3.3 Descrizione scheda di elaborazione
3.3.1 Fluctus
La loso a con cui è stato sviluppato il Fluctus Intelligent Sensor System è stata quella di coniugare un sistema full custom per sensori in una scheda sperimentale general purpose. L'ampia libertà di programmazione e l'elevato numero di pin e di possibili moduli di espansione, ha garantito la essibilità al programmatore per poter gestire i vari sensori per il sistema di sicurezza.
Nella scheda base sono presenti varie periferiche visibili in tabella 3.3. E' inoltre presente una porta di espansione utilizzata per connettere le interfacce dei sensori visibile in dettaglio in g. 3.33.
Molto utili in fase di debug, sono stati anche i led di tre colori diversi presenti sulla scheda ( g. 3.34).
Ma l'attenzione principale ricade, ovviamente, sul cuore della scheda, ovvero su Stellaris®LM3S9B90 Microcontroller e sulle periferiche utilizza-
te analog-to-digital converter (ADC), General-Purpose Timers e General- Purpose Input/Outputs (GPIOs).
Stellaris LM3S9B90
Come tutti i microcontrollori, anche questo modello si basa su una unità di calcolo interna, correlata con vari blocchi di memoria e una serie di peri- feriche collegate con il core attraverso un bus di sistema, come illustrato in g. 3.35.
CAPITOLO 3. ARCHITETTURA DEL SISTEMA
CAPITOLO 3. ARCHITETTURA DEL SISTEMA
CPU Stellaris LM3S9B90, core ARM Cortex-M3 32bit
CPU Speed Up to 80MHz
Flash 256 KByte
SRAM 96KByte
Real Time Clock DS1339U with CR1220 Battery
USB Virtual COM Device Port
Wan Port GPRS, UMTS, WiFi
RF Port Module RF Sub 1GHz or 2.4GHz for Local Wireless Networks EXP UART Uart Tx, Rx - 3.3V (alternative to USB Virtual Com)
EEPROM Parameters - 128 bytes
EEPROM 2 x 256Kb Backup remote software update
Ethernet 10/100 Mbps with MAC address
Power Supply 9 to 24 Vdc
PoE Supply Optional
Battery Li-ion 3,7V rechargeable
Li-SoCl2 3,6 V not rechargeable
Dimensions 10 x 15 cm
Temperature Range [-20+ 65]
Tabella 3.3: tabella periferiche motherboard Fluctus
CAPITOLO 3. ARCHITETTURA DEL SISTEMA
CAPITOLO 3. ARCHITETTURA DEL SISTEMA
CAPITOLO 3. ARCHITETTURA DEL SISTEMA
32-bit ARM Cortex-M3 architecture optimized for small-footprint em- bedded applications
80-MHz operation; 100 DMIPS performance
Outstanding processing performance combined with fast interrupt hand- ling
Harvard architecture characterized by separate buses for instruction and data
Hardware division and fast digital-signal-processing orientated multi- ply accumulate
Deterministic, high-performance interrupt handling for time-critical applications
Enhanced system debug with extensive breakpoint and trace capabili- ties
Optimized for single-cycle Flash memory usage
Ultra-low power consumption with integrated sleep modes
Il basso consumo di energia unitamente all'elevata velocità di calcolo e di gestione degli interrupt, ha fatto sì che il microcontrollore fosse adatto alla gestione del sistema di sicurezza.
analog-to-digital converter (ADC)
Il microcontrollore Stellaris contiene al suo interno due moduli ADC iden- tici, che possono lavorare in modo indipendente eseguendo varie sequenze di campionamento su ognuno dei 16 canali di ingresso condivisi disponibili( g. 3.36). Ogni modulo è composto da quattro squencer programmabili che
Figura 3.36: moduli interni dell'ADC
CAPITOLO 3. ARCHITETTURA DEL SISTEMA
Figura 3.37: schema a blocchi dell'ADC
microcontrollore. Lo schema a blocchi del modulo ADC è visibile in g. 3.37 Le caratteristice principali dei moduli sono visibili sono riportate in seguito:
16 ingressi analogici condivisi
con gurazione single-ended o dierenziale
Sample rate massimo di un milione samples/second Scelta del trigger tra:
microcontrollore (software) Timers
Comparatore analogico GPIO
possibilità di utilizzo della tensione di riferimento interna(3V ) o esterna General-Purpose Timers
Nel microcontrollore sono presenti quattro contatori ognuno composto da due moduli da 16bit che possono lavorare come un unico contatore da 32bit o singolarmente. Lo schema a blocchi è riportato in g. 3.38.
