Πρόλογος

Ήρθε λοιπόν η ώρα για το τρίτο DIY project. Δεν πέρασε πολύς καιρός από τα προηγούμενα δυο projects, που το πρώτο ήταν η κατασκευή ενός IR receiver για τον έλεγχο ενός υπολογιστή και το δεύτερο η κατασκευή ενός Ethernet DMX controller με υποστήριξη για Art-Net. Αυτή τη φορά θα κατασκευάσουμε ένα δικτυακό wi-fi 3-φασικό ενεργειακό μετρητή για οικιακή χρήση, με τον οποίο θα μπορεί κάποιος να μετρά τη συνολική οικιακή κατανάλωση ενέργειας, να βλέπει την ιστορικότητα και έτσι, θα μπορεί να ρυθμίσει καλύτερα τις καταναλώσεις του. Η δυσκολία αυτού του project είναι μεγαλύτερη από τα προηγούμενα και γίνεται ακόμα μεγαλύτερη αν θελήσει κάποιος να εγκαταστήσει τις εφαρμογές που έχω φτιάξει - στις οποίες θα αναφερθούμε στην πορεία - σε πλατφόρμες που δεν υποστηρίζονται από τα αρχεία που θα σας δώσω. Το καλό όμως από την άλλη είναι ότι αν κάποιος θέλει, με λίγο παραπάνω κόπο, μπορεί αν το κάνει σχεδόν σε οποιαδήποτε πλατφόρμα και λειτουργικό.

Η μέτρηση της κατανάλωσης είναι πολύ σημαντική για μια κατοικία, ένα γραφείο ή ένα μαγαζί (για ευκολία θα αναφέρομαι σε όλα αυτά ως οικιακά), γιατί με τον τρόπο αυτό είναι δυνατή η εύρεση των φορτίων που καταναλώνουν περισσότερο, την χρονική στιγμή που το κάνουν, όπως επίσης και την ποσότητα και την ποιότητα των σύνθετων μη γραμμικών φορτίων. Έτσι είναι δυνατή η εξοικονόμηση ενέργειας, που συνεπάγεται και μείωση του λογαριασμού της ΔΕΗ. Φυσικά υπάρχουν φορτία (συσκευές δηλαδή) τα οποία δεν μπορούμε να απενεργοποιήσουμε καθόλου, αλλά υπάρχουν και φορτία τα οποία ενώ καταναλώνουν αρκετά θα μπορούσαμε να τα απενεργοποιούμε σε διάφορες χρονικές στιγμές μέσα στην ημέρα. Γενικά με την μέτρηση της κατανάλωσης, είτε στιγμιαία είτε κατά την διάρκεια της ημέρας, μπορούμε να μοντελοποιήσουμε το ενεργειακό προφίλ ανά ώρα, ημέρα, εποχή κλπ και ταυτόχρονα να μειώσουμε την κατανάλωση μειώνοντας κάποια φορτία.

Το project αυτό, εμπλέκει αρκετά πράγματα μαζί, όπως τα ηλεκτρονικά, τα ηλεκτρολογικά, ο προγραμματισμός και τη γνώση κάποιων λειτουργικών συστημάτων (ανάλογα με το ποιο θα επιλέξετε να χρησιμοποιήσετε στην πορεία). Όσον αφορά τα ηλεκτρολογικά χρειάζεται απόλυτη προσοχή, γιατί η τάση του δικτύου μπορεί να σκοτώσει και στο project αυτό ίσως χρειαστεί να έρθετε σε "επαφή" με καλώδια που έχουν επικίνδυνη τάση. Επομένως, ΠΡΟΣΟΧΗ στην τάση του δικτύου και μην προχωρήσετε σε κανένα βήμα αν δεν γνωρίζεται ακριβώς τι κάνετε και πως θα το κάνετε. Αν δεν γνωρίζετε ή νιώθετε ανασφάλεια μην το επιχειρήσετε!

Περί AC

Πριν προχωρήσουμε στα ενδότερα του project, θα πρέπει να δούμε κάποια θεωρητικά θέματα όσον αφορά στα ηλεκτρολογικά, ώστε να γίνει κατανοητό τι χρειάζεται να κάνουμε, ποια είναι τα προβλήματα και πως αντιμετωπίζονται. Θα προσπαθήσω ωστόσο να κρατήσω την θεωρία σε απλά επίπεδα, καθώς δεν είναι απολύτως απαραίτητη για την υλοποίηση του project. Παρ' όλ' αυτά για να κατανοήσετε το πως ακριβώς λειτουργεί ο κώδικας, θα την χρειαστείτε σίγουρα.

Η ονομαστική χαμηλή εναλλασσόμενη τάση AC του δικτύου της ΔΕΗ που έχουμε στα σπίτια μας είναι 230V/50Hz για την μονοφασική και 400V/50Hz για την τριφασική, με διακύμανση +/-10%. Τα 230V είναι η τάση που φτάνει στις πρίζες μας στην ηλεκτρολογική εγκατάσταση και τα 50Hz είναι ο ρυθμός με τον οποίο εναλλάσσεται η τάση γύρω από τα 0V. Αυτό φαίνεται και στην παρακάτω εικόνα.

H τάση αυτή παρότι λέγεται χαμηλή, ως γνωστόν μπορεί να σκοτώσει, γι' αυτό και θέλει και προσοχή οποιοσδήποτε χειρισμός που έχει να κάνει με αυτήν. Αν μετρήσει κάποιος με ένα πολύμετρο σε μια πρίζα, το πιο πιθανό είναι ότι θα δει πως η τάση δεν θα είναι ακριβώς 230V, αλλά λίγο παραπάνω ή λίγο παρακάτω. Αυτό είναι η διακύμανση.

Η τάση από μόνη της, δεν σημαίνει κατανάλωση. Για να υπάρχει κατανάλωση ισχύος χρειάζεται ένα φορτίο (μια συσκευή ουσιαστικά), το οποίο θα τραβήξει ρεύμα από το δίκτυο της τάσης. Αρχικά θα υποθέσουμε ότι έχουμε ένα απλό ωμικό φορτίο, όπως μια λάμπα πυρακτώσεως. Το απλό ωμικό φορτίο είναι αυτό το οποίο δεν περιέχει καμία χωρητικότητα ή επαγωγή, δηλαδή δεν είναι σύνθετο φορτίο. Το αντίστοιχο κύκλωμα είναι το παρακάτω:

Η τάση και το ρεύμα φαίνονται στην παρακάτω εικόνα

Η κατανάλωση είναι αυτή που φαίνεται παρακάτω

Στις εικόνες αυτές παρατηρούμε ότι το ρεύμα με την τάση είναι συμφασικά (δηλαδή μεταβάλλονται με τον ίδιο τρόπο, περνώντας ταυτόχρονα από τον άξονα των 0V) και ότι η κατανάλωση της ισχύος είναι πάντα θετική ακόμα και όταν το ρεύμα με την τάση είναι αρνητικά. Αυτό συμβαίνει γιατί η ισχύς, είναι το γινόμενο της τάσης επί το ρεύμα, οπότε- στην περίπτωση που εξετάζουμε - αποκτούν ταυτόχρονα και τα δυο αρνητικό πρόσημο, με αποτέλεσμα η ισχύς να παραμένει θετική.

Εκτός από τα ωμικά φορτία υπάρχουν και τα σύνθετα φορτία τα οποία εκτός από ωμική παρουσιάζουν και πυκνωτική ή επαγωγική συμπεριφορά. Τέτοια φορτία είναι συνήθως τα ψυγεία, οποιοσδήποτε AC κινητήρας (πχ σεσουάρ, κλιματιστικά, απορροφητήρες) και διάφορες άλλες οικιακές συσκευές. Επομένως το αντίστοιχο κύκλωμα είναι το παρακάτω.

Όσον αφορά το ρεύμα, την τάση και την ισχύ στην περίπτωση των σύνθετων φορτίων παρατηρείται το παρακάτω φαινόμενο.

Στην εικόνα βλέπουμε πως το ρεύμα δεν είναι συμφασικό με την τάση και ότι έχουμε χρονικές περιόδους όπου η ισχύς είναι αρνητική. Αρνητική ισχύς σημαίνει ότι το φορτίο καταναλώνει μέρος της ενέργειας που τραβάει από το δίκτυο, αλλά επιστρέφει κάποιο μέρος της πίσω σε αυτό. Με άλλα λόγια, ένα μέρος από την συνολική ισχύ που απορροφά το φορτίο μας από το δίκτυο, δεν καταναλώνεται από το φορτίο, αλλά επιστρέφει στο δίκτυο.

Η συνολική αυτή ισχύς ονομάζεται φαινόμενη ισχύς και είναι το άθροισμα της πραγματικής ισχύος (ενεργός) που καταναλώνει η συσκευή παράγοντας έργο και της ισχύος που δεν παράγει έργο (άεργος), η οποία επιστρέφει από τη συσκευή στο δίκτυο. Η φαινόμενη ισχύς μετριέται σε kVA (κιλοβολταμπέρ), η ενεργός σε kW (κιλοβάτ) και η άεργος σε kVAr (κιλοβολταμπέρ ρεακτίφ). Η ισχύς την οποία μετρά και χρεώνει το ρολόι της ΔΕΗ είναι η ενεργός, γι'αυτό και η ένδειξη στο ρολόι εκφράζεται σε kWh (κιλοβατώρες). Συνεπώς kWh είναι η ενέργεια που καταναλώνεται σε μια ώρα υπό σταθερή ισχύ 1 kW, με άλλα λόγια αν έχετε ένα φούρνο ο οποίος έχει ονομαστική κατανάλωση 1000W και τον αφήσετε μια ώρα ανοιχτό θα καταναλώσει 1 kWh. Αντίστοιχα αν έχετε μια λάμπα οικονομίας 10W τότε σε 100 ώρες (ή σε 4 μέρες και 4 ώρες), θα καταναλώσει 1 kWh (10W x 100h = 1kWh).

Εκτός από τις 2 παραπάνω περιπτώσεις φορτίων όμως, υπάρχουν και τα σύνθετα μη γραμμικά φορτία. Μη γραμμικά φορτία είναι αυτά που το ρεύμα το οποίο τραβάνε από το δίκτυο, δεν έχει την μορφή του συνημιτόνου, αλλά μπορεί είναι απότομες αιχμές και μεταπτώσεις, οι οποίες με την σειρά τους δημιουργούν πολλές αρμονικές επάνω στο δίκτυο. Τέτοιες συσκευές για παράδειγμα είναι τα switching τροφοδοτικά που χρησιμοποιούνται στις περισσότερες πλέον DC συσκευές όπως τα τροφοδοτικά υπολογιστών, οθονών, laptop, κινητών, καμερών, εξωτερικών σκληρών δίσκων, modem-router κ.λ.π. Δηλαδή τις συσκευές αυτές έχουμε παντού μέσα στο σπίτι μας.

