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

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 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica 17/04/2017

Università degli studi di Pisa 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 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica 17/04/2017

Università degli studi di Pisa 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 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica 17/04/2017

Università degli studi di Pisa 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) Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica 17/04/2017

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 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica 17/04/2017

Università degli studi di Pisa 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 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica 17/04/2017

Università degli studi di Pisa 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 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica 17/04/2017

Università degli studi di Pisa 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 Multistandard Board 0080145 Master Internet Archivio Sensori generici Frigorifero Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica 17/04/2017

Università degli studi di Pisa 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) Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica 17/04/2017

Università degli studi di Pisa 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 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica 17/04/2017

Università degli studi di Pisa 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 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica 17/04/2017

Progettazione e sviluppo Il diagramma di Gantt Progettazione e sviluppo protocollo Modbus schede controllo Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica 17/04/2017

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 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica 17/04/2017

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 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica 17/04/2017

Scelta del microcontrollore Confronto fra LPC2148 e LPC2378 Philips Caratteristiche LPC2148 LPC2378 Frequenza ≤ 60MHz ≤ 72MHz Ethernet   USB Flash 512 kB SRAM 32 kB Controller mem. esterna Blocchi timer/counter 2 4 Bus USB APB AHB Power Domain Documentazione e bachi Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica 17/04/2017

Scelta del microcontrollore Confronto fra LPC2148 e LPC2378 Philips Caratteristiche LPC2148 LPC2378 Frequenza ≤ 60MHz ≤ 72MHz Ethernet   USB Flash 512 kB SRAM 32 kB Controller mem. esterna Blocchi timer/counter 2 4 Bus USB APB AHB Power Domain Documentazione e bachi Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica 17/04/2017

Schemi a blocchi e elettrici (1) Schema a blocchi Latch Triac Power Supply Ethernet PHY Memoria Esterna 128K x 8 LPC2378 SSP USB RS232 RS485 Isolated Digital Input Blocco Interfaccia Isolated Probes Thermo Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica 17/04/2017

Schemi a blocchi e elettrici (2) Schema elettrico Microcontrollore USB Memoria esterna Oscillatori JTAG Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica 17/04/2017

Schemi a blocchi e elettrici (3) Schema elettrico Latch dei Triac Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica 17/04/2017

Schemi a blocchi e elettrici (4) Schema elettrico Power Supply Lineare Switching Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica 17/04/2017

Schemi a blocchi e elettrici (5) Schema elettrico Interfacce Seriali Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica 17/04/2017

Schemi a blocchi e elettrici (6) Schema elettrico PHY - Ethernet Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica 17/04/2017

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 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica 17/04/2017

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 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica 17/04/2017

Gli ambienti di sviluppo Provati tre ambienti di sviluppo diversi: Caratteristiche IAR Embedded WorkBench Keil uVision 3 iSystem WinIDEA Usabilità Molto buona Ottima Buona Toolchain Solo proprietaria Realview o GNU Qualsiasi Riutilizzabilità Solo ARM Dipendente dalla toolchain Costo Medio/Alto Alto Basso Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica 17/04/2017

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 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica 17/04/2017

Il protocollo ModBus (2) Application Layer FlowChart Attesa richiesta ModBus Convalida Codice funzione Indirizzi dati Valore dei dati Esecuzione Funzione ModBus Invio Risposta ModBus [Valido] [Validi] [Valida] Invio Eccezione Codice Eccezione 1 Codice Eccezione 2 Codice Eccezione 3 Codice Eccezione 4/5/6 [NonValido] [NonValidi] [NonValida] [Ricezione PDU] Data Link Layer Primo car. ricevuto / iniz. e avvio t1.5 e t3.5 Stato iniziale /avvio t3.5 Carattere ricevuto / inizializzaz. e avvio t3.5 Idle (pronto a ricevere o trasmettere) Carattere emesso [se già emesso l’ultimo car.] / iniz. e avvio t3.5 Emissione Richiesta di emissione t3.5 scaduto Carattere ricevuto / inizializzaz. e avvio t3.5, t1.5 Ricezione t1.5 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 t3.5 : 3.5 tempi di carattere Se frame OK  Elabora frame Se frame NOK  Cancella intero frame Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica 17/04/2017

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 t1.5 e t3.5 Un insieme di funzioni per la gestione dei Codici Funzione Una funzione per la gestione delle eccezioni Polling sull’interfaccia UART e sul timer Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica 17/04/2017

Università degli studi di Pisa 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 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica 17/04/2017

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 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica 17/04/2017

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 Modifica dell’interfaccia AmicLAN over Serial Line Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica 17/04/2017

Università degli studi di Pisa 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 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica 17/04/2017

Università degli studi di Pisa 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) Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica 17/04/2017

Università degli studi di Pisa 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 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica 17/04/2017

Università degli studi di Pisa 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. Footograph 1.8: simulatore di master che pilota una fotocamera Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica 17/04/2017

Università degli studi di Pisa 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 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica 17/04/2017

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.) Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica 17/04/2017