Le caratteristiche principali sono riportate in seguito: Conteggio crescente o decrescente
CAPITOLO 3. ARCHITETTURA DEL SISTEMA
Figura 3.38: schema a blocchi di un General Purpose Timers
Possibilità di determinare il tempo che intercorre tra l'interrupt del timer e l'entrata del sistema nell'interrupt service routine.
I timer inoltre hanno la possibilità di essere programmati in base al funzio- namento desiderato:
16- or 32-bit one-shot timer programmabile 16- or 32-bit periodic timer programmabile 16-bit general-purpose timer con prescaler a 8-bit 16-bit input-edge count- or time-capture modes General-Purpose Input/Outputs (GPIOs)
Il modulo GPIO permette il collegamente del microcontrollore con il mon- do esterno. Sono previsti 60 pin di ingresso/uscita condivisi tra le varie periferiche. Le caratteristiche sono riportate in seguito:
Fino a 60 GPIOs, dipendenti dalla con gurazione Tolleranza no a 5V se con gurati come input
CAPITOLO 3. ARCHITETTURA DEL SISTEMA Gestione programmabile degli interrupts
Sensibile ai fronti in salita, in discesa o entrambi del segnale Sensibile ai livelli logici alti, bassi o programmabili
Lo schema a blocchi del modulo è invece riportato in g. 3.39
Figura 3.39: schema a blocchi del modulo GPIOs
Firmware
Per la gestione dei sensori è stato sviluppato un rmware che gestisse i segnali provenienti dai sensori Lightgrid e Matguard e gli opportuni segnali di controllo per i sensori ultrasonici, calcolando anche la distanza con un possibile oggetto da rilevare. In caso di situazione di pericolo, sono stati utilizzati anche i led presenti sulla scheda come ausilio visivo per la fase di debug. Il codice del rmware può essere suddiviso in una parte relativa al- l'inizializzazione delle periferiche e in una parte relativa al funzionamento. Nella porzione di codice adibita all'inizializzazione, sono stati inizializzati i GPIO relativi ai sensori Lightgrid e Matguard come pin di ingresso ed è stata assegnata una funzione di interrupt per rilevare la variazione di livello logico. La funzione ha il compito di accendere il led associato al sensore per avere un riscontro visivo sul funzionamento. Due piedini di GPIO, relativi ai sensori ultrasonici(trasmettitore e ricevitore), sono stati inizializzati uno
CAPITOLO 3. ARCHITETTURA DEL SISTEMA
come ingresso al microcontrollore per la gestione del segnale di risposta dal circuito di interfaccia e uno come uscita verso il circuito di interfaccia stesso per l'invio del treno di impulsi. Inoltre sono stati inizializzati due timer, uno per la generazione di un treno di cinque impulsi a 40KHz ed uno per avere un timeout di attesa prima del successivo treno di impulsi. E' stato an- che inizializzato il modulo ADC con l'accortezza di avere il trigger generato direttamente dal microcontrollore. La parte del rmware relativa al funzio- namento del sistema, consiste nella gestione della generazione del treno di impulsi e dopo un'attesa di 1ms dall'invio degli impulsi, nell' attivazione del convertitore per le successive conversioni ogni 100µs, che è il tempo minimo che intercorre tra due conversioni successive a meno che non venga rilevato un segnale di eco entro il timeout pre ssato. Nel momento in cui arriva un segnale, a seconda del tempo che è intercorso tra il treno di impulsi e il segnale stesso, si accende un led di un colore diverso in base al range di distanza di rilevamento. Il diagramma di usso è mostrato in g. 3.40.
CAPITOLO 3. ARCHITETTURA DEL SISTEMA
Capitolo 4
Valutazioni degli utenti sul
portiere elettronico
Il naturale completamento del progetto, è passato attraverso la valutazio- ne dell'impatto che El.Go. ha avuto sugli utenti nali. Con utente nale non si intende solo chi comanda la sagoma, ma anche l'insieme dei partecipanti al gioco. Lo scopo è quello di consentire l'abbattimento di tutte le barriere favorendo l'interazione e l'integrazione tra persone con disabilità e non. L'ambiente prescelto per il confronto di El.Go. con gli utenti nali è sta- ta la scuola in quanto luogo di educazione e aggregazione. In particolare il Liceo Scienti co Salutati di Montecatini Terme, è stato il primo terreno di incontro per il test di El.Go.. Questo è stato possibile grazie alla par- tecipazione di alcuni studenti che durante l'ora di educazione sica hanno disputato una partita di calcio con questo portiere d'eccezione. Tra di essi erano presenti Tommaso e Paolo, due studenti con disabilità motoria, che si sono avvicendati nel controllo di El.Go..