Τα switching τροφοδοτικά έχουν στην είσοδό τους ανορθωτές που μεταβάλουν την εναλλασσόμενη τάση του δικτύου σε συνεχή και πυκνωτές στους οποίους αποθηκεύουν αυτή τη συνεχή τάση για να τροφοδοτηθούν οι επόμενες βαθμίδες ισχύος του τροφοδοτικού. Οι πυκνωτές αυτοί δεν απορροφούν συνεχώς ρεύμα από το δίκτυο, αλλά μόνο όταν η τάση του δικτύου γίνει υψηλότερη από αυτήν που έχει την συγκεκριμένη στιγμή ο πυκνωτής. Από τη στιγμή που τάση του δικτύου γίνει χαμηλότερη, ο πυκνωτής παύει να απορροφά ρεύμα από το δίκτυο και εξακολουθεί –εκφορτιζόμενος- να τροφοδοτεί εκείνος τις βαθμίδες του τροφοδοτικού, μέχρι να έρθει το επόμενο υψηλό της τάσης του δικτύου, για να μπορέσει μέσα σε ένα απότομο παλμό ρεύματος να απορροφήσει όση ενέργεια έχασε!
Συνεπώς το ρεύμα που απορροφά ένα τροφοδοτικό από το δίκτυο, δεν μεταβάλλεται ομαλά, αλλά περιέχεται υψηλούς παλμούς/ αιχμές.

Αυτή η περίπτωση είναι και η πιο δύσκολη να μετρηθεί, αλλά θα δούμε παρακάτω ότι με την συσκευή μας μπορεί γίνει εύκολα, απλά με μια γρήγορη δειγματοληψία. Επομένως για να μετρήσουμε την κατανάλωση στην περίπτωση αυτή θα πρέπει να μπορούμε να μετράμε πάντα το στιγμιαίο ρεύμα και την στιγμιαία τάση με μια γρήγορη δειγματοληψία.

Επομένως, για την περίπτωση που έχουμε μόνο ωμικά φορτία η φαινόμενη ισχύς είναι πάντα ίση με την ενεργό/πραγματικά ισχύ, δηλαδή από το γενικό τύπο:

όπου S: φαινόμενη ισχύς, P: ενεργός ισχύς, Q: άεργος ισχύς και επειδή Q=0.

Στην περίπτωση που έχουμε σύνθετα φορτία η φαινόμενη ισχύς είναι όντως το μιγαδικό διάνυσμα

το οποίο φαίνεται και στο παρακάτω γράφημα.

Απ' αυτό συμπεραίνουμε ότι:

O λόγος cosφ είναι γνωστός και ως συντελεστής ισχύος, δηλαδή είναι ο λόγος της ενεργού ισχύς προς την φαινόμενη και φανερώνει τον τύπο των φορτίων που υπάρχουν στην ηλεκτρολογική εγκατάσταση. Οπότε όταν ο συντελεστής ισχύος είναι 1, τότε υπάρχουν μόνο ωμικά φορτία, ενώ αν είναι μικρότερος από την μονάδα, τότε υπάρχουν και επαγωγικά ή χωρητικά φορτία.

(Σημ: για τις εξομοιώσεις χρησιμοποίησα το partsim [)

Όπως αναφέραμε σε μια οικιακή ηλεκτρολογική εγκατάσταση μπορεί να συναντήσουμε μονοφασική ή τριφασική τάση. Η διαφορά τους είναι πως σε αντίθεση με την μονοφασική εγκατάσταση, στην τριφασική έχουμε 3-φάσεις που η κάθε μια έχει διαφορά φάσης με την άλλη 120 μοίρες. Αυτό μπορούμε να το εξομοιώσουμε με το παρακάτω κύκλωμα

Όπως παρατηρούμε οι 3 AC πηγές έχουν 6.66ms offset η μία από την άλλη δηλαδή το 1/3 των 50Hz, δηλαδή έχουν διαφορά φάσης 120ο η μία από την άλλη. Το αποτέλεσμα της εξόδου σε κάθε αντίσταση της κάθε φάσης είναι η παρακάτω.

Επειδή τα μαθηματικά είναι αρκετά πιο περίπλοκα όσον αφορά στο τριφασικό, δεν έχει νόημα να μπούμε σε τέτοιες αναλύσεις, καθώς ο τρόπος υπολογισμού θα είναι κάπως διαφορετικός και θα τον δούμε στην συνέχεια.

Υλικά

Πριν μιλήσουμε για τις λεπτομέρειες των μετρήσεων και των υπολογισμών της κατανάλωσης για το τριφασικό, θα πρέπει να δούμε πρώτα τα εξαρτήματα που θα χρησιμοποιήσουμε και την κατασκευή, γιατί έτσι είναι ευκολότερο να κατανοηθεί η μεθοδολογία. Πριν όμως αναφέρουμε λεπτομέρειες για την κατασκευή ας δούμε τι θέλουμε να φτιάξουμε ακριβώς και ποιος είναι ο στόχος. Θέλουμε μια συσκευή η οποία να είναι ικανή να μπορεί να μετρήσει την ισχύ σε ένα 3-φασικό οικιακό δίκτυο, στην συνέχεια ανά τακτά χρονικά διαστήματα, να στέλνει ασύρματα τις μετρήσεις σε ένα server και τελικά, να τα παρέχει στο χρήστη σε μια κατανοητή μορφή, δίνοντας του τη δυνατότητα να βλέπει την ιστορικότητα αλλά και να κάνει παραμετροποιημένη αναζήτηση σε αυτά.

Επομένως η λίστα με αυτά που θα χρειαστούν είναι η παρακάτω.

• Arduino UNO R3 ~ 3,2€
• emonTx Arduino shield SMT ~ 15€
• ESP8266 ~ 2.30€
• 3x SCT-013-000, 100A current transformers ~ 14,5€
• Jumber cable 2.54mm 1P-1P female-to-male ~ 1,44€
• Τροφοδοτικό 220VAC / 9V AC γύρω στα 500mA ~5 με 10€

Τα παραπάνω υλικά έχουν κόστος περίπου 40-45€, το οποίο αν σας φαίνεται μεγάλο... δεν είναι. Ένας απλός 3-φασικός μετρητής ενέργειας ράγας χωρίς καμία συνδεσιμότητα ή άλλες νοστιμιές κάνει περίπου 50€ στο ebay, ενώ οι δικτυακοί ξεφεύγουν πολύ σε τιμή και κυμαίνονται από 200 ευρώ μέχρι 500€. Οπότε, εκτός από το μικρότερο κόστος και την ικανοποίηση να το φτιάχνει κάποιος μόνος του, έχει και τον έλεγχο στον κώδικα και στις λειτουργίες.

Μέχρι στιγμής στο κόστος δεν έχουμε υπολογίσει τον server ο οποίος θα αποθηκεύει τις μετρήσεις σε μια βάση δεδομένων και στην συνέχεια θα τις παρουσιάζει στον χρήστη μέσω ενός web interface. Αυτός ο server μπορεί να είναι ένα raspberry pi ή ένας υπολογιστής με windows ή linux. Απαραίτητη προϋπόθεση είναι να βρίσκεται 24/7 σε λειτουργία, ώστε να συλλέγει συνεχώς τα δεδομένα και να τα αποστέλλει όταν ζητηθούν από τον χρήστη. Το κόστος ενός raspberry pi είναι περίπου 25€ για το model B+ 512 και 35€ για το Rpi 2 model B+ 1GB. Το δεύτερο φυσικά είναι καλύτερο, αλλά για την εφαρμογή είναι υπεραρκετό το πρώτο, οπότε μπορείτε να γλυτώσετε 10€. Το κόστος για το PC δεν το αναφέρω καν, μόνο αν κάποιος έχει ήδη ένα linux ή windows server, ο οποίος τρέχει 24/7 αξίζει να το χρησιμοποιήσει, αλλιώς με κλειστά μάτια το Raspberry Pi.

Επίσης θα χρειαστεί ένας απλός μετρητής ενέργειας για να γίνει το calibration του μετρητή μας. Το κόστος του, αν δεν έχει κάποιος είναι περίπου 10-15€, αλλά λόγο του ότι τον χρειάζεστε μόνο για το calibration, μπορείτε να δανειστείτε από κάποιον άλλον.

Ας δούμε τώρα τα υλικά, ένα-ένα και ας εξηγήσουμε την λειτουργία τους.

Arduino UNO R3

To arduino όπως ξέρουμε ήδη από το πρώτο project είναι μια πλατφόρμα ανάπτυξης με τον επεξεργαστή ATmega328P της Atmel. Το UNO R3, σε αντίθεση με το nano που είχαμε δει, διαφέρει στο ότι έχει ένα αρκετά μεγαλύτερο PCB με pin-οσειρές για όλα τα pins του μικροελεγκτή. Κατά τα άλλα είναι ο ίδιος επεξεργαστής με τις ίδιες δυνατότητες και ο λόγος που επέλεξα αυτό το PCB είναι το επόμενο εξάρτημα.

emonTx Arduino shield SMT

Αυτό είναι πολύ απλό PCB που το μόνο που έχει επάνω είναι connectors και παθητικά υλικά (κυρίως αντιστάσεις). Η χρήση του είναι ότι σε αυτό συνδέονται τα CT (current transformers – μετασχηματιστές ρεύματος) και μια εξωτερική πηγή AC στα 10-12VAC, η οποία χρησιμοποιείται για reference. Είναι όντως ακριβό και μπορεί να το φτιάξει κανείς μόνος του, γιατί αποτελείται ουσιαστικά από διαιρέτες τάσης, την λειτουργία των οποίων θα δούμε αργότερα. Παρ' όλα αυτά προτίμησα να το αγοράσω αντί να το φτιάξω για 2 λόγους. Πρώτον επειδή το διαθέτει το forum Open Energy Monitor, το οποίο έχει κάνει την ανάπτυξη του κώδικα για το arduino και την διαθέτει ελεύθερα μαζί με οδηγίες για το πως να κατασκευάσει κάποιος ακόμα και τα PCBs μόνος του, οπότε τους αξίζει μια αμοιβή. Δεύτερον, επειδή είναι αισθητικά πιο όμορφο από το να είναι χύμα καλώδια, αντιστάσεις και διάτρητα PCB. Βασικά OK, το πρώτο είναι μόνο, το δεύτερο είναι για να χρυσώσω το χάπι.

YHDC SCT-013-000

Αυτός είναι ένας μετασχηματιστής ρεύματος (CT), ο οποίος αποτελείται από έναν διαιρούμενο φερριτικό πυρήνα ο οποίος έχει την δυνατότητα να δημιουργεί επαγωγικά ένα εναλλασσόμενο ρεύμα έντασης ανάλογης με αυτήν που το διαρρέει. Η λειτουργία του είναι γραμμική και το ρεύμα που δημιουργεί είναι ανάλογο των τυλιγμάτων του δευτερεύοντος πηνίου του μετασχηματιστή. Ο κατασκευαστής για το συγκεκριμένο CT δίνει ότι είναι βαθμονομημένο ως 100:0.05, που σημαίνει ότι όταν το ρεύμα στον αγωγό θα είναι 100Α, τότε το ρεύμα στην έξοδό του θα είναι 0.05Α ή 50mA. Περισσότερα για τον συγκεκριμένο μετ/στη ρεύματος μπορείτε να διαβάσετε εδώ.

