FAV-ZCU/KIV ZPI

Poznámky ke zkoušce ze ZPI

• 3 základní prvky IoT architektury
  • zařízení
  • síť
  • Cloud
• komunikační technologie vhodné pro IoT:
  • Wifi, Bluetooth, BLE (Bluetooth Low Energy), LoRa
  • LPWAN (Low Energy Wide Area Network): LoraWAN, Sigfox, Zigbee apod.
• Klíčové faktory komunikačních technologií:
  • přenosová rychlost
  • spotřeba energie
  • dosah
  • frekvence

Věc

• obvykle se skládá z:
  • senzorů
  • mikropočítače / mikrokontroléru
  • komunikačního modulu
• senzor
  • zdroj informací pro měřicí nebo řídicí systém
  • je určen ke sledování stavu prostředí
  • snímá fyzikální veličinu ve svém okolí (= vždy má fyzikální princip)
  • druhy senzorů:
    • pasivní / aktivní
    • dotykové a bezdotykové senzory

Mikrokontrolér

• získává data ze senzorů
• zpracovává data
• odesílá data do cloudu
• Základní architektury
• mikroprocesor doplněný o další obvody k řízení elektroniky
• Harvardská architektura
  • použití => účelové počítače
  • oddělený paměťový prostor pro data a program – umožňuje vyšší rychlost zpracování
• Von Neumannova architektura
  • použití => univerzální počítače
  • společný prostor pro data i program
• Podle šířky datové sběrnice se µC dělí na:
  • 8 – bitové
  • 16 – bitové
  • 32 – bitové

Piny mikrokontroléru

• GPIO, ADC, DAC, SPI, I2C, UART, PWM

Programování mikrokontrolerů

• jazyky nízké úrovně – strojový kód, assembler
• vyšší programovací jazyky - základní příkazy jsou nezávislé na µC, vyžadují překladač nebo interpretr
  • základní jazyk pro programování mikrokontrolerů C/C++, popř. jazyky z nich odvozené (Wiring – Arduino)
  • Mbed platforma
  • výkonnější µC mohou využívat micro-Python
• 2 typy překladačů:
  • interpretační
  • kompilační

Vývojová prostředí pro µC

• Arduino, ESP32, Nucleo, Micro:bit
• univerzální vývojové IDE
  • VisualStudio Code, Platforma Mbed

Struktura programu pro mikrokontrolér

• inicializační část
  • Nastavení pinů µC, komunikační rychlosti, definice proměnných programu, definice podprogramů pro obsluhu přerušení, inicializace časovačů apod.
• výkonná část
  • Hlavní program µC – test vstupních pinů, čtení dat ze senzorů, nastavení výstupních pinů, komunikace s okolím apod.

Jednoduchý program pro M5Stack

• Zobrazení textu na obrazovce
  • from m5stack import lcd
  • lcd.clear()
  • lcd.print('Hello World',100,100, lcd.WHITE)

Typový systém

• Dynamický
  • datový typ proměnné nemusíme definovat => datový typ se automatický mění
• Statický
  • musíme definovat typ proměnné a tento typ je dále neměnný

Proměnná, identifikátor, typy proměnných

• Proměnná – objekt ve kterém jsou uložena data
  • identifikátor - název proměnné
• základní datové typy:
  • int, float, str, bool

Přiřazovací příkaz

• identifikátor = výraz
• výraz může obsahovat:
  • matematické operátory
  • logické operátory
  • relační operátory
• výraz se vyhodnocuje zleva do prava podle priority
  • prioritu operací lze měnit závorkami ()

Výpis hodnoty proměnné

• print(object(s), sep=separator, end=end)

Větvení

• if podmínka:
  • blok příkazů
• další příkaz
• if podmínka:
  • blok příkazů
• else:
  • blok příkazů
• další příkaz
• if podmínka:
  • blok příkazů
• elif podmínka:
  • blok příkazů
• else:
  • blok příkazů
• další příkaz

