Sistemi embedded open source: Arduino come caso di studio

Il lavoro svolto in questa tesi è stato quello di introdurre alcuni concetti importanti dei sistemi embedded, in particolare ci si è soffermati su quelli open source. È stato trattato nello specifico Arduino come esempio di sistema embedded open source a basso costo.

Towards model driven software development for Arduino platforms: a DSL and automatic code generation

La tesi ha lo scopo di esplorare la produzione di sistemi software per Embedded Systems mediante l'utilizzo di tecniche relative al mondo del Model Driven Software Development. La fase più importante dello sviluppo sarà la definizione di un Meta-Modello che caratterizza i concetti fondamentali relativi agli embedded systems. Tale modello cercherà di astrarre dalla particolare piattaforma utilizzata ed individuare quali astrazioni caratterizzano il mondo degli embedded systems in generale. Tale meta-modello sarà quindi di tipo platform-independent. Per la generazione automatica di codice è stata adottata una piattaforma di riferimento, cioè Arduino. Arduino è un sistema embedded che si sta sempre più affermando perché coniuga un buon livello di performance ed un prezzo relativamente basso. Tale piattaforma permette lo sviluppo di sistemi special purpose che utilizzano sensori ed attuatori di vario genere, facilmente connessi ai pin messi a disposizione. Il meta-modello definito è un'istanza del meta-metamodello MOF, definito formalmente dall'organizzazione OMG. Questo permette allo sviluppatore di pensare ad un sistema sotto forma di modello, istanza del meta-modello definito. Un meta-modello può essere considerato anche come la sintassi astratta di un linguaggio, quindi può essere definito da un insieme di regole EBNF. La tecnologia utilizzata per la definizione del meta-modello è stata Xtext: un framework che permette la scrittura di regole EBNF e che genera automaticamente il modello Ecore associato al meta-modello definito. Ecore è l'implementazione di EMOF in ambiente Eclipse. Xtext genera inoltre dei plugin che permettono di avere un editor guidato dalla sintassi, definita nel meta-modello. La generazione automatica di codice è stata realizzata usando il linguaggio Xtend2. Tale linguaggio permette di esplorare l'Abstract Syntax Tree generato dalla traduzione del modello in Ecore e di generare tutti i file di codice necessari. Il codice generato fornisce praticamente tutta la schematic part dell'applicazione, mentre lascia all'application designer lo sviluppo della business logic. Dopo la definizione del meta-modello di un sistema embedded, il livello di astrazione è stato spostato più in alto, andando verso la definizione della parte di meta-modello relativa all'interazione di un sistema embedded con altri sistemi. Ci si è quindi spostati verso un ottica di Sistema, inteso come insieme di sistemi concentrati che interagiscono. Tale difinizione viene fatta dal punto di vista del sistema concentrato di cui si sta definendo il modello. Nella tesi viene inoltre introdotto un caso di studio che, anche se abbastanza semplice, fornisce un esempio ed un tutorial allo sviluppo di applicazioni mediante l'uso del meta-modello. Ci permette inoltre di notare come il compito dell'application designer diventi piuttosto semplice ed immediato, sempre se basato su una buona analisi del problema. I risultati ottenuti sono stati di buona qualità ed il meta-modello viene tradotto in codice che funziona correttamente.

Un framework per applicazioni di monitoraggio e domotica basato su tecnologie android e arduino