ESP8266

H συσκευή αυτή είναι είναι ένα WiFi module με RS232-TTL interface. Δηλαδή έχει μια σειριακή θύρα στην ταχύτητα των 9600bps από την οποία προγραμματίζεται και δέχεται εντολές. Το module αυτό έχει μέσα ένα 32-bit επεξεργαστή στα 3.3V με ένα RF interface που είναι ικανό για ταχύτητες μέχρι και 72.2Mbps με sensitivity στα -71dBm. Οπότε υποστηρίζει 802.11b/g/n και παρέχει επίσης SDIO2.0, SPI, αισθητήρα θερμοκρασίας και η κατανάλωσή του στα χαρακτηριστικά 802.11b, CCK 1Mbps, POUT=+19.5dBm είναι 215mA και δεν ξεπερνά ποτέ τα 500mA σε κανένα mode λειτουργίας.

Το module αυτό χρησιμοποιείται για να αποστέλλονται τα δεδομένα μέσω WiFi στον server χρησιμοποιώντας το πρωτόκολλο UDP και η απόσταση του από τον wireless router, με την ενσωματωμένη του κεραία, μπορεί να είναι και 370m σε ιδανικές συνθήκες περιβάλλοντος και χωρίς ενδιάμεσα εμπόδια. Με εξωτερική κεραία η απόσταση αυτή μπορεί να αυξηθεί ή να διαπεράσει περισσότερα εμπόδια. Το συγκεκριμένο module χρησιμοποιείται στο Open Energy Monitor (OEM), αλλά το πρόσθεσα εγώ στο PCB και στην συνέχεια στον κώδικα για να το υποστηρίζει. Βέβαια στο OEM χρησιμοποιούν το RFM12B το οποίο είναι ένας RF transmitter στα 433MHz, το οποίο νομίζω ότι δεν προσφέρει κάτι ουσιαστικό και είναι και πιο δύσχρηστο, ειδικά όταν υπάρχει ήδη μια Ethernet/WiFi υποδομή.

Κατασκευή

H κατασκευή είναι γενικά απλή μιας και τα κομμάτια είναι έτοιμα και δεν χρειάζεται να φτιάξετε κάποιο pcb ή να κάνετε πολλές κολλήσεις με διάτρητα pcb. Όμως θα χρειαστεί να κάνετε κάποιες κολλήσεις επάνω στο emonTx Arduino shield και συγκεκριμένα θα κάνουμε μια μόντα και θα χρησιμοποιήσουμε τα pads τα οποία προορίζονται για το RFM12B για να κολλήσουμε το ESP8266 και θα αλλάξουμε κάποιες αντιστάσεις. Στην επόμενη εικόνα ακολουθεί το pinout του ESP8266.

Το chip αυτό είναι 3.3V και αν σε οποιοδήποτε pin δεχθεί 5V μπορεί να καεί, καθώς είναι πιστοποιημένο μέχρι τα 4.5V. Το VCC είναι η τάση τροφοδοσίας των 3V3, το reset και το CH_PD πρέπει να είναι συνδεδεμένο μέσω μιας αντίστασης 2ΚΩ στο VCC. To GND θα πρέπει να συνδεθεί στο GND του arduino, το TX του ESP μπορεί να συνδεθεί απ' ευθείας στο RX του arduino, μιας και το arduino μπορεί να διαβάσει σωστά TTL δεδομένα στα 3V3. Όμως το RX του ESP δεν πρέπει να συνδεθεί απ' ευθείας στο TX του arduino καθώς είναι 5V, οπότε χρειάζεται ένας διαιρέτης τάσης ώστε να ρίχνει την τάση.

Στην επόμενη εικόνα βλέπουμε το σχηματικό διάγραμμα του emonTx shield.

Στην δεξιά πλευρά βλέπουμε τις συνδέσεις του RFM12B, το οποίο συνδέεται στο arduino μέσω του SPI bus (SEL, SCK, MISO, MOSI). Όπως βλέπουμε το RFM ήδη τροφοδοτείται με 3V3, οπότε δεν χρειάζεται να κάνουμε κάποια αλλαγή. Επίσης επειδή και αυτό δεν είναι 5V tolerant, δηλαδή μπορεί να καεί αν δεχθεί 5V σε οποιοδήποτε pin, βλέπουμε ότι έχει κάποιους διαιρέτες τάσης στα pin του SPI του. Δυστυχώς από τις δοκιμές που έκανα οι τιμές αυτών των αντιστάσεων είναι πολύ μεγάλες και το ESP8266 δεν μπορεί να δουλέψει σωστά, οπότε πρέπει να αλλάξουμε 2 αντιστάσεις σε έναν διαιρέτη και να τις μειώσουμε, ώστε να αυξηθεί στο ρεύμα. Στον κώδικα έχω χρησιμοποιήσει για TX (του arduino) το σήμα SCK (pin D13) και για RX (του arduino) το σήμα IRQ (pin D2). Επομένως, θα πρέπει να αλλάξουν οι αντιστάσεις στον διαιρέτη του SCK δηλαδή οι αντιστάσεις R7 και R20, οι οποίες θα πρέπει να πάρουν τιμές 2ΚΩ και 1ΚΩ αντίστοιχα. Καλό είναι οι αντιστάσεις να είναι SMD. Στην επόμενη φωτογραφία φαίνονται οι αλλαγές που πρέπει να γίνουν και τα pins στα οποία θα συνδεθούν τα αντίστοιχα σήματα του ESP8266.

Στην συνέχεια πρέπει να συνδέσουμε με ένα καλώδιο 1P-1P (αυτό που αναφέραμε στα υλικά μας), τα pads του emonTx shield που φαίνονται στην πάνω εικόνα με το ESP8266. Οπότε χρειαζόμαστε 4 καλώδια τα οποία πάνε στις 4 γωνίες του κονέκτορα του ESP που βρίσκονται τα σήματα VCC, GND, TX, RX. Ο connector είναι male pin-header, οπότε συνδέουμε τα 1P female pin στα 4 αυτά σήματα, οπότε μένει να τα συνδέσουμε πάνω στα pads, οπότε σας προτείνω να τα κολλήσετε με ένα κολλητήρι. Στην δική μου κατασκευή έχω βάλει male pin-headers, αλλά το έκανα αυτό γιατί πειραματιζόμουν κατά την διάρκεια της ανάπτυξης, οπότε το χρειαζόμουν, αλλά σας προτείνω εσείς να κολλήσετε απ' ευθείας τα male pins του καλωδίου στα pads του emonTx.

Τέλος μένει να συνδέσουμε και τις αντιστάσεις των 2ΚΩ στο ESP8266 που συνδέουν το RST και το CH_PD στα 3V3. Ο καλύτερος τρόπος είναι να το κάνετε πάνω στο ίδιο το ESP για εξοικονόμηση χώρου και καλωδίων. Για να το κάνετε αυτό θα χρειαστείτε 2 smd αντιστάσεις και λίγο κόπο, αλλά στο τέλος το αποτέλεσμα θα πρέπει να είναι όπως το παρακάτω.

Όπως φαίνεται εδώ, η αντίσταση ανάμεσα στο RST και το VCC (δεξιά) είναι απευθείας κολλημένη πάνω στα pins του connector, ενώ η άλλη αντίσταση είναι πρώτα κολλημένη στο CH_PD με μια κλήση προς τα έξω και μετά με ένα μικρό σύρμα στο VCC.

Αφού τελειώσετε με τις κολλήσεις, τοποθετήστε τα δυο jumbers που είναι στην πλακέτα, στην δεξιά θέση όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα.

Στην φωτό φαίνεται και ότι έχω ταλαιπωρήσει πολύ το pcb του emonTx με τις δοκιμές και ότι έχω κολλήσει pin headers τα οποία όμως είναι άχρηστα, οπότε μην το κάνετε και εσείς.
Τελειώνοντας θα πρέπει να συνδέσετε το emonTx shield στο arduino. Ευτυχώς αυτό είναι φτιαγμένο με τέτοιο τρόπο ώστε να συνδέεται χωρίς κάποια ιδιαίτερη προσπάθεια, οπότε απλά το τοποθετείτε επάνω στα pin headers του arduino UNO και το κουμπώνετε όπως φαίνεται στις δυο παρακάτω φωτογραφίες που δείχνουν και τις δυο πλευρές.

Software & firmwares
Αφού τελειώσαμε με την κατασκευή και την συνδεσμολογία και γενικά το hardware, είναι ώρα να ασχοληθούμε με το software. To software σε αυτό το project είναι αρκετό γιατί έχει και χωρίζεται στα παρακάτω.

• Κώδικας του arduino
• Κώδικας του server που δέχεται τα δεδομένα από το arduino
• Κώδικας του web server που απεικονίζει τα δεδομένα στον χρήστη
• Κώδικας του tester για να τεστάρετε τον server και το web interface
• Κώδικας του προγράμματος που δημιουργεί ψεύτικα cvs αρχεία για να κάνετε tests με την βάση δεδομένων.

Arduino source code
εδώεδώεδώ

Energy meter server source code


εδώ
  Σε αυτό το project θα δώσω όλο το source code και για τα πάντα, αλλά δεν θα μπω σε ανάλυση του κώδικα, καθώς δεν είναι ο σκοπός του άρθρου. Όμως ζητώ αν κάποιος κάνει αλλαγές και προσθέσει κάποιες λειτουργίες ή βελτιώσει κάποια πράγματα, να ποστάρει τις αλλαγές ώστε να είναι διαθέσιμες και στους υπόλοιπους. Είναι το πιο απλό και εύκολο πράγμα που μπορώ να ζητήσω. Για να κάνετε compile το firmware θα χρειαστείτε την ΕmonLib την οποία θα βρείτε και για να την εγκαταστήσετε και να κάνετε compile τον κώδικα, έχω περιγράψει ήδη την διαδικασία αυτή και . Υπόψη, ότι θα χρειαστείτε σίγουρα να κάνετε κάποιες αλλαγές στον κώδικα, οπότε μην τα κλείσετε. Παρακάτω στο άρθρο θα μιλήσουμε για το calibration του μετρητή, ώστε να έχει καλύτερη ακρίβεια στις μετρήσεις που κάνει και για να κάνετε σωστό calibration θα χρειαστεί να αλλάξετε κάποιες παραμέτρους μέσα στον κώδικα. Ο κώδικας του server είναι αρκετά απλός και το μόνο που κάνει είναι να ακούει σε μια UDP πόρτα για δεδομένα από κάποιο μετρητή. Μόλις λάβει σωστά δεδομένα με ένα συγκεκριμένο binary πρωτόκολλο που έχω φτιάξει (μπορείτε να το δείτε στον κώδικα), τότε αποθηκεύει τα δεδομένα αυτά μαζί με ένα timestamp σε μια sqlite βάση δεδομένων και απαντά στον μετρητή με ένα απλό OK. Ο κώδικας είναι cross-platform και μπορείτε να τον κάνετε compile σε οποιοδήποτε λειτουργικό. Ωστόσο για ευκολία στο τέλος της σελίδας εκτός από τον κώδικα θα βρείτε και τα executable για διάφορες πλατφόρμες όπως Raspberry Pi, Debian Linux x86_32, Windows x86_32. Επίσης στο τέλος της σελίδας εκτός από τον κώδικα και τα executables, θα βρείτε και έτοιμα projects για τον eclipse-cdt για την κάθε πλατφόρμα για ευκολία. Στην περίπτωση όμως του Raspberry, το project είναι μεν για τον eclipse-cdt, αλλά χρειάζεται και το chain-tool του Linaro και συγκεκριμένα το “arm-bcm2708/gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-raspbian”. Αν θέλετε περισσότερες πληροφορίες για το πως μπορείτε να κάνετε cross-compilation για το Raspberry σε περιβάλλον Linux, τότε μπορείτε να ρίξετε μια ματιά . 
Παραμετροποίηση του μετρητή

bray's terminal










































 