Cykly

• S pevným počtem opakování:
  • for proměnná in posloupnost:
    • blok příkazů
  • další příkaz
  • for i in range(5):
• S ukončovací podmínkou:
  • while logická_podmínka:
    • blok příkazů
  • další příkaz

Funkce v Pythonu

• procedura - funkce, která nic nevrací
• definice funkce:
  • def jméno_funkce(a,b,c):
    • blok příkazů
  • return res
• volání funkce:
  • příkazy
  • p=jméno_funkce(3,7,10)
  • příkazy

Balíčky, moduly, import

• balíček = knihovna funkcí, které spolu nějakým způsobem souvisí, může být členěn do modulů
  • Balíček může obsahovat konstanty, funkce, datové typy
• Modul – soubor funkcí

Import balíčku a jeho částí

• import jméno_balíčku
• Přístup k funkcím přes tečkovou notaci
• import jméno_balíčku as xx
• from jméno_balíčku import jméno
  • Z balíčku se importuje pouze modul (nebo funkce) jméno
• from jméno_balíčku import *
  • Z balíčku se importují všechny moduly

Výpis obsahu balíčku

• import jméno_balíčku
• dir(jméno_balíčku)

GPIO – (General Purpose Input Output)

• mohou být nastaveny jako vstupní nebo jako výstupní
• Nastavení pinů se provádí před hlavním cyklem mikrokontroleru ( while True: ) (např. u arduina ve funkci void setup() )
• Ovládání pinů je obsaženo v modulu machine, který je u M5Stack součástí balíčku m5stack
• nastavení Pinu pro výstup:
  • import m5stack
  • pin26= machine.Pin(26,machine.Pin.OUT)
  • pin26.on() # výstup v úrovni 1
  • Pin26.off() # výstup v úrovni 0
• U výstupního pinu musíme dát pozor, aby pinem netekl větší proud
• nastavení Pinu pro vstup:
  • import m5stack
  • pin26= machine.Pin(26,machine.Pin.IN,machine.Pin.PULL_UP)
  • print(pin26.value())

Obsluha tlačítek u M5Stack Fire

• 3 tlačítka , která mají v API přiřazena jména btnA, btnB, btnC
• funkce pro práci s tlačítky:
  • isPressed(), wasPressed(), isReleased(), wasReleased(), pressFor(delay), wasDoublePress()

Přerušení vs pooling

• pooling
  • mikrokontrolér cyklicky testuje zda mají senzory připravená data
• přerušení
  • reakce mikrokontroléru na asynchronní událost
  • pokud má senzor připravená data „vyzve procesor“ k jejich zpracování
  • procesor může mezi událostmi zpracovávat jinou část programu nebo může „spát“

MicroPython vs. Python

• Micropython je redukovaná implementovaná verze interpreteru jazyka Python 3
• od klasického Pythonu se liší pouze množstvím knihoven (modulů) – některé chybí, některé jsou naopak přidány

LCD - API

• Soubor funkcí, které pracují s obrazovkou
• from m5stack import lcd
• barvy => lcd.BLACK, WHITE, ...
• fonty => lcd.FONT_Default, , FONT_Ubuntu
• lcd.clear([color])
• lcd.print(text [,x,y, color, …])
• lcd.fontSize()

Seznamy v micropythonu

• seznam je heterogenní datová struktura => lze do ní ukládat proměnné různých datových typů
• prázdný seznam: seznam = []
• vytvoření proměnné x typu seznam, obsahující prvky: x=[1.5, 3, ‘text’]
• délka seznamu: ````delka = len(x)```
• procházení seznamu: for i in x:
• vložení prvku na konec: x.append(val)
• vložení prvku na index: x.insert(index, val)
• smazání prvku podle hodnoty: x.remove(val)
• smazání prvku podle indexu: x.pop(index)

IMU (Inertial Measurement Unit)

• měří polohu a orientaci objektu obvykle je složený z akcelerometru a gyroskopu, někdy s magnetometrem

