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Progettazione e sviluppo di una infrastruttura hardware e software per un sistema di supporto integrato in ambiente domestico Primo Relatore: Luca Fanucci.

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Presentazione sul tema: "Progettazione e sviluppo di una infrastruttura hardware e software per un sistema di supporto integrato in ambiente domestico Primo Relatore: Luca Fanucci."— Transcript della presentazione:

1 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 Candidato: Francesco Sechi

2 15/07/2015 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica IV Appello di Laurea 2007 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  Conclusioni e sviluppi futuri

3 15/07/2015 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica IV Appello di Laurea 2007 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 Sant’Anna di Pisa

4 15/07/2015 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica IV Appello di Laurea 2007 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

5 15/07/2015 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica IV Appello di Laurea 2007 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) Safety (antincendio, rilevatori di fughe di gas, e così via)

6 15/07/2015 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica IV Appello di Laurea 2007 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: Sistema Casa, 2003

7 15/07/2015 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica IV Appello di Laurea 2007 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. –…  Soluzioni eterogenee e non sempre compatibili

8 15/07/2015 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica IV Appello di Laurea 2007 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 –Costi elevati

9 15/07/2015 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica IV Appello di Laurea 2007 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 Modulo acquisizione Connessione Wireless Dispositivo di interfaccia portatile Piano cottura Bus standard Control board Interface board Control board Multistandard Board Master Board Interne t Control board Interface board Archivio Sensori generici Frigorifero

10 15/07/2015 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica IV Appello di Laurea 2007 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 (notifica di guasti e log degli eventi con segnalazione remota)

11 15/07/2015 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica IV Appello di Laurea 2007 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 –Costi ridotti, grazie all’utilizzo di soluzioni opensource

12 15/07/2015 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica IV Appello di Laurea 2007 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 Ottimizzare i consumi

13 15/07/2015 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica IV Appello di Laurea 2007 Il diagramma di Gantt Progettazione e sviluppo protocollo Modbus Progettazione e sviluppo schede controllo

14 15/07/2015 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica IV Appello di Laurea 2007 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

15 15/07/2015 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica IV Appello di Laurea 2007 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

16 15/07/2015 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica IV Appello di Laurea 2007 Scelta del microcontrollore  Confronto fra LPC2148 e LPC2378 Philips CaratteristicheLPC2148LPC2378 Frequenza≤ 60MHz≤ 72MHz Ethernet  USB Flash512 kB SRAM32 kB Controller mem. esterna  Blocchi timer/counter24 Bus USBAPBAHB Power Domain24 Documentazione e bachi 

17 15/07/2015 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica IV Appello di Laurea 2007 Scelta del microcontrollore  Confronto fra LPC2148 e LPC2378 Philips CaratteristicheLPC2148LPC2378 Frequenza≤ 60MHz≤ 72MHz Ethernet  USB Flash512 kB SRAM32 kB Controller mem. esterna  Blocchi timer/counter24 Bus USBAPBAHB Power Domain24 Documentazione e bachi 

18 15/07/2015 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica IV Appello di Laurea 2007 Schemi a blocchi e elettrici (1)  Schema a blocchi LPC2378 Memoria Esterna 128K x 8 SSP USB Ethernet PHY Latch Triac Power Supply RS232 RS485 Isolated Digital Input Blocco Interfaccia Isolated Probes Thermo

19 15/07/2015 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica IV Appello di Laurea 2007 Schemi a blocchi e elettrici (2)  Schema elettrico Microcontrollore JTAG Memoria esterna USB Oscillatori

20 15/07/2015 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica IV Appello di Laurea 2007 Schemi a blocchi e elettrici (3)  Schema elettrico Latch dei Triac

21 15/07/2015 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica IV Appello di Laurea 2007 Schemi a blocchi e elettrici (4)  Schema elettrico Power Supply Switching Lineare

22 15/07/2015 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica IV Appello di Laurea 2007 Schemi a blocchi e elettrici (5)  Schema elettrico Interfacce Seriali

23 15/07/2015 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica IV Appello di Laurea 2007 Schemi a blocchi e elettrici (6)  Schema elettrico PHY - Ethernet

24 15/07/2015 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica IV Appello di Laurea 2007 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

25 15/07/2015 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica IV Appello di Laurea 2007 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

26 15/07/2015 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica IV Appello di Laurea 2007 Gli ambienti di sviluppo  Provati tre ambienti di sviluppo diversi: Caratteristiche IAR Embedded WorkBench Keil uVision 3 iSystem WinIDEA UsabilitàMolto buonaOttimaBuona ToolchainSolo proprietaria Realview o GNU Qualsiasi RiutilizzabilitàSolo ARMOttima Dipendente dalla toolchain CostoMedio/AltoAltoBasso

27 15/07/2015 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica IV Appello di Laurea 2007 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 IndirizzoCodice FunzioneDatiCRC (o LRC) PDU ModBus PDU serial link ModBus

28 15/07/2015 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica IV Appello di Laurea 2007 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.] / iniz. e avvio t 3.5 Emissione Richiesta di emissione t 3.5 scaduto Carattere ricevuto / inizializzaz. e avvio t 3.5, t 1.5 Ricezione t 1.5 scaduto t 3.5 scaduto Controllo e attesa Commento Controlla frame:  flag = frame OK o NOK Carattere ricevuto / flag=frame NOK Legenda t 1.5, t 3.5 : timer t 1.5 : 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 ModBus [Valido] [Validi] [Valida] Invio Eccezione ModBus Codice Eccezione 1 Codice Eccezione 2 Codice Eccezione 3 Codice Eccezione 4/5/6 [NonValido] [NonValidi] [NonValida] [Ricezione PDU] Application Layer Data Link Layer

29 15/07/2015 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica IV Appello di Laurea 2007 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 –Polling sull’interfaccia UART e sul timer

30 15/07/2015 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica IV Appello di Laurea 2007 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

31 15/07/2015 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica IV Appello di Laurea 2007 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 prestazioni / consumo di memoria

32 15/07/2015 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica IV Appello di Laurea 2007 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 –Funzioni di callback: amiclan_accept_callback amiclan_recv_callback amiclan_sent_callback amiclan_poll_callback –Modifica dell’interfaccia AmicLAN over Serial Line

33 15/07/2015 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica IV Appello di Laurea 2007 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

34 15/07/2015 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica IV Appello di Laurea 2007 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)

35 15/07/2015 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica IV Appello di Laurea 2007 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

36 15/07/2015 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica IV Appello di Laurea 2007 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  TCP/IP lwIP: –Ethereal: monitor del traffico su reti ethernet  AmicLAN: –Heron 4: simulatore prodotto da Amic S.r.l. –Footograph 1.8: simulatore di master che pilota una fotocamera

37 15/07/2015 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica IV Appello di Laurea 2007 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 –Modificato il protocollo ModBus affinché non fosse bloccante

38 15/07/2015 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica IV Appello di Laurea 2007 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 (ProfiBus, FieldBus, Etercat, ecc.)


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