 

Στην παραπάνω εικόνα βλέπουμε το μήνυμα εκκίνησης της συσκευής, μετά από το οποίο φορτώνει το configuration από την EEPROM και παράλληλα τυπώνει και τα περιεχόμενά της. Υπολογίζει το checksum της EEPROM και το συγκρίνει με το checksum του configuration που είναι σωσμένο στην EEPROM και αν το βρει ίδιο τότε φορτώνει το configuration από την EEPROM, αλλιώς φορτώνει τα defaults. Στην συνέχεια τυπώνει το configuration (στην εικόνα είναι το default) και ξεκινά η διαδικασία σύνδεσης στο WiFi. Αν δεν είναι σωστό το configuration ή δεν βρίσκει το Access Point που έχει προγραμματισμένο, τότε θα προσπαθεί συνεχώς να συνδεθεί και ενδιάμεσα από κάθε προσπάθεια θα παίρνει μετρήσεις για την ισχύ. Κατά την διάρκεια αυτή θα πρέπει αν θέλετε να μπείτε σε configuration mode θα πρέπει να στείλετε την παρακάτω εντολή
CONF=1
Όταν αποσταλεί αυτή η εντολή, η συσκευή μπορεί να μην ανταποκριθεί αμέσως καθώς εκείνη τη στιγμή μπορεί να είναι απασχολημένη, αλλά όταν επεξεργαστεί την εντολή θα παρουσιαστεί το παρακάτω μήνυμα.
 
 

 

Όταν δείτε το μήνυμα “CONF mode enabled”, σημαίνει ότι η συσκευή έχει μπει σε configuration mode και μπορεί να δεχθεί και τις υπόλοιπες εντολές που περιγράψαμε πιο πάνω. Οπότε πλέον μπορείτε να ξεκινήσετε τον προγραμματισμό της συσκευής και καλό θα ήταν να ακολουθήσετε την μεθοδολογία που θα περιγράψω. Αν θέλετε να αλλάξετε μόνο μια παράμετρο, τότε στέλνετε την εντολή τροποποίησης της παραμέτρου, μετά την εντολή SAVE και κάνετε reset την συσκευή. Αν θέλετε να την προγραμματίσετε εξ' αρχής τότε η παρακάτω μέθοδος (στην εικόνα και το κείμενο παρακάτω) είναι η ενδεδειγμένη.
 
 

 

Τροφοδοτείτε την συσκευή συνδέοντας το USB καλώδιο, ανοίγετε το terminal και πατάτε connect. Περιμένετε να δείξει τις πρώτες 1-2 γραμμές που σημαίνει ότι η συσκευή ξεκίνησε και στέλνετε την εντολή
CONF=1
Στην συνέχεια όταν μπει σε configuration mode η συσκευή στέλνετε την εντολή
AP_LIST?
Η απάντηση αυτή καθυστερεί περίπου 10” και όταν έρθει είναι η λίστα με τα AP που βλέπει το WiFi module της συσκευής. Από αυτά μας ενδιαφέρει το SSID αυτής που θέλουμε να συνδεθεί η συσκευή. Στην συνέχεια στέλνετε την εντολή
DEFAULTS
Με την εντολή αυτή όλες οι παράμετροι παίρνουν τις default τιμές τους, οπότε μπορεί να ξεκινήσει ο προγραμματισμός ξεκινώντας με το SSID.
Προγραμματίζουμε το SSID που βρήκαμε με την AP_LIST με την εντολή
AP_SSID=linksys
 
Προγραμματίζουμε το password για το SSID με την εντολή
AP_PASSWD=MyPassword
 
Προγραμματίζουμε την IP στην οποία θα αποστέλλονται τα UDP πακέτα με την εντολή
SERVER_IP=192.168.1.10
Προγραμματίζουμε την πόρτα στην οποία θα αποστέλλονται τα UDP πακέτα με την εντολή
SERVER_PORT=7710
Προγραμματίζουμε την περίοδο με την οποία θα αποστέλλονται τα UDP πακέτα στα 5 λεπτά με την εντολή
SERVER_POLL=300
 
Προγραμματίζουμε το mode με το οποίο λειτουργεί το βαθυπερατό φίλτρο που θα υποστούν τα δεδομένα της δειγματοληψίας.
LPF_MODE=0
 
Σώζουμε το configuration με την εντολή
SAVE
 
Και στην συνέχεια επιβεβαιώνετε τον προγραμματισμό με τις εντολές χρησιμοποιώντας το ερωτηματικό στο τέλος.
 

 Επέλεξα την παραμετροποίηση του μετρητή να την βάλω σε ξεχωριστή σελίδα, ώστε να ξεχωρίζει γιατί είναι πολύ χρήσιμη. Για να παραμετροποιήσετε τον μετρητή με το arduino θα πρέπει να τον έχετε συνδέσει με ένα usb καλώδιο στον υπολογιστή σας και να έχετε ένα σειριακό terminal όπως το . Αφού λοιπόν το κατεβάσετε το τρέξετε και έχετε συνδεδεμένο το usb, τότε στο πεδίο COM Port διαλέγετε την σειριακή θύρα που αντιστοιχεί στο arduino (πχ COM13), διαλέγετε ταχύτητα baud rate=9600, στο πεδίο του Transmit κάτω αριστερά κάνετε tick στο checkbox του CR=CR+LF και τέλος κάτω δεξιά κάνετε tick στο checkbox του +CR δίπλα από το κουμπί send, ώστε με κάθε εντολή που στέλνετε να αποστέλλονται και οι χαρακτήρες CR και LF (0x13, 0x10). Στην συνέχεια πατήστε το κουμπί Connect και το terminal θα συνδεθεί στην συσκευή και θα κάνει reset. Οι εντολές που υποστηρίζονται από τον μετρητή είναι οι παρακάτω.CONF=<conf mode><conf mode> 0: κανονικό mode λειτουργίας, 1: configuration mode της συσκευήςΕπιλογή ανάμεσα σε configuration mode και mode κανονικής λειτουργίας. Στο configuration mode μπορείτε να προγραμματίσετε όλες τις παραμέτρους του μετρητή σε αντίθεση με το κανονικό mode λειτουργίας, το οποίο υποστηρίζει μόνο αυτή την εντολή. AP_LIST?Εκτύπωση της λίστας των Access Points (AP) τα οποία είναι στην εμβέλεια του WiFi. Αυτή την εντολή την χρειάζεστε για να δείτε ποια APs είναι κοντά στην συσκευή και για να πάρετε το SSID του AP, το οποίο θα χρειαστείτε για να συνδεθείτε σε αυτό.AP_SSID?AP_SSID=<ssid name>Με την εντολή AP_SSID αν στο τέλος βάλετε ένα ερωτηματικό ο μετρητής σας επιστρέφει το ήδη υπάρχον SSID του AP στο οποίο έχει προγραμματιστεί να συνδέεται. Με το ίσον μπορείτε να του προγραμματίσετε ένα νέο SSID.AP_PASSWD?AP_PASSWD=<AP password>Με την εντολή AP_ PASSWD αν στο τέλος βάλετε ένα ερωτηματικό ο μετρητής σας επιστρέφει το ήδη υπάρχον password του AP στο οποίο έχει προγραμματιστεί να συνδέεται. Με το ίσον μπορείτε να του προγραμματίσετε ένα νέο password. SERVER_IP?SERVER_IP=<UDP server IP address>Με την εντολή SERVER_IP, αν στο τέλος βάλετε ένα ερωτηματικό ο μετρητής σας επιστρέφει την ήδη υπάρχουσα IP διεύθυνση στην οποία αποστέλλει τα δεδομένα των μετρήσεων του. Με το ίσον μπορείτε να του προγραμματίσετε μια νέα IP. SERVER_PORT?SERVER_PORT=<UDP server port>Με την εντολή SERVER_PORT, αν στο τέλος βάλετε ένα ερωτηματικό ο μετρητής σας επιστρέφει την ήδη υπάρχουσα UDP πόρτα στην οποία αποστέλλει τα δεδομένα των μετρήσεων του. Με το ίσον μπορείτε να του προγραμματίσετε μια νέα πόρτα. SERVER_POLL?SERVER_POLL=<UDP packet polling frequency in seconds>Με την εντολή SERVER_POLL αν στο τέλος βάλετε ένα ερωτηματικό ο μετρητής σας επιστρέφει τον ήδη υπάρχον περιοδικό χρόνο (εκφρασμένο σε δευτερόλεπτα), κατά τον οποίο ο μετρητής στέλνει δεδομένα στον server. Με το ίσον μπορείτε να του προγραμματίσετε μια νέα τιμή για τον χρόνο. Για παράδειγμα αν θέλετε ο μετρητής να στέλνει μια μέτρηση κάθε 10 λεπτά τότε η τιμή αυτή θα είναι 10'*60”=600. Προσοχή, από την τιμή αυτή εξαρτάται το πόσο γρήγορα θα γράφει η βάση δεδομένων καινούργια δεδομένα, δηλαδή αν ο χρόνος είναι 10” (δευτερόλεπτα) τότε σε 1 χρόνο η βάση δεδομένων θα έχει μέγεθος (356*24*60*60/10)*56 bytes=164.2MB. Ενώ αν ο χρόνος είναι 10' (λεπτά), τότε η βάση θα έχει μέγεθος (356*24*60/10)*56 bytes = 2,64ΜΒ. Υπόψη πως τα δεδομένα που αποστέλλονται από τον μετρητή στον χρόνο αυτό δεν είναι οι στιγμιαίες τιμές, αλλά ο μέσος όρος των τιμών που έχει μαζέψει ο μετρητής σε αυτό τον χρόνο. Θα το αναλύσουμε αυτό και στην επόμενη σελίδα. LPF_MODE?LPF_MODE=<Low pass filter mode>Με την εντολή αυτή διαλέγετε με ποιο τρόπο θα δουλεύει το βαθυπερατό φίλτρο το οποίο εφαρμόζεται πάνω στα δεδομένα της δειγματοληψίας. Συγκεκριμένα επειδή το arduino δειγματοληπτεί συνεχώς το ρεύμα στα CT, αλλά στέλνει μόνο στον χρόνο που έχει οριστεί από SAVEΜε την εντολή αυτή σώζεται το configuration στην EEPROM του arduino. Υπόψη θα πρέπει να την τρέχετε κάθε φορά που τελειώνετε με το configuration της συσκευής. DEBUG=<enable><enable> 0: disable WiFi module debug, 1: enable WiFi module debugΜε την εντολή αυτή ενεργοποιείται ή απενεργοποιείται το debug του ESP8266 WiFi module, το οποίο μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε για να εντοπίσουμε προβλήματα συνδεσιμότητας του WiFi. DEFAULTSΜε την εντολή αυτή όλες οι παράμετροι του configuration γυρνάνε στις αρχικές τους τιμές, οι οποίες είναι κενές.Ας δούμε όμως και ένα παράδειγμα παραμετροποίησης. Με το που συνδεθούμε στην συσκευή με το σειριακό, αυτή κάνει reset και στο terminal αρχίζει να τυπώνει κάποια μηνύματα που δείχνουν την κατάσταση λειτουργίας της συσκευής, όπως φαίνεται και παρακάτω. 