Časovače

• čítač, který používá taktovací signál
• použití (např.):
  • generování periodických impulsů
  • PWM (pulsně šířková modulace)
• U ESP32 jsou k dispozici 4 hardwarové časovače
• Micropython:
  • Pro práci s časovači se používá třída machine.Timer
  • Nastavení parametrů časovače:
    • from machine import Timer
    • tim0=Timer(0)
    • tim0.init(period=2000,mode=Timer.PERIODIC,callback=tim_callback)
  • Timer.ONE_SHOT / Timer.PERIODIC
  • obslužná rutina přerušení časovače:
    • def tim_callback(timer):
      • global i
      • lcd.clear()
      • lcd.print(i,100,100,lcd.RED)
      • i=i+1
  • ukončení časovače: tim0.deinit()

A/D (analog/digital) převodníky

• Převádí spojitou hodnotu napětí na číslicovou reprezentaci
• Základní charakteristiky:
  • Počet kvantizačních úrovní
  • Kvantizační krok
  • Souměrnost
  • Typ převodníku
  • Rozsah vstupního napětí

Typy převodníků

• Paralelní (flash) převodník
  • Princip: Vstupní napětí Vin se porovnává komparátory s referenčním napětím na napěťovém děliči. Výstup komparátorů je kódován do binární podoby.
  • +: rychlý převod (převod se provádí paralelně) -: vyšší spotřeba, drahé
• Převodník s následnou aproximací (SAR)
  • tři bloky:
    • SAR (successive aproximation register) – registr postupné aproximace
    • komparátor
    • D/A převodník
  • Tento typ převodníku se používá u většiny mikrokontrolerů
• Sigma-delta převodní
  • moderní typ převodníku, dosahuje vysokého rozlišení (16-24 bit) za relativně nízkou cenu
  • jednoduchý hardware
  • složitý software
  • jádrem převodníku je integrátor a komparátor

Použití ADC převodníku na ESP32

• obecně 2 dostupné ADC převodníky
• V micropythonu na ESP32 je modul ADC pro převod součástí knihovny machine
• import modulu a vytvoření objektu adc s nastavením pinu na kterém je převodník:
  • from machine import ADC, Pin
  • adc=ADC(Pin(36))
• Čtení hodnoty převodníku do proměnné xx: xx=adc.read()
• Změna parametrů převodu:
  • ADC.atten(attenuation)
  • ADC.width(width)

D/A – (digital/analog) převodníky

• Převádí číslicovou reprezentaci na analogový signál
• Charakteristiky:
  • Rozsah výstupního napětí (u ESP32 - 0-3.3V)
  • Počet kvantizačních úrovní (počet bitů) (u ESP32 je 8 bitový DAC – tj. lze zadat číslo v rozsahu 0-255)
• Typy převodníků:
  • přímé
    • vstupní datové slovo je přímo převedeno na výstupní napětí (proud)
  • nepřímé

D/A nepřímý převodník

• U nepřímých převodníků – pomocná veličina je impulz
  • převodníky s pulzně šířkovou modulací (PWM)

Použití DAC převodníku na ESP32

• Obecně jsou na ESP32 dostupné 2 převodníky
• Převodník je 8 bit (255 úrovní) a vstupní rozsah napětí je 0-3.3V
• Použití:
  • generátor funkcí
  • v kombinaci s ADC jako digitální signálový procesor
• V micropythonu na ESP32 je modul DAC pro převod součástí knihovny machine
• Aktivace modulu a vytvoření objektu dac s nastavením pinu na kterém je převodník
  • from machine import DAC, Pin
  • dac=DAC(Pin(26))
• Převod číslicové hodnoty xxx na analogové napětí
  • dac.write(xxx)