La giornata è iniziata con la curiosità generale dei ragazzi durante il montaggio del portiere elettronico, tutto è stato vissuto come un momento di festa e partecipazione. Nel momento della scelta delle squadre, era palpa- bile l'emozione di Tommaso e Paolo di poter essere scelti come giocatori per la prima volta. Così come era forte l'incitamento dei compagni e l'applauso dopo ogni parata. Indelebile il ricordo di Tommaso che a ne partita ha espresso tutta la sua emozione e il suo desiderio di migliorarsi in vista delle successive partite. Il giudizio complessivo da parte di tutti i partecipanti di questa giornata è stato raccolto attraverso i questionari consegnati ai 25 ragazzi e 2 docenti. In seguito sono riportate le risposte date dai ragazzi alle 7 domande a risposta multipla presenti nel questionario.
Domanda 1:Ritieni che questo strumento sia adatto per divertirsi con amici e compagni?
CAPITOLO 4. VALUTAZIONI DEGLI UTENTI SUL PORTIERE ELETTRONICO
SI NO 25 0
Domanda 2: In che misura ritieni adeguato il portiere trasparenteper il gioco a squadre?
Moltissimo Molto Modesto Inutile
1 20 4 0
Domanda 3: Ritieni che il portiere trasparente sia da inserire nella scuo- la per agevolare la partecipazione di tutti gli studenti?
Indispensabile/Fondamentale Utile/Divertente Super uo/Inutile
8 17 0
Domanda 4: Quanto pensi sia importante coinvolgere, in modo diretto, studenti disabili grazie a questo ausilio?
Moltissimo Molto Modesto Inutile
23 2 0 0
Domanda 5: Inserire il portiere trasparentenella scuola può essere utile per che cosa?
Niente Far divertire tutti Favorire la Includere tutti gli gli studenti orendo socializzazione studenti nelle attività a tutti le stesse attraverso lo sport sportive
opportunità
0 16 0 9
Domanda 6: Pensi che il portiere trasparentepossa essere utilizzato du- rante le attività di educazione Fisica?
SI NO 25 0
Domanda 7: Ritieni che il portiere trasparentedebba essere utilizzato solo per attività ricreative?
CAPITOLO 4. VALUTAZIONI DEGLI UTENTI SUL PORTIERE ELETTRONICO
SI NO
6 19
Dai questionari è emerso come la maggior parte degli studenti, veda in El.Go. uno strumento non solo scolastico per l'integrazione. Nelle successive tre domande a risposta aperta:
Domanda 8: Esprimi brevemente qualche critica al progetto (se ne hai ri- scontrate)
Domanda 9: Esprimi brevemente quali sono i punti di forza e i vantaggi del progetto (se li hai individuati)
Domanda 10: Suggerimenti/Annotazioni/Richieste (se ritieni opportuno. . . ) Non sono emerse sostanziali critiche al sistema, le poche critiche sono state indirizzate all'estetica della sagoma più che al suo funzionamento. É impor- tante invece sottolineare come tutti gli studenti abbiano recepito in modo positivo l'esperienza e siano disposti ad accogliere El.Go. nella scuola per poterlo usare con continuità.
Considerando le risposte ai questionari date dai professori, anche loro sono risultati entusiasti dell'esperienza e considerano il portiere elettronico un ot- timo ausilio per la didattica. Dai questionari è inoltre emersa la volontà da parte dei professori di testare El.Go. anche in altri sport, come per esempio la pallamano. Di seguito è mostrata la vista della prospettiva del giocatore con disabilità. Dalla foto4.1 è possibile notare che l'immersione nella parti- ta da parte del giocatore disabile è equivalente a quella del portiere stesso, massimizzando in questo modo la giocabilità e il coinvolgimento.
Successivamente, a Corsagna, presso il centro sportivo S.Michele, è stata fatta un'ulteriore dimostrazione pubblica, in occasione della presentazione u ciale di El.Go. al convegno Il valore dello sport nella Disabilità g.4.4. É stata scelta questa località per la presentazione del portiere elettronico, in quanto il centro sportivo S.Michele, oltre ad essere un luogo di incontro e di aggregazione per i giovani del luogo, è frequentato da disabili che partecipano a varie attività sportive e a vari progetti sia sportivi che di carattere ludico- ricreativo-culturale e di animazione. Le persone con disabilità, però, non sono solo fruitori dei servizi del centro, ma sono anche partecipi della sua gestione. Presso il Centro Sportivo è stata aperta l'osteria bar Pizzeria LE MANI IN PASTA. Nell'ottica dell'integrazione cinque giovani con disabilità, a seguito di un periodo di formazione, sono stati inseriti ad ogni livello del ciclo di produzione del bar-ristorante del centro sportivo: servizio in sala, servizio al bar, cucina. Il campo di calcetto situato all'interno della struttura, è quindi risultato essere il posto naturale per la presentazione di un progetto che ha scopo principale favorire l'integrazione.