Testing & calibration
Τώρα είναι που αρχίζουν τα δύσκολα. Μην αποθαρρύνεστε φυσικά, απλά αυτό το βήμα είναι το σημαντικότερο απ' όλα, καθώς αυτό θα καθορίσει και την ακρίβεια του μετρητή κατά την διάρκεια λειτουργίας του. Για να προχωρήσετε σε αυτό το βήμα θα χρειαστείτε ένα μετρητή ενέργειας σαν αυτόν
 
 

 

Ένας τέτοιος μετρητής κοστίζει περίπου 10€. Αν δεν έχετε τέτοιο μετρητή, αλλά έχει κάποιος γνωστός σας, τότε δανειστείτε τον, καθώς θα τον χρησιμοποιήσετε μόνο για το calibration. Φυσικά ένας μετρητής είναι πάντα χρήσιμος σε ένα σπίτι γιατί μπορείτε να μετρήσετε την κατανάλωση μιας ή περισσότερων συσκευών. Επίσης θα χρειαστείτε ένα μεγάλο μεταβλητό ωμικό φορτίο. Προσωπικά χρησιμοποίησα μια σόμπα αλογόνου με 3 σκάλες των 400W, δηλαδή 400-800-1200W. Για τους λόγους που θα πούμε παρακάτω, το καλιμπράρισμα είναι προτιμότερο να γίνεται με μεγάλα φορτία, δηλαδή από 800W και πάνω. Με τον μετρητή του εμπορίου θα καλιμπράρουμε τον δικό μας μετρητή σε 3 διαφορετικά φορτία και επίσης θα καλιμπράρουμε την δειγματοληψία της τάσης του δικτύου.
 
Βεβαίως, αντί για μετρητή μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε πολύμετρο, αλλά είναι πιο επικίνδυνο λόγο της υψηλής τάσης. Πάντως προσωπικά είχα καλύτερα αποτελέσματα με το πολύμετρο, απ' ότι με τον μετρητή και οι τελικές τιμές για το καλιμπράρισμα προέκυψαν με το πολύμετρο.
 
Είναι πραγματικός πειρασμός το να μπω σε λεπτομέρειες για τον ακριβή τρόπο με τον οποίο λειτουργεί το hardware σε συνδυασμό με το software και την θεωρία πίσω από αυτά, αλλά θυμίζω στον εαυτό μου ότι εκτός από χρονοβόρο δεν είναι και σημαντικό για την ουσία του άρθρου. Οπότε θα δώσω μερικές παραπομπές από το site που έχει κατασκευάσει το emonTx shield εδώ, στο οποίο θα βρείτε αναλυτικά και με απλό τρόπο όλες τις λεπτομέρειες που χρειάζεστε. Επίσης η αντίστοιχη σελίδα για το calibration είναι αυτή.
 
 

 

Αρχικά θα χρειαστεί να κάνετε μια μετατροπή, έτσι ώστε να μπορέσετε να μετρήσετε το ρεύμα με τους μετασχηματιστές ρεύματος (CT) στην φάση που συνδέεται στην σόμπα. Για να μην ξεγυμνώσετε και καταστρέψετε το καλώδιο της σόμπας, προτιμήστε να φτιάξετε εσείς ένα καλώδιο ή να μετατρέψετε μια μπαλαντέζα. Αυτό που χρειάζεται να κάνετε είναι να αφαιρέσετε το εξωτερικό μονωτικό περίβλημα του καλωδίου, αλλά πολύ προσεκτικά για μη φθαρεί ούτε στο ελάχιστο η μόνωση των αγωγών στο εσωτερικό του. Προσωπικά έφτιαξα ένα δικό μου καλώδιο από 3 καλώδια των 2.5mm, ένα για την φάση, ένα για τον ουδέτερο και ένα για την γείωση. Στην επόμενη εικόνα βλέπετε το καλώδιο αυτό.
 
 

 

Για λόγους ασφαλείας μπορείτε να περάσετε ένα μονωτικό μακαρόνι σε κάθε αγωγό. Επίσης, χρησιμοποιείστε ένα θηλυκό βύσμα Schouko, αντί για ηλεκτρολογική κλέμμα που έχω χρησιμοποιήσει στην φωτογραφία.
 
Στην συνέχεια συνδέστε το τροφοδοτικό 9VAC στην θέση του πάνω στο emonTx shield και τα mini-jack από τα CT στις θέσεις 1, 2 και 3. Το τροφοδοτικό των 9VAC θα πρέπει να είναι συνδεδεμένο στην ίδια φάση με το φορτίο, δηλαδή την σόμπα. Στην συνέχεια συνδέστε όλα τα CT στο ίδιο καλώδιο της φάσης, αλλά φροντίστε να έχουν μια μικρή απόσταση μεταξύ τους. Τα CT πρέπει να έχουν συγκεκριμένη φορά με την οποία θα αγκαλιάσουν το καλώδιο της φάσης, για να δείτε ποια είναι αυτή, ψάξτε για το σύμβολο του βέλους επάνω στο κλιπ (->) και βάλτε το με την φορά να δείχνει το φορτίο ή βάλτε τα δυο από τα CT τυχαία προς την μια φορά και το άλλο προς την άλλη και θα δείτε την σωστή φορά κατά την διάρκεια του καλιμπραρίσματος. Συνήθως το κλιπ που κουμπώνει δείχνει προς τα πάνω αν η πρίζα είναι στην αριστερή πλευρά και το φορτίο στα δεξιά. Αφού τελειώσετε με τις συνδέσεις, το αποτέλεσμα θα είναι περίπου όπως στην παρακάτω εικόνα.
 
 

 

Υπόψη ότι το τροφοδοτικό πρέπει να βγάζει 9VAC στην έξοδο και όχι 9VDC! Η AC έξοδος χρειάζεται έτσι ώστε ο μετρητής να παρακολουθεί ζωντανά την τάση του δικτύου, επομένως ο μετ/της του τροφοδοτικού κατεβάζει και απομονώνει την τάση των 230V στα 9V και με ένα διαιρέτη τάσης στο emonTx shield, ο ADC του arduino δειγματοληπτεί την τάση του δικτύου. Αυτή η τάση χρησιμοποιείται συνεχώς για τους υπολογισμούς που κάνει ο κώδικας, ώστε να υπολογίσει την ισχύ, όποτε θα πρέπει να είναι όσο πιο ακριβής γίνεται. Αφού έχετε κάνει όλες τις συνδέσεις σωστά και με ασφάλεια, τροφοδοτήστε το arduino και συνδεθείτε στην COM θύρα. Αφού ξεκινήσει και ανεξάρτητα από το αν καταφέρει να συνδεθεί στο wifi θα στέλνει στο terminal συνεχώς τις τιμές από την τάση και τα CT τις οποίες δειγματοληπτεί, όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα.
 
 

 

Στην παραπάνω εικόνα βλέπουμε τις μετρήσεις χωρίς να έχουμε κάνει ακόμα κάποιο calibration. Στις μετρήσεις αυτές έχω ενεργοποιήσει μόνο την μια σκάλα από την σόμπα, οπότε η κατανάλωση θα αναμένεται να είναι περίπου 400W. Πράγματι δείχνει κάπου εκεί κοντά, αλλά καλό είναι να βελτιώσουμε και άλλο την ακρίβεια. Υπόψη πως παρότι τα CT είναι γραμμικά όσο μικρότερο είναι το ρεύμα το οποίο τα διαρρέει τόσο μικρότερη η ακρίβεια. Αυτό συμβαίνει γιατί το ρεύμα του CT μετατρέπεται σε τάση μέσω μια Burden αντίστασης (δείτε εδώ) και επειδή τα συγκεκριμένα είναι βαθμονομημένα για μέχρι και 100Α, τότε όσο λιγότερα τα Ampere τόσο μικρότερη η τάση, άρα και τόσο μεγαλύτερες οι διακυμάνσεις και λιγότερη η ακρίβεια στους ADC του arduino. Επομένως ενώ βλέπουμε ρεύμα κοντά στα 1.8Α από τα CT, το πραγματικό ρεύμα είναι λιγότερο, όπως φαίνεται και στον μετρητή.
 
 

 

Επίσης από την εικόνα από το terminal παρατηρήστε ότι στο CT2 η τιμή της ισχύος είναι αρνητική, ενώ στα άλλα θετική. Αυτό όπως ίσως μαντέψατε οφείλεται στο ότι το CT2 έχει συνδεθεί με λάθος φορά, οπότε θα πρέπει να την αλλάξετε και να την βάλετε όπως και τα άλλα δυο.
 
Αρχικά θα πρέπει να βελτιωθεί η ακρίβεια της μέτρησης της τάσης Vrms. Αυτό έχει να κάνει με πολλές παραμέτρους μια από τις οποίες είναι ο ίδιος ο μετασχηματιστής μέτρησης της τάσης. Αν αυτός είναι πολύ κακής ποιότητας, τότε οι μετρήσεις θα είναι πολύ λάθος, μέχρι που ίσως να μην βγάζουν και νόημα. Αν είναι μέτριο προς καλό, τότε η ακρίβεια θα είναι καλύτερη. Παρακάτω δείχνω την έξοδο από το δικό μου τροφοδοτικό.
 
 

 

Όπως βλέπετε στην εικόνα το συνημίτονο δεν είναι τέλειο, αλλά παραμορφώνει στις κορυφές του, πράγμα το οποίο είναι γενικά φυσιολογικό και οφείλεται κυρίως στο δίκτυο της ΔΕΗ και λόγο αυτού δημιουργούνται και πολλές αρμονικές. Κατά τα άλλα όμως η έξοδος είναι πολύ καλή. Επίσης ίσως παρατηρήσετε ότι ο μετασχηματιστής που χρησιμοποιώ δεν είναι 9VAC, αλλά 12VAC. Αυτό μην σας επηρεάσει εσάς και χρησιμοποιήσετε άλλο μετασχηματιστή, γιατί η διαδικασία μετά είναι διαφορετική, οπότε μένουμε στα 9VAC. Για να βελτιώσετε την μέτρηση της τάσης Vrms, ανοίξτε τον κώδικα του ard_energy_meter και πηγαίνετε στο σημείο όπου βλέπετε τις γραμμές που φαίνονται παρακάτω.
 