Questa tesi tratta dello sviluppo di un progetto chiamato Faxa e di una sua concreta applicazione nell’ambito della domotica (CasaDomotica). Faxa è un framework per la comunicazione via wireless tra dispositivi che supportano il sistema operativo Android e dispositivi Arduino Ethernet, comunicazione che avviene localmente attraverso il wi-fi. Il progetto si inserisce nel panorama più ampio chiamato “Internet of Things”, ovvero internet delle cose, dove ogni oggetto di uso domestico è collegato ad Internet e può essere quindi manipolato attraverso la rete in modo da realizzare una vera e propria “smart house”; perchè ciò si attui occorre sviluppare applicazioni semplici e alla portata di tutti. Il mio contributo comincia con la realizzazione del framework Faxa, così da fornire un supporto semplice e veloce per comporre programmi per Arduino e Android, sfruttando metodi ad alto livello. Il framework è sviluppato su due fronti: sul lato Android è composto sia da funzioni di alto livello, necessarie ad inviare ordini e messaggi all'Arduino, sia da un demone per Android; sul lato Arduino è composto dalla libreria, per inviare e ricevere messaggi. Per Arduino: sfruttando le librerie Faxa ho redatto un programma chiamato “BroadcastPin”. Questo programma invia costantemente sulla rete i dati dei sensori e controlla se ci sono ordini in ricezione. Il demone chiamato “GetItNow” è una applicazione che lavora costantemente in background. Il suo compito è memorizzare tutti i dati contenuti nei file xml inviati da Arduino. Tali dati corrispondono ai valori dei sensori connessi al dispositivo. I dati sono salvati in un database pubblico, potenzialmente accessibili a tutte le applicazioni presenti sul dispositivo mobile. Sul framework Faxa e grazie al demone “GetItNow” ho implementato “CasaDomotica”, un programma dimostrativo pensato per Android in grado di interoperare con apparecchi elettrici collegati ad un Arduino Ethernet, impiegando un’interfaccia video semplice e veloce. L’utente gestisce l’interfaccia per mezzo di parole chiave, a scelta comandi vocali o digitali, e con essa può accendere e spegnere luci, regolare ventilatori, attuare la rilevazione di temperatura e luminosità degli ambienti o quanto altro sia necessario. Il tutto semplicemente connettendo gli apparecchi all’Arduino e adattando il dispositivo mobile con pochi passi a comunicare con gli elettrodomestici.

Progettazione e sviluppo di un sistema di telemonitoraggio dell'attività elettrica cardiaca basato su tecnologie Android e Arduino

L'aumento inesorabile delle morti per cause legate a patologie cardiache, dovuto soprattutto al progressivo invecchiamento della popolazione occidentale, ha portato negli ultimi anni, alla necessità di sviluppare tecniche e sistemi di “Remote Monitoring”. L'obiettivo della tesi è la progettazione e lo sviluppo di un sistema di monitoraggio remoto dell'attività elettrica cardiaca basato sull’utilizzo delle piattaforme Android e Arduino. Il valore aggiunto della soluzione proposta e sviluppata è, quindi, soprattutto da ricercarsi nella tipologia di tecnologie utilizzate per la realizzazione del sistema (Android/Arduino): oltre, alla loro continua espansione, in termini di diffusione e avanzamento tecnologico, facilmente riscontrabile, hanno tutte l’importante caratteristica di essere totalmente Open Source, rendendo, quindi, ogni elemento del sistema eventualmente espandibile da chiunque lo desideri.

Progettazione e implementazione di una rete di sensori mobili Arduino per scenari di Disaster Recovery

Sommario Il progetto descritto in questo documento consiste nella realizzazione di una prima applicazione pratica di uno specifico studio di ricerca rivolto al ripristino di reti wireless in scenari post-calamità naturali. In principio è stata descritta un’ampia analisi delle problematiche di rete che si vengono a creare in seguito ad eventi catastrofici. Successivamente, analizzando le varie tecniche e tecnologie oggetto di studio di diversi gruppi di ricerca, si è scelto di collaborare con il progetto STEM-Mesh, essendo ancora in fase sperimentale, il quale affronta il problema di ristabilire la connettività di rete in questi particolari scenari, attraverso l’utilizzo di tecnologie Cognitive Radio (CR), mobilità controllata e principi di reti auto-organizzanti. Di questo primo approccio pratico sono state poi descritte le fasi di progettazione, implementazione e testing. Nella fase di progettazione sono state studiate le componenti hardware e software che rispettassero il più possibile i requisiti e le caratteristiche dei dispositivi “staminali” STEM-Node cuore del progetto STEM-Mesh, ovvero dei dispositivi wireless altamente auto-riconfiguranti ed auto-organizzanti che possono diventare dispositivi sostituivi ai nodi compromessi in una rete, riconfigurandosi appunto in base alle funzionalità interrotte. Nella fase di implementazione si è passati alla stesura del codice, in Python e Wiring, abilitante il dispositivo STEM-Node. Infine nella fase di testing si è verificato che i risultati fossero quelli desiderati e che il sistema realizzato funzionasse come previsto.