CAPITOLO 4. VALUTAZIONI DEGLI UTENTI SUL PORTIERE ELETTRONICO
Figura 4.1: immagine della prospettiva di gioco del giocatore che comanda El.Go.
cimentarsi nel gioco contro El.Go. comandato dai portieri Tommaso e Paolo. La partecipazione è stata ampia e il riscontro molto positivo. Molti ragazzi hanno più volte arontato l'attesa in la( g.4.5) pur di poter ripetere il gioco dimostrando ulteriormente il valore di El.Go. non solo per chi comanda il portiere, ma anche per gli altri partecipanti.
CAPITOLO 4. VALUTAZIONI DEGLI UTENTI SUL PORTIERE ELETTRONICO
Figura 4.2: momento della partita disputata
CAPITOLO 4. VALUTAZIONI DEGLI UTENTI SUL PORTIERE ELETTRONICO
CAPITOLO 4. VALUTAZIONI DEGLI UTENTI SUL PORTIERE ELETTRONICO
Figura 4.5: bambini in la in attesa di poter arontare il portiere elettronico
Capitolo 5
Conclusioni
Lo scopo dell'elaborato è stato quello di descrivere il processo che ha portato alla progettazione, realizzazione e sperimentazione di un sistema di sicurezza relativo al portiere elettronico El.Go.
Nella parte iniziale sono stati presentati i passi compiuti nello sviluppo del progetto del sistema di sicurezza come l'analisi dei requisiti e la de ni- zione delle speci che del sistema, oltre ad un'importante sezione riguardante lo sport e la disabilità; tali argomenti costituiscono il naturale background dell'intero lavoro di tesi e ne chiariscono le motivazioni.
Inizialmente l'attenzione è stata focalizzata sullo studio dei requisiti del sistema di sicurezza. Sono state analizzate prima le situazioni pericolose sul- le quali sarebbe stato possibile eettuare una prevenzione e successivamente dall'analisi di una potenziale situazione di pericolo, ovvero l'urto tra la sago- ma del portiere elettronico ed un giocatore, si è deciso di monitorare l'area di utilizzo del portiere elettronico attraverso una rete di sensori unita ad un sistema di elaborazione. Il sistema di sicurezza è stato progettato dunque per agire in totale autonomia rispetto all'utente utilizzatore. In seguito so- no stati individuati altri requisiti accessori che comunque hanno garantito una maggiore integrazione con il sistema già implementato, consentendo una maggiore giocabilità agli utenti.
Sono stati in ne selezionati i sensori in base ai requisiti discussi e sono stati progettati i circuiti di interfaccia. Va sottolineato come a seconda del tipo di rilevamento da eettuare, ogni sensore possiede punti di forza e punti deboli ed è stato deciso dunque di interfacciare più tipologie di sensori ( sensor fusion ), avendo così a disposizione informazioni ridondanti che però garantiscono una protezione maggiore anche in relazione ai malfunzionamenti dei sensori che possono veri carsi nella vita del sistema.
Dopo la fase di realizzazione, si è passati alla fase di test. In un primo momento il prototipo del sistema è stato collaudato in laboratorio, in un ambiente protetto. Dopo aver appurato il funzionamento e il rispetto dei
CAPITOLO 5. CONCLUSIONI
requisiti di sicurezza, il sistema è stato trasportato prima in una scuola e successivamente in un campo di calcio all'aperto che sono i luoghi per cui il sistema è stato concepito.
Essendo la sicurezza un processo in continuo sviluppo, si prevedono in futuro ulteriori test sull'a dabilità dei sensori per prevedere i tempi oltre i quali il sistema si degrada in termini di a dabilità. Inoltre si prevede l'integrazione totale dei sensori all'interno della struttura della porta di calcio così da prevenire danni dovuti ad urti o agenti atmosferici.
Ultimo aspetto, ma non per questo meno importante degli altri, il portie- re elettronico provvisto del sistema di sicurezza automatico, può ora essere uttilizzato senza pericolo per l'incolumità dei giocatori. I primi test eet- tuati hanno evidenziato come questo strumento possa essere timone per una maggiore socializzazione e integrazione di quelle persone, soprattutto gio- vani, che si vedono negato per motivi siologici l'accesso ad uno sport di squadra così diuso e coinvolgente come il calcio.
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