 

 

Στις συναρτήσεις ct1.voltage(), ct2.voltage() και ct3.voltage() βλέπετε τρεις τιμές. Η πρώτη είναι το κανάλι του ADC που έχει συνδεθεί το κάθε CT και μένει πάντα ως έχει, η δεύτερη παράμετρος είναι η παράμετρος που χρησιμοποιούμε για το calibration της τάσης και η τρίτη για το calibration της φάσης. Για να καλιμπράρουμε την τάση, θα πρέπει η τιμή που γράφει ο μετρητής ή το πολύμετρο το οποίο μετράμε την πραγματική τάση, να είναι όσο πιο κοντινή γίνεται ή ίδια με την τάση που τυπώνει το terminal, που είναι η τάση Vrms του δικού μας μετρητή. Η εξίσωση που μας δίνει την παράμετρο της τάσης που πρέπει να χρησιμοποιήσουμε είναι η
 
[νέα τιμή] = [υπάρχουσα τιμή]*( [πραγματική μέτρηση] / [τιμή του terminal] )
 
Η εξίσωση αυτή μας επιστρέφει την τιμή που πρέπει να βάλουμε στον κώδικά μας. Για να βρίσκετε την τιμή αυτή μπορείτε να φτιάξετε ένα φύλλο στο openoffice και να το βάλετε να υπολογίζει αυτόματα την παραπάνω εξίσωση, όπως φαίνεται παρακάτω, διαφορετικά το κάνετε με ένα calculator.
 
 

 

Επομένως όπως είναι ο κώδικας αν το terminal τυπώνει τάση 235,57, ενώ το πολύμετρο ή ο μετρητής αναγράφει 232,8 και η υπάρχουσα τιμή στην παράμετρο του κώδικα είναι 230, τότε η νέα τιμή είναι 230*(232,8/235,57)=227,29. Ουσιαστικά είναι μια απλή μέθοδος των τριών. Την τιμή τώρα αυτή θα πρέπει να την βάλετε στον κώδικα και στις τρεις εξισώσεις, να κάνετε compile, να τον γράψετε στο arduino και να το ξεκινήσετε. Αυτή τη φορά θα δείτε ότι τα αποτελέσματα της Vrms θα είναι πιο κοντά στην πραγματικότητα. Την διαδικασία αυτή θα πρέπει να την επαναλάβετε ξανά μερικές φορές με τις νέες τιμές ώστε η ακρίβεια μετά από 3-4 επαναλήψεις να έχει βελτιωθεί όσο περισσότερο γίνεται.
 
Τώρα έχει σειρά να καλιμπράρετε τα CT. Πριν το κάνετε αυτό θα πρέπει πρώτα να αυξήσετε αρκετά το ρεύμα, οπότε θα πρέπει να ενεργοποιήσετε όλες τις σκάλες της σόμπας ή γενικά να ξεπεράσετε το 1KW το οποίο είναι πιο κοντά στις πραγματικές συνθήκες για ένα σπίτι. Κάνοντάς το αυτό, θα πρέπει να συγκρίνετε τις τιμές του ρεύματος που τυπώνει το terminal με αυτές του μετρητή. Αν υπάρχει διαφορά τότε θα πρέπει να αλλάξετε την default τιμή 60.606 του burden, οπότε αν η τιμή του ρεύματος που στέλνει το terminal είναι μεγαλύτερη τότε θα πρέπει να μειώσετε την τιμή αυτή. Όταν την μειώνετε ή την αυξάνετε οι αλλαγές να είναι της τάξης 0.2, καθώς μικρή διαφορά στην τιμή αυτή επηρεάζει σημαντικά το αποτέλεσμα.
 
Τέλος μένει να καλιμπραριστεί η τιμή του cosφ, δηλαδή ο συντελεστής ισχύος. Στην περίπτωση ενός καθαρά ωμικού φορτίου θα πρέπει η φαινόμενη και η πραγματική ισχύς να είναι ίσες, οπότε το cosφ να είναι ίσο με 1. Αυτό δεν είναι απόλυτα ακριβές στην περίπτωση αυτή οπότε μπορεί να έχει τιμή κοντά στο 1, δηλαδή 0.97-0.99. Για να καλιμπράρετε την τιμή αυτή από τις functions του κώδικα ct1.current() κλπ αλλάζετε την τρίτη μεταβλητή. Υπόψη ότι αυτή η τιμή δεν είναι απαραίτητα ίδια και για τις 3 φάσεις, έτσι στην περίπτωσή μου για παράδειγμα είναι 1.25 για την πρώτη φάση, 1.35 για την δεύτερη και 1.45 για την τρίτη. Ο γενικός κανόνας είναι ότι η τιμή αυτή πρέπει να είναι ανάμεσα στα όρια 0.0-2.0. Αν για κάποιο λόγο την ξεπερνά για να πλησιάσει το cosφ την τιμή 1.0, τότε σημαίνει μάλλον ότι ο μετασχηματιστής των 9VAC δεν είναι καλός και χρειάζεστε κάποιο άλλο. Σε αυτό το link μπορείτε να δείτε δοκιμές από διάφορα τροφοδοτικά 9VAC τα οποία είναι κατάλληλα και αυτό είναι το τροφοδοτικό το οποίο προτείνει και πουλά το OpenEnergyMonitor.
 
Αφού τελειώσετε με το calibration όλων των παραμέτρων, θα πρέπει να κάνετε ένα τελικό έλεγχο ότι όλα τα αποτελέσματα είναι τα αναμενόμενα, οπότε ίσως χρειαστεί να κάνετε τη διαδικασία αυτή άλλη μια φορά. Ειδικά αν έχετε πειράξει αρκετά την παράμετρο του cosφ θα πρέπει να βεβαιωθείτε ότι είναι σωστή η Vrms που μετρά ο arduino. Αν δεν είναι τότε θα χρειαστεί να επαναλάβετε όλη τη διαδικασία από την αρχή. Παρακάτω είναι 2 εικόνες με τα αποτελέσματα από 800W φορτίου και περίπου 3.15-3.20 ρεύμα.
 
 

 

Η αλήθεια είναι ότι το calibration χρειάζεται αρκετή δουλειά και σε κάποιες περιπτώσεις για να επιτευχθεί καλύτερη ακρίβεια θα πρέπει να αλλάξετε και τις αντιστάσεις στους διαιρέτες του emonTx shield με καλύτερης ακρίβειας και άλλες τιμές ώστε η reference τάση να είναι ανάλογη της εξόδου του μετασχηματιστή AC-AC. Επίσης η ποιότητα του μετ/στη παίζει πολύ ουσιαστικό ρόλο, όπως και η ποιότητα του δικτύου της ΔΕΗ. Επομένως σας προτείνω να αγοράσετε τον μετ/στη που προτείνουν για το emonTx shield στο link που έδωσα παραπάνω, ώστε να μην χρειαστεί να κάνετε δραματικές αλλαγές στο hardware, όπως αλλαγή αντιστάσεων κλπ.
 
Τέλος αφού τελειώσετε, θα πρέπει να συνδέσετε το κάθε CT στην σωστή φάση και αυτό θα πρέπει να γίνει ακριβώς μετά το ρολόι της ΔΕΗ. Εκεί θέλει μεγάλη προσοχή και αν και δεν χρειάζεται να ακουμπήσετε κάποιο γυμνό, καλό είναι να το κάνει κάποιος σχετικός με το αντικείμενο (πχ κάποιος ηλεκτρολόγος).
 
Αφού τελειώσει το calibration του arduino, μένει να δούμε πως θα ταιριάξει με την υπόλοιπη πλατφόρμα.
 
Bonus track: Ο χώρος που έγινε η ανάπτυξη και τα τεστ. Η μόνη ταλαιπωρία ήταν να κάθομαι με αυτή τη ζέστη δίπλα από την σόμπα και να έχω συνέχεια το νου μου μην ακουμπήσω κανένα λάθος καλώδιο και δω αστράκια (ή τον Χριστό φαντάρο όπως πολύ σωστά πρόσθεσε και ο Seafalco).
 
 

Εγκατάσταση του Server
 
Εφόσον τελειώσει η κατασκευή και το calibration της συσκευής, πρέπει να εγκατασταθούν τα προγράμματα έτσι ώστε να μπορείτε να δείτε την κατανάλωσή σας σε ένα web interface. Επομένως πρέπει να εγκατασταθούν ο server και το web interface και να δοκιμαστούν. Ο server και το web interface καλό είναι να βρίσκονται στον ίδιο υπολογιστή αν και δεν είναι και απαραίτητο, όμως θα θεωρήσω ότι βρίσκονται μαζί, μιας και είναι και το πιο λογικό. O server λοιπόν, θα πρέπει να μαζεύει τα δεδομένα από τον μετρητή, άρα ο μετρητής θα πρέπει να στέλνει τις πληροφορίες στον server. Αυτό γίνεται χρησιμοποιώντας το πρωτόκολλο του UDP και μια συγκεκριμένη πόρτα την οποία την καθορίζετε εσείς και την προγραμματίζετε στον μετρητή και στον server. Στην συνέχεια ο server καταχωρεί τις πληροφορίες σε μια βάση δεδομένων, στην οποία φυσικά θα πρέπει να έχει πρόσβαση και στην συνέχεια το web interface τραβάει τα δεδομένα από την βάση δεδομένων, στην οποία έχει και αυτό πρόσβαση. Το θέμα της πρόσβασης το επισημαίνω ειδικά για Linux συστήματα, που είναι απαραίτητο για την σωστή λειτουργία.
 
Για το σενάριό μας ο μετρητής θα έχει την IP 192.168.1.7 (την οποία έστω ότι την έχει δώσει ο router μέσω DHP) και ο server την IP 192.168.1.5. Οπότε προγραμματίζουμε την IP του server στον μετρητή μέσω του USB (όπως αναφέραμε στην προηγούμενη σελίδα) στέλνοντάς του την εντολή
AP_SERVER=192.168.1.7
Στην συνέχεια προγραμματίζουμε την UDP πόρτα από την οποία θα αποστέλλει τα δεδομένα ο μετρητής με την εντολή
AP_SERVER_PORT=7710
Για UDP πόρτα μπορείτε να επιλέξετε όποια διεύθυνση θέλετε, αρκεί να μην χρησιμοποιείται ήδη από το σύστημα. Στο τέλος γράφετε την εντολή
SAVE
ώστε να αποθηκεύσει ο μετρητής τις ρυθμίσεις και να τις ανακτά κάθε φορά που ξεκινά. Τελειώνοντας με τον προγραμματισμό του μετρητή εγκαθιστούμε στον υπολογιστή που θα χρησιμοποιηθεί σαν server τα απαραίτητα προγράμματα. Πριν όμως περάσουμε στην εγκατάσταση θα πρέπει να κατεβάσετε αυτό το αρχείο το οποίο περιέχει όλα τα προγράμματα που θα χρειαστείτε, τον πηγαίο κώδικα και άλλα.
 