PWM – Pulse Width Modulation

• Jedná se o způsob, jak uměle získat analogové napětí na digitálním pinu
• rychlým přepínáním digitálního pinu z úrovně H do úrovně L a naopak
• PWM je charakterizováno základní frekvencí změny úrovně a tzv. střídou (duty cycle) což je poměr mezi tím, jak dlouho je signál v úrovni H oproti úrovni L v rámci jedné periody (střída 50% značí že doba v úrovni H je stejná jako v úrovni L)
• U ESP32 => lze použít PWM na všech pinech, které lze nastavit jako výstupní
• Použití:
  • Řízení rychlosti motorů
  • Stmívání LED
  • Řízení servomotorů apod.
• V micropythonu na ESP32 je modul PWM součástí knihovny machine
• Aktivace modulu a vytvoření objektu pwm0 s nastavením pinu na kterém bude PWM použito
  • from machine import PWM, Pin
  • pwm0=PWM(Pin(26))
  • Pwm0=PWM(Pin(26),freq=1000,duty=200)
• Zjištění základní frekvence, nastavení základní frekvence PWM na 1000 Hz
  • print(pwm0.freq())
  • pwm0.freq(1000)
• Zjištění duty-cycle a nastavení duty-cycle
  • print(pwm0.duty())
  • pwm0.duty(200)
• Ukončení práce s PWM
  • pwm0.deinit()

Co je Mbed

• Mbed OS je operační systém s otevřeným zdrojovým kódem a vývojový nástroj pro platformy využívající mikrokontroléry
• Platforma Mbed je postavena na jazyku C/C++
• Mbed OS obsahuje ovladače pro mnoho různých hardware:
  • moduly, desky, komponenty

Mikrokontrolery ARM

• 32 bitová architektura typu RISC
• velmi často využíván v mobilních odvětvích
• ARM1 (1984), aktuální ARM11

Vývoj aplikací v Mbed

• 3 možnosti vývoje aplikace:
  • 1. Online překladač
  • 2. Mbed Studio
  • 3. PlatformIO

Struktura programu v Mbed

• #include <mbed.h>
• // deklarace globálních proměnných
• void main() {
  • // deklarace lokálních proměnných
• while (1) {
  • …
  • }
• }

UART/USART

• jednoduchá komunikační linka mezi dvěma zařízeními
• asynchronní plně duplexní komunikace
• někdy se používá USART => podporuje i synchronní verzi
• typické parametry - 8/N/1 - bity se přenáší od LSB k MSB
• Propojení modulů vždy „křížem“

UART – konfigurace a použití

• Micropython:
  • Pro práci s UART se používá třída machine.UART
• Práce s UART:
  • Vytvoření objektu uart2 typu UART
    • from machine import UART
    • uart2=UART(2)
    • Uartx=UART(id, tx=číslo_pinu,rx=číslo_pinu)
  • Nastavení parametrů komunikace
    • uart2.init(baudrate=9600,bits=8,parity=None,stop=1)
  • Komunikace (u ESP32 lze použít pouze metodu „pooling“)
    • uart.any()
    • xxx=uart.read()
    • xxx=uart.read(n)
    • xxx=uart.readln()
    • uart.write(txt)
  • Ukončení činnosti sériového rozhraní
    • uart2.deinit()

Bluetooth komunikace M5stack

• M5stack micropython API nepodporuje bluetooth komunikaci
• Lze to vyřešit použitím BT-UART modulů
• POZOR!!!! Moduly jsou sice napájeny 3-6V, ale RX a TX piny nejsou 5V tolerant
• BT modul se konfiguruje AT příkazy

I²C – (Inter- Integrated Circuit)

• synchronní poloduplexní komunikace (= jeden vodič pro data a jeden vodič pro taktovací signál)
• používá se pro připojení nízkorychlostních zařízení
• Zařízení typu master zahajuje a ukončuje komunikaci, adresuje zařízení slave se kterým chce komunikovat a generuje hodinový signál SCL
• Zařízení slave je adresované masterem, obvykle poskytuje data

I²C – konfigurace a použití

• Micropython:
  • Pro práci s I²C se používá třída machine.I2C
• Práce s UART:
  • Vytvoření objektu i2c typu I2C
    • from machine import I2C
    • i2c=I2C(1,sda=21, scl=22[,freq=400000])
  • hledání adres zařízení
    • lst=i2c.scan()