Coordinazione situata: integrazione di Arduino in un middleware basato su tuple

Il concetto di situatedness applicato ad un sistema multi-agente distribuito può essere riformulato come problema di coordinazione fra i componenti del sistema e le risorse ambientali. Per poter garantire e governare la coordinazione delle parti, viene esteso il modello di coordinazione TuCSoN arricchendo il linguaggio di coordinazione e l'architettura per la comunicazione verso l'ambiente introducendo il concetto di artefatto d'ambiente. In questo elaborato viene definita l'estensione Situated ReSpecT, la nuova componente Transducer e la sua interazione con le Probe, tramite un analisi teorica che si conclude con una verifica pratica su piattaforma Arduino.

Emulazione di una colonnina di ricarica per auto elettrica tramite arduino

Internet of Energy for Electric Mobility è un progetto di ricerca europeo il cui scopo consiste nello sviluppo di infrastrutture di comunicazione, siano esse sia hardware che software, volte alla facilitazione, supporto e miglioramento di tutte quelle operazioni legate al processo di ricarica di auto elettriche. A tale progetto vi ha aderito anche l’Università di Bologna ed è stato oggetto di studio di Federico Montori e Simone Rondelli. Il primo ha dato il là allo sviluppo del progetto realizzandovi, in una fase embrionale, una piattaforma legata alla gestione di un servizio cittadino (bolognese) per la gestione di ricariche elettriche, un’applicazione mobile in grado di interagire con tale servizio ed un simulatore per la piattaforma. In un lavoro durato oltre un anno, Simone Rondelli ha ripreso il progetto di Federico Montori riscrivendone le componenti in maniera tale da migliorarne le funzionalità ed aggiungerne anche di nuove; in particolare ha realizzato in maniera efficiente un’applicazione mobile la quale si occupa di gestire la prenotazione di colonnine elettriche di ricarica e di monitorare lo stato attuale di un’auto peso, livello batteria, ecc... ). Nel marzo del 2014 è cominciato il mio contributo nel contesto di Internet of Energy di cui ne ho ereditato tutta l’architettura derivante dai due sviluppi precedenti. Il mio compito è stato quello di realizzare (cioè emulare) una colonnina di ricarica auto elettrica, tramite la piattaforma elettronica Arduino, la quale al suo primo avvio informa il database semantico del sistema (SIB) della sua presenza in maniera tale che il simulatore sia in grado di poter far ricaricare un’auto anche a questa nuova colonnina. Di conseguenza ho fatto in modo di instaurare (tramite socket) una comunicazione tra il simulatore e la colonnina così che il simulatore informi la colonnina che è stata raggiunta da un’auto e, viceversa, la colonnina informi il simulatore sullo stato di ricarica dell’auto in modo che quest’ultima possa ripartire al termine della ricarica. Ho anche realizzato un’applicazione mobile in grado di comunicare con la colonnina, il cui scopo è quello di ottenere un codice di ricarica che poi l’utente deve digitare per autenticarsi presso di essa. Realizzando tale tipo di contributo si è data dunque la possibilità di integrare una componente ”reale” con componenti simulate quali le auto del simulatore di Internet of Energy e si sono poste le basi per estensioni future, le quali permettano di integrare anche più componenti che si registrano nel sistema e danno dunque la possibilità di essere utilizzate dalle auto elettriche.

