Progettazione e sviluppo di una infrastruttura hardware e software per un sistema di supporto integrato in ambiente domestico

Progettazione e sviluppo

di una infrastruttura hardware e software

per un sistema di supporto integrato

in ambiente domestico

Primo Relatore: Luca Fanucci

Secondo Relatore: Pierfrancesco Foglia

Terzo Relatore: Simone Perini

Indice degli argomenti



L’azienda: Amic s.r.l.



La domotica

– Definizione

– La situazione del mercato

– Lo stato dell’arte



Il progetto ELIK



Il modulo sviluppato: la

Control Board

– L’architettura hardware

• Scelta del microcontrollore

• Schemi a blocchi e elettrici

– Il firmware

• Gli ambienti di sviluppo

• I protocolli

• Testing

• Integrazione

L’azienda: Amic S.r.l.



Società del gruppo Microtel

– Costituito da diverse società europee

– Opera nel settore dell'Electronic Manufacturing Services

– Progettazione, sviluppo e produzione di schede elettroniche,

moduli e sistemi



Realizza dispositivi e sistemi elettronici

partendo dalle specifiche del cliente



Spin-Off della Scuola Superiore

La domotica (1)



Disciplina che integra le tecnologie

dell’impiantistica domestica tradizionale con

tecnologie innovative, per ottenere funzionalità

complesse

– Integrazione: condivisione dell’informazione fra i singoli

impianti installati



Separazione dell’evento dall’azione



Per il trasporto dell’informazione vanno definiti:

– Protocolli (proprietari o aperti)

– Mezzi trasmissivi

La domotica (2)



Vantaggi:

– Componenti più funzionali ed efficienti

– Risparmio energetico

– Miglioramento della qualità della vita delle persone in

condizioni di svantaggio rispetto alla maggioranza

della popolazione

– Sicurezza edifici

• Security (antifurto e controllo degli accessi)

La situazione del mercato



Mercato europeo della domotica fortemente in crescita



Divergenza fra

l’Europa del nord e

quella dell’area

mediterranea



In Italia, il mercato

presenta

un importante

trend evolutivo



Sono ancora poche le aziende

in grado di offrire soluzioni integrate e integrabili

Fonte:

Lo stato dell’arte (1)



Diverse soluzioni per l’home automation:

– MyHome della BTicino

– ByMe di Vimar

– Chorus della Gewiss

– Atmosphera di BM S.p.A.

– …

Lo stato dell’arte (2)



Cosa offrono:

– Controllo dei servizi connessi al sistema e gestone dell’impianto di

sicurezza

– Dotati di interfaccia a menù:

• LCD

• Touchscreen

– Controllo da remoto:

• Internet

• Telefono (cellulare o fisso)



Cosa manca:

– Nessun grado di specializzazione

– Spesso soluzioni proprietarie

Il progetto ELIK (1)



Sistema integrato

in grado di rendere

sicuro, intelligente

e maggiormente

usabile il sistema

cucina domestica



Integra una

nuova generazione

di elettrodomestici

dotati di intelligenza

superiore che

permette un utilizzo

efficiente e sicuro

Dispositivo di interfaccia portatile Piano cottura

Bus standard

Control board

Interface board Control board

Multistandard Board Master Board

Interne

t

Interne

t

Il progetto ELIK (2)



Offre:

– Supporto alle attività dell’utente della cucina per mezzo di sistemi

esperti, permettendo:

• Creazione di ricette ideali

in funzione del contenuto della base di conoscenza

(dati clinici, gusti, disponibilità in dispensa, ecc.)

• Impostazione automatica degli attuatori

(temperatura e tipologia di cottura del forno, selezione del

lavaggio più indicato per la lavatrice, ecc.).

– Aumento del livello di sicurezza in cucina, segnalando:

• Presenza di eventuali anomalie

(fughe di gas o acqua, variazioni anomale delle temperature)

• Malfunzionamenti

Il progetto ELIK (3)



Vantaggi rispetto alle soluzioni esistenti:

– Controllo dell’ambiente cucina in tutta la sua complessità

– Interfacciamento con la maggior parte delle soluzioni

in commercio

– Infrastruttura su cui è possibile impostare una serie di

future applicazioni

– Basata su protocolli aperti

Il progetto ELIK (4)



Ulteriori vantaggi:

– Maggior tutela della salute dei lavoratori e maggiore

sicurezza dei luoghi di lavoro:

mediante rilevatori di anomalie e malfunzionamenti

– Strumento di perseguimento delle pari opportunità:

consente una migliore gestione dei lavori domestici, tuttora

quasi esclusivo appannaggio del sesso femminile

– Risparmio energetico:

politiche di gestione delle utenze in modo da:

• Ridurre l’impatto ambientale

Il diagramma di Gantt

Progettazione e sviluppo

protocollo Modbus

Progettazione e sviluppo

schede controllo

Il modulo sviluppato: la Control Board



Scheda che consente il controllo di un singolo

elettrodomestico



Hardware:

– Microcontrollore LPC2378 della Philips basato su microprocessori

ARM7TDMI-S

– Interfacce RS232, RS485, Ethernet e USB



Firmware:

– Protocollo industriale ModBus

– Protocollo AmicLan

– Protocollo TCP/IP

– Protocollo USB

Il modulo sviluppato: la Control Board



Scheda che consente il controllo di un singolo

elettrodomestico



Hardware:

– Microcontrollore LPC2378 della Philips basato su microprocessori

ARM7TDMI-S

– Interfacce RS232, RS485, Ethernet e USB



Firmware:

– Protocollo industriale ModBus

– Protocollo AmicLan

– Protocollo TCP/IP

– Protocollo USB

Scelta del microcontrollore



Confronto fra LPC2148 e LPC2378 Philips

Caratteristiche

LPC2148

LPC2378

Frequenza

≤ 60MHz

≤ 72MHz

Ethernet





USB





Flash

512 kB

512 kB

SRAM

32 kB

32 kB

Controller mem. esterna





Blocchi timer/counter

2

4

Bus USB

APB

AHB

Power Domain

2

4

Scelta del microcontrollore



Confronto fra LPC2148 e LPC2378 Philips

Caratteristiche

LPC2148

LPC2378

Frequenza

≤ 60MHz

≤ 72MHz

Ethernet





USB





Flash

512 kB

512 kB

SRAM

32 kB

32 kB

Controller mem. esterna





Blocchi timer/counter

2

4

Bus USB

APB

AHB

Power Domain

2

4

Schemi a blocchi e elettrici (1)



_Schema

a blocchi

LPC2378

Memoria Esterna

128K x 8

SSP

USB

Ethernet

P

H

Y

Latch

Triac

_Power

Supply

RS232

RS485

Isolated

Digital Input

Blocco

Interfaccia

Isolated

Probes

Thermo

Schemi a blocchi e elettrici (2)



Schema elettrico

Microcontrollore

JTAG

Memoria

esterna

USB

Oscillatori

Schemi a blocchi e elettrici (3)



Schema

elettrico

Latch

dei Triac

Schemi a blocchi e elettrici (4)



Schema elettrico

Power Supply

Switching

Lineare

Schemi a blocchi e elettrici (5)



Schema elettrico

Interfacce

Seriali

Schemi a blocchi e elettrici (6)

Il modulo sviluppato: la Control Board



Scheda che consente il controllo di un singolo

elettrodomestico



Hardware:

– Microcontrollore LPC2378 della Philips basato su microprocessori

ARM7TDMI-S

– Interfacce RS232, RS485, Ethernet e USB



Firmware:

– Protocollo industriale ModBus

– Protocollo AmicLan

– Protocollo TCP/IP

– Protocollo USB

Il modulo sviluppato: la Control Board



Scheda che consente il controllo di un singolo

elettrodomestico



Hardware:

– Microcontrollore LPC2378 della Philips basato su microprocessori

ARM7TDMI-S

– Interfacce RS232, RS485, Ethernet e USB



Firmware:

– Protocollo industriale ModBus

– Protocollo AmicLan

– Protocollo TCP/IP

– Protocollo USB

Gli ambienti di sviluppo



Provati tre ambienti di sviluppo diversi:

Caratteristiche

IAR Embedded

_WorkBench

_{uVision 3}

Keil

_WinIDEA

iSystem

Usabilità

Molto buona

Ottima

Buona

Toolchain

Solo proprietaria

Realview

_{o GNU}

Qualsiasi

Riutilizzabilità

Solo ARM

Ottima

_{dalla toolchain}

Dipendente

Il protocollo ModBus (1)



Protocollo a scambio di messaggi master/multislave di tipo

richiesta/risposta



Due layer:

– ModBus Application Protocol

– ModBus Data Link Protocol



Formato pacchetto:

– Campo Indirizzo: ID dello slave destinatario o broadcast

– Codice Funzione: codifica l’operazione richiesta dal master

– Dati: contiene informazioni aggiuntive

– CRC: controllo dell’errore

Campo Indirizzo Codice Funzione Dati CRC (o LRC)

PDU ModBus PDU serial link ModBus

Il protocollo ModBus (2)



FlowChart

Primo car. ricevuto / iniz. e avvio t_1.5 e t_3.5 Stato iniziale /avvio t_3.5 Carattere ricevuto / inizializzaz. e avvio t_3.5 Idle (pronto a ricevere o trasmettere)

Carattere emesso [se già emesso l’ultimo car.] Emissione Richiesta di emissione t3.5 scaduto Carattere ricevuto / inizializzaz. e avvio t_3.5, t_1.5 Ricezione t_1.5 scaduto t_3.5 scaduto t3.5 scaduto Controllo e attesa Commento Controlla frame:  flag = frame OK o NOK Carattere ricevuto / flag=frame NOK Legenda t1.5, t3.5 : timer t1.5 : 1.5 tempi di carattere t_3.5 : 3.5 tempi di carattere Commento Se frame OK  Elabora frame Se frame NOK  Cancella intero frame Attesa richiesta ModBus Convalida Codice funzione Convalida Indirizzi dati Convalida Valore dei dati