 

 

H διάταξη των φακέλων στο zip αυτό, είναι η παρακάτω:

• executable
• source code

Μέσα στον φάκελο executable θα βρείτε όλα τα precompiled αρχεία του κώδικα από τα προγράμματα που θα χρειαστείτε και θα εξηγήσουμε παρακάτω. Στον φάκελο source code θα βρείτε τους φακέλους με τον πηγαίο κώδικα για όλες τις εφαρμογές, οι οποίες είναι οι παρακάτω:

• ard_energy_meter
• database_cvs_create
• energy_meter_server
• energy_meter_tester
• energy_meter_web

arduino IDETDM-GCC


Εγκατάσταση στο raspberry
εδώ


 

 

Έπειτα με το puty, θα πρέπει να δώσετε δικαιώματα στο αρχείο energy_meter ώστε να μπορεί να εκτελείται. Για να το κάνετε αυτό θα πρέπει να βρίσκεστε ήδη μέσα στον φάκελο και γράψετε την εντολή:
$ chmod +x energy_meter
Οπότε το αποτέλεσμα θα πρέπει να είναι αυτό:
 
 

 

Στην συνέχεια με το WinSCP δημιουργήστε ένα φάκελο που ονομάζεται power μέσα στο /var/www και αντιγράψτε εκεί μέσα όλα τα αρχεία του φακέλου energy_meter_web εκεί μέσα, όπως φαίνεται και στην παρακάτω εικόνα
 
 

 

Τώρα στο putty θα πρέπει να αλλάξετε τα δικαιώματα του φακέλου ώστε να μπορεί η php να γράφει στην βάση δεδομένων και να προσθέσετε τον χρήστη pi στο group του www-data, οπότε γράφετε τις παρακάτω εντολές:
$ sudo chown www-data:www-data -R /var/www/power/
$ sudo usermod -a -G www-data pi
$ sudo chmod 774 -R /var/www/power/power.db
Επίσης στο putty και ενώ είστε μέσα στο /home/rpi/energy_meter, κάντε edit το αρχείο config.txt με την εντολή
$ nano config.txt
και αλλάξτε τις παραμέτρους με τις σωστές ανά περίπτωση. Στο παράδειγμά μας δηλαδή θα είναι οι παρακάτω.
 
 
 

 

Σώστε το αρχείο πατώντας Ctrl+O και enter και βγείτε από το nano με Ctrl+X. Όπως βλέπουμε στο db_fname δώσαμε την τοποθεσία του αρχείου της βάσης δεδομένων που βρίσκεται μέσα στον φάκελο του /var/www/power, στο udp_listen_ip δώσαμε την IP του ίδιου του Raspberry (προσοχή σε αυτό μην μπερδευτείτε!) και στο udp_listen_port την πόρτα 7710. Οπότε ο server ακούει στην IP 192.168.1.5 (δηλαδή την δική του IP) και στην πόρτα 7710 για εισερχόμενα UDP δεδομένα.
 
Για να τρέξετε τον server γράψτε στο putty ενώ βρίσκεστε στον φάκελο /home/pi/energy_meter την εντολή
$ ./energy_meter
Οπότε θα δείτε το παρακάτω
 
 
 
 

 

Αυτό σημαίνει ότι ο server τρέχει και μαζεύει δεδομένα!
Για να τεστάρετε τώρα τον web server ανοίξτε τον browser σας σε ένα PC και δώστε την διεύθυνση
http://192.168.1.5/power, οπότε θα εμφανιστεί η παρακάτω σελίδα.
 
 

 

Το τελευταίο βήμα είναι τα τεστάρετε την λειτουργία του server με το web interface γι' αυτό από το PC σας ανοίξτε ένα command prompt μέσα στον φάκελο του executables/tester και γράψτε την παρακάτω εντολή
energy_meter_tester.exe 192.168.1.5 7710
οπότε θα εμφανιστεί το παρακάτω
 
 

 

Στην συνέχεια πατήστε μια φορά το enter, περιμένετε 10 δευτερόλεπτα και πατήστε το άλλη μία φορά. Έχοντας ανοιχτά τα δυο παράθυρα του cmd και του putty θα πρέπει δείτε τα παρακάτω
 
 

 

Αυτό σημαίνει ότι ο tester έστειλε δυο πακέτα στον server και ο server τα έλαβε και αφού έλεγξε ότι είναι σωστά τα δεδομένα (μήκος, checksum κλπ), τα έσωσε στην βάση δεδομένων. Οπότε το επόμενο βήμα είναι να πάμε ξανά στον browser και να δούμε τι έχει γίνει. Ανοίξτε ξανά την διεύθυνση http://192.168.1.5/power ή κάντε refresh την σελίδα αν είναι ήδη ανοικτή και στην συνέχεια πηγαίνετε κάτω στο πεδίο της περιόδου κατανάλωσης και βάλτε την σημερινή ημερομηνία και πατήστε update, οπότε θα εμφανιστούν τα δυο δεδομένα που αποστείλατε.
 
 

 

Έχοντας λίγα δεδομένα δεν έχει και πολύ ενδιαφέρον, οπότε αν θέλετε να παίξετε λίγο με το web interface μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το αρχείο demo_dbase.db. Αφού το μετονομάσετε σε dbase.db, το βάλετε στην θέση του προηγούμενου και δώσετε πάλι τα ίδια δικαιώματα όπως πριν ανοίξτε ξανά το web interface και δείτε τους χειρισμούς. Οι χειρισμοί θα αναλυθούν στην επόμενη σελίδα.
Επίσης μπορείτε να φτιάξετε δικά σας δεδομένα με το εργαλείο που λέγεται database_cvs_create.exe και βρίσκεται μέσα στο executables/tester. Επίσης θα βρείτε και τον κώδικα του εργαλείου στον φάκελο source code/database_cvs_create. Για να το χρησιμοποιήσετε θα πρέπει πρώτα τα πάτε σε αυτό το site και να γράψετε την ημερομηνία από την οποία θέλετε να ξεκινούν τα δεδομένα, οπότε θα σας επιστρέψει έναν αριθμό ο οποίος λέγεται timestamp. Timestamp στο unix είναι ο χρόνος που έχει περάσει από τις 1/1/1970 μέχρι τώρα με την μορφή των δευτερολέπτων, οπότε ο αριθμός 1443201874 είναι στο UTC 09/25/2015 - 5:24pm και στο GMT 09/25/2015 - 8:24pm καθώς η Ελλάδα αυτή τη στιγμή είναι 3 ώρες μπροστά. Αφού πάρετε το timestamp για την ημερομηνία που θέλετε, τότε τρέχετε το πρόγραμμα με την παρακάτω εντολή
database_cvs_create.exe 1443201874 5000 10
Αυτοί οι αριθμοί σημαίνουν:

• 1443201874, το timestamp δηλαδή η ημερομηνία που θα ξεκινήσουν τα δεδομένα
• 5000, ο αριθμός των μετρήσεων που θα αποθηκευτούν στην βάση (μπορείτε να βάλετε όσα θέλετε)
• 10, το διάστημα σε δευτερόλεπτα ανάμεσα από κάθε μέτρηση

Αφού πατήσετε enter τότε στον φάκελο θα εμφανιστεί ένα αρχείο που λέγεται demo_consumption_data.csv και το οποίο θα περιέχει ψεύτικες random μετρήσεις από ένα energy meter. Υπόψη ότι κάθε φορά που το τρέχετε οι μετρήσεις θα είναι διαφορετικές. Το αρχείο αυτό θα πρέπει στην συνέχεια να το κάνετε import στην βάση δεδομένων, χρησιμοποιώντας το sqliteman το οποίο μπορείτε να κατεβάσετε από εδώ. Στην συνέχεια ανοίξτε την βάση δεδομένων με το sqliteman και πατήστε από το μενού Database -> Import Table Data, διαλέξτε το tbl_values για τον πίνακα στον οποίο θα κάνετε Import τα δεδομένα, πατήστε το Search και διαλέξτε το αρχείο demo_consumption_data.csv που δημιουργήσατε, διαλέξτε το semicolon για separator και πατήσε ΟΚ. Έτσι θα γίνουν import τα δεδομένα στην βάση, οπότε όταν πατήσετε στην αριστερή στήλη στο Main -> Tables -> tbl_values θα δείτε χιλιάδες δεδομένα που είναι ψευδο-random μετρήσεις. Έτσι αντικαθιστώντας την νέα βάση δεδομένων στο Raspberry θα έχετε χιλιάδες δεδομένα για να πειραματιστείτε με το web interface. Όποιος θέλει μπορεί να ρίξει μια ματιά και στον κώδικα των εργαλείων αυτών και να τον αλλάξει. Ουσιαστικά τα εργαλεία αυτά τα έφτιαξα για να μπορέσω να κάνω δοκιμές μιας και ήταν αδύνατο να μαζέψω τόσες πολλές μετρήσεις σε τόσο μικρό χρονικό διάστημα.

Τέλος θα χρειαστεί να τρέχετε τον UDP server σαν service έτσι ώστε να ξεκινά κάθε φορά που ανοίγετε το raspberry. Για να το κάνετε αυτό κάντε copy με το WinSCP το αρχείο energy_meterd από τον φάκελο executables/rpi service στον φάκελο /etc/init.d και στην συνέχεια γράψτε τις παρακάτω εντολές στο putty.
$ cd /etc/init.d
$ sudo apt-get update
$ sudo apt-get install tmux
$ sudo chmod +x energy_meterd
$ sudo chmod 755 energy_meterd
$ sudo update-rc.d energy_meterd defaults
$ service energy_meterd start
Με τον τρόπο αυτό κάνετε εγκατάσταση του server σαν service. Οπότε αν τρέξετε την εντολή:
$ ps -A | grep energy_
θα πρέπει να δείτε το process του energy meter να τρέχει. Τέλος δοκιμάστε ότι τρέχει και στην επανεκκίνηση κάνοντας reboot και 10 περίπου δευτερόλεπτα μετά την ολοκλήρωση της επανεκκίνησης, τρέξτε πάλι την προηγούμενη εντολή. Θα πρέπει πάλι να δείτε μια απάντηση περίπου σαν αυτή
5142 pts/1 00:00:00 energy_meter
Η διαδικασία αυτή ισχύει περίπου ίδια και για τις επόμενες πλατφόρμες, οπότε δεν θα αναφέρω ξανά όλα τα βήματα. Σκοπός του άρθρου είναι να χρησιμοποιηθεί ένα raspberry λόγο οικονομίας κατανάλωσης.

Εγκατάσταση σε Linux
Εδώ ισχύουν σχεδόν όλα όσα περιγράψαμε στην εγκατάσταση του raspberry. H κύρια διαφορά είναι ότι αν ο υπολογιστής είναι ισχυρός τότε αντί για τον lighttpd μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τον apache ή αν έχετε ήδη εγκατεστημένο έναν άλλο web server, τότε θα πρέπει να εγκαταστήσετε και την υποστήριξη για PHP και sqlite. Αυτό ανάλογα με το λειτουργικό linux που έχετε διαφέρει σαν διαδικασία, οπότε θα πρέπει να ψάξετε πως θα το κάνετε αυτό στο internet. Το ίδιο ισχύει και για την εγκατάσταση του service. Λογικά θα μπορέσετε να χρησιμοποιήσετε το ίδιο αρχείο energy_meterd όπως και στο raspberry, αλλά μπορεί όμως το λειτουργικό σας να έχει άλλη διαδικασία για την εγκατάσταση των services οπότε πάλι θα πρέπει να το κοιτάξετε στο internet.

Μέσα στον φάκελο των executable/ubuntu_x86_32 υπάρχει ένα pre-compiled αρχείο του server που μπορείτε να χρησιμοποιήσετε σε κάποια έκδοση ubuntu, kubuntu, xubuntu, lubuntu κλπ, αρκεί να είναι 32bit. Σε διαφορετική περίπτωση θα πρέπει να κάνετε compile τον κώδικα και να χρησιμοποιήσετε το executable ανάλογα με την πλατφόρμα σας.