Programmazione di Sistemi Embedded con Linguaggi ad Agenti: un caso di studio basato su Jason e Arduino

I paradigmi di programmazione più utilizzati nella realizzazione di sistemi embedded presentano delle limitazioni, in quanto non consentono di modellare alcuni aspetti fondamentali. Il paradigma ad agenti presenta delle caratteristiche che consentono di modellare alcuni aspetti fondamenetali di un sistema embedded, oltre a fornire un livello di astrazione più elevato. All'interno di questa tesi verranno mostrati i concetti fondamentali di questo paradigma, mostrando inoltre i costrutti di base di un linguaggio ad agenti come Jason. Nella programmazione ad agenti, l'ambiente riveste un ruolo fondomentale. All'interno di questa trattazione verrà introdotto un paradigma per la programmazione di ambienti, descrivendo inoltre il framework di riferimento: CArtAgo. Dopo aver descritto i concetti e gli strumenti per applicare il paradigma ad agenti, verrà proposto un metodo per la realizzazione di sistemi embedded tramite l'applicazione di Jason sulla scheda di prototipazione Arduino.

Regolazione di coppia e velocità di un motore in corrente continua con Arduino

Il controllo di coppia e velocità di un attuatore è una funzione molto importante per molte applicazioni nelle quali è richiesta una regolazione indipendente dal carico. L’elaborato mostra come, mediante l’implementazione di controlli a catena chiusa, è possibile regolare coppia e velocità di un motore in corrente continua a magneti permanenti. In particolare si evidenzia come la presenza di controlli a catena chiusa, fissato un segnale di riferimento, consente al sistema, basato su Arduino Uno, la regolazione autonoma della velocità angolare di rotazione del motore tale che questa rimanga costante anche in condizioni di variazione del carico applicato.

Sistema di controllo PID di temperatura con LabVIEW e scheda Arduino

Lo scopo del lavoro svolto e quello di realizzare un sistema di controllo Proporzionale-Integrativo-Derivativo (PID) della temperatura all'interno di un fornetto in una camera a vuoto. Il sistema deve essere in grado di eseguire rampe di temperatura con differenti rapidita di variazione, in vista di un suo futuro impiego nello studio del Desorbimento Termico di diversi materiali. Nella prima parte della tesi, si esaminano le premesse teoriche ai controlli Proporzionali-Integrativi-Derivativi, e sono esposti i metodi di Ziegler-Nichols e di Tyreus-Luyben per ricavare le costanti del PID. Nella seconda parte si descrivono il sistema fisico in esame e l'hardware messo a punto per il sistema di controllo, gestito interfacciandolo con una scheda Arduino. Nella terza parte viene invece trattato il software realizzato con LabVIEW per gestire e controllare l'apparato. Nella quarta parte sono infine mostrati i risultati sperimentali ottenuti, e le conclusioni tratte al termine del lavoro.

