Zdalny mikroprocesorowy system pomiarowy z interfejsem WWW

Autorzy:         inż.  Arkadiusz Nawrot, inż. Sławomir Smyczyński

Promotor:    dr inż. Dominik Łuczak

Praca dyplomowa inżynierska. Studia stacjonarne. 

ZDALNY MIKROPROCESOROWY SYSTEM POMIAROWY Z INTERFEJSEM WWW

Celem pracy było stworzenie systemu pomiarowego umożliwiającego zdalny odczyt pomiarów z wykorzystaniem sieci internetowej. System składa się z fizycznego urządzenia mikroprocesorowego zapewniającego pomiar wartości oraz części serwerowej stworzonej na komputerze jednopłytkowym. Prezentacja wyników odbywa się z wykorzystaniem strony WWW, na której pomiary przedstawione są w formie wykresów. W celu archiwizacji danych możliwy jest również zapis danych do pliku tekstowego. W pracy wykorzystano sześć czujników: ciśnienia powietrza, wilgotności, temperatury otoczenia, natężenia oświetlenia oraz czujniki prędkości i kierunku wiatru. Z uwagi na wykorzystywane czujniki system pomiarowy może być traktowany jako model zdalnej stacji pogodowej, jednak w szerszym znaczeniu, po implementacji odpowiednich czujników, może stanowić model urządzenia pomiarowego dowolnych parametrów. Zrealizowane urządzenie przedstawiono na zdjęciach (Rys. 1) (Rys. 2).
W systemie można wyodrębnić dwie zasadnicze jednostki – układ 8 bitowego mikrokontrolera AVR oraz komputer jednopłytkowy Raspberry Pi (Rys. 3). Mikrokontroler ATmega328p wraz z czujnikami zapewnia pomiar wielkości mierzonych. Realizacja tej jednostki wymagała zaprojektowania
i wykonania obwodu drukowanego w programie KiCad (rys. 6 i  rys 7).  Wykorzystano zarówno czujniki z cyfrowym interfejsem komunikacyjnym jak i czujniki analogowe. Zmierzone wartości są gromadzone przez mikrokontroler, po czym są filtrowane zgodnie z ustawieniami użytkownika. Następnie na żądania ze strony serwera, dane są przesyłane za pomocą magistrali komunikacyjnej SPI do serwera. Ponieważ temat pracy stanowi system pomiarowy, a nie stacja pogodowa, częstotliwość próbkowania oraz prędkość transmisji danych zostały zwiększone do maksimum, aby uzyskać system pomiarowy czasu rzeczywistego. Stąd też aktualizacja pomiarów jest zdecydowanie szybsza niż wymagałaby tego stacja pogodowa. Minikomputer Raspberry Pi 3 jest kontrolowany poprzez system Raspbian. Na komputerze jednopłytkowym zainstalowany jest serwer HTTP Lighttpd, na którym znajduję się strona WWW (Rys. 4). Za jej pomocą można sprawdzić aktualne wyniki pomiarów oraz sparametryzować urządzenie. Generowanie interfejsu WWW odbywa się po stronie użytkownika. Umożliwia to wykonanie dużej liczby operacji w krótkim czasie. Zastosowanie do komunikacji z serwerem sieci Wi Fi ograniczyło ilość wykorzystywanych przewodów jedynie do przewodu zasilającego.
Przekazywanie danych od użytkownika (wyświetlanie danych w przeglądarce) do układu mikrokontrolera i z powrotem zostało przedstawione na Rysunku 5. Na żądanie asynchronicznego odpytywania w technologii AJAX, JavaScript wysyła dane do skryptu PHP, który za pośrednictwem krótkiego programu w języku powłoki BASH, przekazuje odpowiednie dane do programu w języku C. Program ten opowiada bezpośrednio za komunikację protokołem SPI serwera z systemem mikroprocesorowym oraz sprawdzenie poprawności przesłanych/odebranych danych i ich ewentualny zapis do pliku tekstowego.  

Rys.6 Widok 3D obwodu drukowanego przygotowanego układu pomiarowego

Rys. 7  Widok obwodu drukowanego jednostki pomiarowej