Esecuzione Funzione ModBus Invio Risposta [Valido] [Validi] [Validi] [Valida] Invio Eccezione ModBus Codice Eccezione 1 Codice Eccezione 2 Codice Eccezione 3 Codice Eccezione 4/5/6 [NonValido] [NonValidi] [NonValidi] [NonValida] [Ricezione PDU]

Application Layer

Il protocollo ModBus (3)



Implementazione:

– Due moduli: ALSlave e DLSlave

– Una routine di interrupt per la ricezione su UART

– Un timer con granularità 0.1 ms per la gestione

dei timeout t

1.5

e t

3.5

– Un insieme di funzioni per la gestione dei Codici Funzione

– Una funzione per la gestione delle eccezioni

Il protocollo AmicLAN



Protocollo a scambio di messaggi master/multislave di tipo

richiesta/risposta su linea seriale



Tre classi di dispositivi:

– Classe Master (M0)

– Classe Controller (M1)

– Classe Device (M2)



PDU di richiesta:

– Indirizzo del dispositivo slave a

cui è destinato il PDU

– Indirizzo del dispositivo che

trasmette il PDU

– Classe di appartenenza del

mittente e del destinatario

– Codice del comando che si vuole

eseguire

– Dati associati alla funzione da

eseguire

– Checksum



Tipi di risposta:

– Richiesta espletata

completamente

– Richiesta non eseguita

(errore generico)

– Slave busy

– Richiesta posticipata

– Errore durante l’elaborazione

– Funzione non implementata

Il protocollo TCP/IP lwIP (1)



Porting di un protocollo esistente:

– Garantita la presenza di un minor numero di bug

– Risparmio di mesi-uomo necessari

per un’implementazione ad hoc



Implementazione opensource

sviluppata da Adam Dunkels dello

Swedish Institute of Computer Science



_{Ottimo rapporto}

Il protocollo TCP/IP lwIP (2)



Implementazione di AmicLAN over TCP/IP:

– Timer con granularità 1 ms per la gestione

dei timeout tcp_timer_coarse e tcp_timer_fine

– Funzioni di gestione dell’interfaccia Ethernet

– Struttura dati per la comunicazione fra layer

– Connessione TCP in stato LISTEN sulla porta 12000

– Funzioni di callback:

• amiclan_accept_callback

• amiclan_recv_callback

• amiclan_sent_callback

• amiclan_poll_callback

Il protocollo USB (1)



Firmware come porta COM virtuale,

secondo il modello CDC

Abstract Control Model Serial Emulation

– Non necessita di implementazione

dei driver del master (< NRE)

– Si è potuto utilizzare da subito il software di testing

del protocollo AmicLan Heron

Il protocollo USB (2)



Communication Class

(Abstract Control Model):

– Pipe di gestione (bidirezionale) di tipo Control su Endpoint 0

• Call Management Functional Descriptor

– Pipe di notifica (ingresso) di tipo Interrupt su Endpoint 1

• ACM Functional Descriptor



_{Data Class:}

– Pipe di tipo Bulk (ingresso) per la trasmissione dei dati (EP 2)

– Pipe di tipo Bulk (uscita) per la ricezione dei dati (EP 5)

Il protocollo USB (3)



Implementazione:

– Handler dell’endpoint 0, per richieste di controllo

e di trasferimenti relativi all’ACM

– Handler dell’endpoint 1, richiamato su richiesta di tipo classe

dall’endpoint 0

– Polling sulla funzione di gestione degli interrupt



Implementazione di AmicLAN over USB:

– Handler per la gestione delle pipe di tipo Bulk

– Stessa interfaccia di AmicLan over Serial Line

Testing



Utilizzato software freeware o shareware



ModBus:

– Modpoll Modbus® Polling Tool: simulatore da riga di comando

– Modbus Poll: simulatore shareware

– MODBUS Serial RTU + TCP/IP Simulator (Conrad Braam):

simulatore freeware scritto in Visual C++ 6.0



TCP/IP lwIP:

– Ethereal: monitor del traffico su reti ethernet



AmicLAN:

– Heron 4: simulatore prodotto da Amic S.r.l.

Integrazione



Necessario rendere compatibili i prototipi di

interfaccia dei protocolli AmicLAN over TCP/IP

e AmicLAN over USB

– interfaccia unica con entrambe le tipologie di parametri formali

– Scelta del protocollo mittente da analisi dei parametri



Nessuna implementazione si deve bloccare in

attesa di un dato

Conclusioni e sviluppi futuri



Ampliamento della gamma dei servizi offerti in funzione

delle esigenze dell’utente e delle richieste del mercato

– diverse categorie di prodotti che, pur basate sulla stessa infrastruttura,

offrano servizi differenti



Affiancamento di ulteriori protocolli aperti di livello

applicazione al protocollo proprietario AmicLan

(ModBus over TCP/IP)



Infrastruttura di base per lo sviluppo di architetture

distribuite non necessariamente legate al vano cucina o

all’automazione domestica stessa:

– in ambito industriale, per il controllo di forni industriali o per la supervisione

dell’intero impianto



Implementazione di altri protocolli industriali