Controlador MIDI basado en Arduino

El presente proyecto tiene como objetivo la creación de un controlador MIDI económico que haga uso de la tecnología actual, y partiendo de la idea del instrumento clásico, el Theremin, desarrollado por Lev Serguéievich Termen. Para ello se ha dividido el proyecto en dos principales bloques, el primero, hardware y el segundo, software. En la parte del hardware, se explica cual ha sido la razón de la utilización del microprocesador Arduino Uno, sus características técnicas y el uso de sensores de ultrasonido, ya que proporcionan la característica de poder interactuar con el controlador a través de gestos con las manos, al igual que un Theremin clásico. Se explica el montaje de los dispositivos que conforman el controlador, así como la mejora realizada, con la utilización de 4 de estos sensores, para dar más capacidades de interactuación con el controlador MIDI. También se ve en ese apartado, como se programa la tarjeta de Arduino, para que se encargue de realizar medidas con los sensores y enviarlas por el puerto serial USB. En el apartado del software se da una introducción al entorno de programación Max/MSP. Se ve el plug in desarrollado con este lenguaje, para poder comunicar el controlador MIDI con un software de audio profesional (Ableton Live) y se explica con detalle los bloques que conforman el plug in de control de sensores y como es transformada la información que entrega el microprocesador Arduino por el puerto USB, en datos MIDI. También, se da una explicación sobre el manejo correcto del controlador a la hora de mover las manos sobre los sensores y de donde situar el instrumento para que no se produzcan problemas de interferencias con las señales que envían los ultrasonidos. Además, se proporciona un presupuesto del coste de los materiales, y otro del coste del desarrollo realizado por el ingeniero. ABSTRACT The aim of this Project is the creation of an economical MIDI controller that uses nowadays technology and that is based on the idea of the Theremin, a classical instrument conceived by Lev Serguéievich Termen. In order to accomplish this, the project has been divided into two sections: hardware and software. The hardware section explains why the microprocessor Arduino Uno has been chosen, sets out its technical specifications and the use of ultrasonic sensors. These sensors enable the user to interact with the controller through hand gestures like the Theremin. The assembly of the devices is exposed as well as the improvements made with the use of four of these sensors to offer more interactive capabilities with the MIDI controller. The Arduino singleboard programming that performs the measurements with the sensors and sends these measurements through the USB serial port is also explained here. The software section introduces Max/MSP programming environment as well as the plug in developed with this language that connects the MIDI controller with professional audio software (Ableton Live). The blocks that build the sensor controller plug in are explained in detail along with the way the Arduino delivers the information through the USB port into MIDI data. In addition, an explanation of the correct handling of the MIDI controller is given focusing on how the user should move his hands above the sensors and where to place the instrument to avoid interference problems with the signals sent. Also, a cost estimation of both materials and engineering is provided.

Sintetizador analógico en Arduino

Este proyecto consiste en el diseño y construcción de un sintetizador basado en el chip 6581 Sound Interface Device (SID). Este chip era el encargado de la generación de sonido en el Commodore 64, ordenador personal comercializado en 1982, y fue el primer sintetizador complejo construido para ordenador. El chip en cuestión es un sintetizador de tres voces, cada una de ellas capaz de generar cuatro diferentes formas de onda. Cada voz tiene control independiente de varios parámetros, permitiendo una relativamente amplia variedad de sonidos y efectos, muy útil para su uso en videojuegos. Además está dotado de un filtro programable para conseguir distintos timbres mediante síntesis sustractiva. El sintetizador se ha construido sobre Arduino, una plataforma de electrónica abierta concebida para la creación de prototipos, consistente en una placa de circuito impreso con un microcontrolador, programable desde un PC para que realice múltiples funciones (desde encender LEDs hasta controlar servomecanismos en robótica, procesado y transmisión de datos, etc.). El sintetizador es controlable vía MIDI, por ejemplo, desde un teclado de piano. A través de MIDI recibe información tal como qué notas debe tocar, o los valores de los parámetros del SID que modifican las propiedades del sonido. Además, toda esa información también la puede recibir de un PC mediante una conexión USB. Se han construido dos versiones del sintetizador: una versión “hardware”, que utiliza el SID para la generación de sonido, y otra “software”, que reemplaza el SID por un emulador, es decir, un programa que se comporta (en la medida de lo posible) de la misma manera que el SID. El emulador se ha implementado en un microcontrolador Atmega 168 de Atmel, el mismo que utiliza Arduino. ABSTRACT. This project consists on design and construction of a synthesizer which is based on chip 6581 Sound Interface Device (SID). This chip was used for sound generation on the Commodore 64, a home computer presented in 1982, and it was the first complex synthesizer built for computers. The chip is a three-voice synthesizer, each voice capable of generating four different waveforms. Each voice has independent control of several parameters, allowing a relatively wide variety of sounds and effects, very useful for its use on videogames. It also includes a programmable filter, allowing more timbre control via subtractive synthesis. The synthesizer has been built on Arduino, an open-source electronics prototyping platform that consists on a printed circuit board with a microcontroller, which is programmable with a computer to do several functions (lighting LEDs, controlling servomechanisms on robotics, data processing or transmission, etc.). The synthesizer is controlled via MIDI, in example, from a piano-type keyboard. It receives from MIDI information such as the notes that should be played or SID’s parameter values that modify the sound. It also can receive that information from a PC via USB connection. Two versions of the synthesizer have been built: a hardware one that uses the SID chip for sound generation, and a software one that replaces SID by an emulator, it is, a program that behaves (as far as possible) in the same way the SID would. The emulator is implemented on an Atmel’s Atmega 168 microcontroller, the same one that is used on Arduino.

