• Nous avons ensuite implémenté un programme permettant d'allumer une led différente à chaque bouton-poussoir pressé.

Demonstration vidéo de notre programme utilisant la LUFA

Modification du fichier virtual.c

Modification de l'horloge

Ainsi notre microprocesseur détecte notre quartz comme étant du 16MHz

void SetupHardware(void)
{
	CLKSEL0 = 0b00010101;   // sélection de l'horloge externe
	CLKSEL1 = 0b00001111;   // minimum de 8Mhz
	CLKPR = 0b10000000;     // modification du diviseur d'horloge (CLKPCE=1)
	CLKPR = 0;              // 0 pour pas de diviseur (diviseur de 1)
}

Fonction pour les boutons

void init_boutons(void){
// A MODIF CEDRIC
	//bouton sw3 du haut
	DDRB = 0x00; //0 input
	DDRC = 0x00;
	PORTB = 0x60; //PB5 -> SW6 (bas) et PB6 -> SW4 (droite)
    PORTC = 0x50; //PC4 -> SW3 (haut) et PC6 -> SW5 (gauche)
	MCUCR |= 0x10; //Pour activer resistance cf DS p38
}

Fonction pour la led

void init_leds(void){
// A MODIF CEDRIC
	DDRD |= 0x0f; //PD3-0 : leds 1 à 4
}

Afficher sur le minicom lorsqu'un bouton est pressé

void CDC_Task(void)
{
        char*       ReportString    = NULL;
  	static bool ActionSent      = false;

	init_boutons();
	init_leds();

	/* Device must be connected and configured for the task to run */
	if (USB_DeviceState != DEVICE_STATE_Configured)
	  return;

  	/* Determine if a button action has occurred */
	if ((PINC&0x10)<=0){ //PC4
	  ReportString = "bouton du haut\r\n"; //affiché dans le minicom
	  PORTD = 0x01; //allume led1
	  _delay_ms(300);
	}
	 if ((PINB&0x20)<=0){ //PB5
	    ReportString = "bouton du bas\r\n";
		PORTD = 0x02; //allume led2
		_delay_ms(300);
	}
	 if ((PINC&0x40)<=0){ //PC6
	    ReportString = "bouton de gauche\r\n";
		PORTD = 0x04; //allume led3
		_delay_ms(300);
	}
	 if ((PINB&0x40)<=0){ //PB6
	    ReportString = "bouton de droite\r\n";
		PORTD = 0x08; //allume led4
		_delay_ms(300);
	}
	else
	  ActionSent = false;

	getID(ReportString);

	[...]
}