Sistema de control de temperatura a través de Arduino y la tecnología GPRS/GSM

El principal objetivo de este proyecto consiste en estudiar las posibilidades de desarrollo de un sistema para el control de la temperatura basado en la plataforma Arduino. Con el fin de alcanzar dicho objetivo, se ha implementado un sistema que permite la consulta y control de la temperatura ambiente a través de la red de comunicaciones móviles. Tras un análisis previo de las distintas placas Arduino, se evalúan una serie de módulos de expansión (shields) compatibles con dicha plataforma que nos permiten ampliar sus funcionalidades, dotando al dispositivo de un sistema de comunicación basado en la tecnología GPRS/GSM. Se estudian los diferentes sensores de temperatura compatibles con Arduino, además de una serie de actuadores que contribuyen al accionamiento y control de un posible termostato, así como al desarrollo de un pequeño sistema de alarma capaz de detectar temperaturas extremas. El proyecto concluye con el diseño de una aplicación basada en el entorno de desarrollo Arduino que nos permita evaluar las distintas capacidades de nuestro sistema, así como comunicarnos con la plataforma a través de SMS para el control remoto de la temperatura. ABSTRACT. The goal of the project consists of studying the developmental possibilities of a temperature control system based on the Arduino platform. In order to this, there has been implemented a system to consult and manage the environmental temperature through mobile communication networks. After a previous assessment of the different Arduino boards, there are analysed a set of expansion modules (shields) compatibles with the platform that enables us to upgrade the device functionalities with the GPRS/GSM communication protocol. Different temperature sensors compatible with Arduino have been studied. In addition, there are evaluated a set of actuators for the operation and control of a thermostat and also the development of a small alarm system that alerts of extremes temperatures. The project concludes with the design of an application based on the Arduino development environment which allows us to evaluate the different capabilities of our system as well as the communication with the platform by SMS for the remote temperature control.

Diseño de un sistema para el manejo a distancia de aeronaves construidas con arduino

El principal objetivo del proyecto es intentar reducir los costes de algunas de las operaciones de vigilancia llevadas a cabo por agencias o instituciones de seguridad. El proyecto consiste en diseñar y desarrollar un sistema informático que permita el manejo a distancia de un cuadricóptero a través de un ordenador, utilizando el teclado y visualizando las imágenes recibidas del módulo de la videocámara. Cada cuadricóptero estará compuesto de diferentes módulos y cada módulo tiene una funcionalidad característica. Se desarrollará un sistema de gestión de aeronaves para poder añadir nuevas unidades de cuadricópteros, así como un sistema de gestión de usuarios para administrar los usuarios en el sistema. Adicionalmente, se construirá un prototipo de cuadricóptero y se implementará su unidad controladora para poder realizar las pruebas del sistema desarrollado con ello. ---ABSTRACT---The aim of this project is to attempt to reduce the costs of some surveillance services offered by security agencies or institutions. The project consists in designing and developing a computer system to remotely control a drone or quad-copter through a computer, manipulating the drone through the keyboard and watching the images captured from the camera module. Each drone is built with one or more modules, and each module has its own functionality. Both new drones and new users can be added to the computer system through the drone management system and the user management system, respectively. Both of management systems are going to be developed. The project also includes the making of a quad-copter prototype and a controller unit implementation.