Εγκατάσταση σε Windows
Η εγκατάσταση του server στα windows είναι λίγο πιο απλή διαδικασία και το μόνο που χρειάζεται να κάνετε είναι να εγκαταστήσετε έναν web server όπως o WampServer. Αφού κάνετε την εγκατάσταση, πηγαίνετε στον φάκελο C:\wamp\www και δημιουργήστε έναν φάκελο με το όνομα power και κάντε copy όλα τα αρχεία που βρίσκονται μέσα στον φάκελο source code\energy_meter_web. Ξεκινήστε το WampServer και στον browser σας (αν είστε στο ίδιο PC) γράψτε την διεύθυνση http://127.0.0.1/power και θα πρέπει να δείτε το web interface, το οποίο ακόμα φυσικά δεν είναι λειτουργικό.
Στην συνέχεια δημιουργείστε ένα φάκελο κάπου στον σκληρό σας δίσκο, πχ C:\Energy Meter Server\ και κάντε εκεί μέσα copy το αρχείο energy_meter.exe και config.txt που βρίσκεται στον φάκελο executables\windows_x86_32. Αν θέλετε μπορείτε να κάνετε και drag&drop το exe μέσα στον φάκελο Startup του Start menu (τι; δεν έχετε start menu? Χαχα) των windows, ώστε να τρέχει αυτόματα κάθε φορά με την επανεκκίνηση. Έπειτα ανοίξτε το αρχείο config.txt και συμπληρώστε τις σωστές παραμέτρους.
db_fname=C:\wamp\www\power\power.db
upd_listen_ip=192.168.1.5
udp_listen_port=7710
Υπόψη πως στο udp_listen_ip θα πρέπει να βάλετε την IP του PC σας που κάνετε εγκατάσταση το πρόγραμμα, απλά έχουμε θεωρήσει ότι στο παράδειγμά μας είναι ο 192.168.1.5. Αφού τα κάνετε αυτά και ενώ τρέχει ο wampserver και o Energy Meter Server, τρέξτε το energy_meter_tester.exe με τις εξής παραμέτρους για δοκιμάσετε την σωστή λειτουγία
energy_meter_tester.exe 192.168.1.15 7710
Στην επόμενη εικόνα φαίνεται η λειτουργία σε windows

Εγκατάσταση σε άλλες πλατφόρμες.
Όπως θα πρέπει να έχετε καταλάβει ήδη, το πρόγραμμα του server μπορεί να εγκατασταθεί σε οποιαδήποτε συσκευή υποστηρίζει linux. Επομένως μέσα στις συσκευές αυτές συμπεριλαμβάνονται και κάποιοι wifi routers, NAS και γενικά οποιαδήποτε συσκευή με linux. Απλά για να γίνει αυτό χρειάζεται το λειτουργικό σύστημα είτε να έχει προ-εγκατεστημένες κάποιες βιβλιοθήκες, είτε να μπορείτε να τις εγκαταστήσετε με κάποιο τρόπο εσείς. Επίσης προϋποθέτει η συσκευή αυτή να έχει προ-εγκατεστημένα τα build tools ώστε να μπορείτε να κάνετε compile τον κώδικα ή να εγκαταστήσετε σε ένα linux PC τα λεγόμενα cross-building tools που αφορούν την στοχευμένη πλατφόρμα, ώστε να κάνετε εσείς cross-compile τον κώδικα και στην συνέχεια να περάσετε στην συσκευή απ' ευθείας το executable. Όπως κάναμε και στο παράδειγμα του raspberry που χρησιμοποιήσαμε το pre-built binary το οποίο φτιάχτηκε με τα linaro cross-tools σε ένα κανονικό linux_x86_64.
Σε περίπτωση που η συσκευή έχει προ-εγκατεστημένα τα εργαλεία για το compilation του κώδικα τότε κάντε copy τον φακελο source code/src σε ένα φάκελο στην συσκευή πχ /tmp και στην συνέχεια για να το εγκαταστήσετε γράψτε τις παρακάτω εντολές.
$ make
$ make install
Με τις εντολές αυτές θα γίνει compile ο κώδικας και θα δημιουργηθεί ένα executable αρχείο για την αρχιτεκτονική της συσκευής σας και ο energy meter server θα εγκατασταθεί στον φάκελο ~/energy_meter_server. Από εκεί και πέρα θα πρέπει να κάνετε εσείς την εγκατάσταση του web server (αν δεν υπάρχει), του web interface και να δηλώσετε τον energy meter server ως service. Για να κάνετε απεγκατάσταση τρέξτε την εντολή

$make remove

ή απλά σβήστε τον φάκελο ~/energy_meter_server.

Δυστυχώς το άρθρο αυτό δεν έχει σκοπό στο να δείξει με λεπτομέρεια πως γίνεται η εγκατάσταση όλων σε όλα τα συστήματα, μιας και απαιτεί πολύ χρόνο και είναι από μόνο του ένας ολόκληρος κόσμος. Επομένως η περιγραφή των εγκαταστάσεων τελειώνει εδώ και είναι ώρα να δούμε πως, αφού έχουμε τελειώσει με όλα τα προηγούμενα βήματα, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το web interface για να βλέπουμε την κατανάλωση μας και να βγάζουμε συμπεράσματα από τα γραφήματα αυτά.

Ο πρώτος φάκελος είναι ο πηγαίος κώδικας για το arduino, τον οποίο κάνετε compile και γράφετε στο arduino με το . O επόμενος είναι μια εφαρμογή για την δημιουργία δεδομένων για τεστάρισμα της βάσης δεδομένων και ακολουθεί ο κώδικας του server του tester (που τεστάρει τον server) και το web interface. Τα τελευταία θα χρειαστείτε απλά έναν gcc compiler για C++, που στο Linux θα βρείτε στα repos του, ενώ για windows μπορείτε να χρησιμοποιήσετε την MinGW έκδοση του . Για οικονομία χρόνου θα θεωρήσω πως γνωρίζετε πως να χρησιμοποιείτε το WinSCP και το putty για να συνδεθείτε στο raspberry pi και τις βασικές εντολές του linux. Συνδεθείτε λοιπόν στο Raspberry Pi με το WinSCP και το putty ταυτόχρονα. Αρχικά θα πρέπει να εγκαταστήσετε έναν web server με υποστήριξη για PHP και sqlite, αν δεν έχετε ήδη. Για να το κάνετε αυτό ακολουθείστε τις οδηγίες , μιας και τα λέει καλύτερα από εμένα. Μετά από αυτή τη διαδικασία θα έχετε ένα πλήρη λειτουργικό web server στο Raspberry σας.Με το WinSCP φτιάχνετε έναν φάκελο στο /home/pi ο οποίος ονομάζεται energy_meter, οπότε το path θα είναι /home/pi/energy_meter και στην συνέχεια αντιγράφετε τα περιεχόμενα του φακέλου executable/rpi από τα αρχεία που κατεβάσατε εκεί μέσα. Το αποτέλεσμα θα πρέπει να είναι αυτό που φαίνεται στην εικόνα. 

Λειτουργία web interface

Φτάνοντας στο σημείο αυτό θα πρέπει να έχετε ένα πλήρως λειτουργικό μετρητή ενέργειας με το arduino και το emonTx shield, και ένα server ο οποίος δέχεται τις μετρήσεις από τον μετρητή, τις σώζει στην βάση δεδομένων και μπορείτε να συνδεθείτε στο web interface για να δείτε τις μετρήσεις. Το web interface επέλεξα (όπως συνηθίζω) να το κάνω πολύ απλό, χωρίς πολλές φανφάρες μενού κλπ, τα οποία θεωρώ άχρηστα και κουραστικά, ιδίως για τέτοιου είδους εφαρμογές. Καλό είναι ένα user interface να είναι απλό και να κάνει απλά την δουλειά του, χωρίς πολλά εφέ και μενού και να είναι λειτουργικό. Άλλοι ωστόσο μπορεί να έχουν άλλη άποψη.
Επομένως είναι ώρα να δούμε πως λειτουργεί το web interface και τι δυνατότητες έχει. Αν υποθέσουμε ότι ο server είναι στην διεύθυνση 192.168.1.5, τότε συνδεόμαστε στην IP του με έναν οποιοδήποτε browser (πχ firefox). Για να συνδεθούμε γράφουμε τον σύνδεσμο http://192.168.1.5/power και ανοίγει η παρακάτω σελίδα, στην οποία έχω σημειώσει τα κρίσιμα πεδία.

1. Από τα κουμπιά αυτά επιλέγετε την χρονική περίοδο που θέλετε να δείχνει ο άξονας του χρόνου x. Αυτή η περίοδος μπορεί να είναι μία ημέρα, μία εβδομάδα, ένας μήνας ή ένας χρόνος.
2. Το πεδίου που ζωγραφίζονται οι καμπύλες που προκύπτουν από τα δεδομένα που είναι αποθηκευμένα μέσα στην βάση δεδομένων.
3. Η μέτρηση την οποία θέλουμε να απεικονίσουμε, η οποία μπορεί να είναι είτε το ρεύμα Irms ανά φάση, είτε η πραγματική κατανάλωση σε W ανά φάση, είτε η φαινόμενη ισχύς ανά φάση ή τέλος ο συντελεστής ισχύος ανά φάση.
4. Η αρχή της περιόδου της κατανάλωσης.
5. Το κουμπί που κάνει update το γράφημα (2) όταν αλλάξει η ημερομηνία της αρχής της περιόδου (4).
6. Κουμπί για τα options του γραφήματος, όπως αποθήκευση εικόνας.

Έστω τώρα ότι έχουν δημιουργηθεί αρκετά δεδομένα από τον μετρητή ή έχετε δημιουργήσει μόνοι σας κάποια δεδομένα με το database_cvs_create. Στο παράδειγμα μας έχω δημιουργήσει αρκετά random δεδομένα την περίοδο από 24/2/2015 μέχρι 4/6/2015. Οπότε για να επιλεχτεί η ημερομηνία πατώντας στο πεδίο (4) ανοίγει ένα ημερολόγιο στο οποίο είναι εύκολη η επιλογή της αρχικής ημερομηνίας, όπως φαίνεται και στην παρακάτω εικόνα.

Ύστερα επιλέγοντας “Ημέρα” από το (1), “Πραγματική W” από το (3) και πατώντας το κουμπί “Update” (4), απεικονίζονται τα δεδομένα που έρχονται από τον server, όπως φαίνεται και παρακάτω.

Στο γράφημα βλέπουμε την στιγμιαία κατανάλωση ανά φάση και ανά χρονική περίοδο κατά την διάρκεια της ημέρας. Αν πάμε το ποντίκι σε οποιοδήποτε σημείο της καμπύλης Αν θέλουμε μπορούμε να ζουμάρουμε σε μια χρονική περίοδο μέσα στην ημέρα, πηγαίνουμε το ποντίκι στο σημείο που θέλουμε, κάνουμε κλικ πάνω στο γράφημα στο σημείο αυτό και με πατημένο το κουμπί του mouse κάνουμε drag μέχρι το σημείο της ζητούμενης χρονικής στιγμής που λήγει η περίοδος που θέλουμε να δούμε σε μεγέθυνση. Αυτό φαίνεται στην παρακάτω εικόνα.

Όταν κάνετε zoom εμφανίζονται στην πάνω δεξιά γωνία του γραφήματος 2 νέοι χειρισμοί, που είναι το pan και το reset. Πατώντας το pan μπορείτε να σκρολάρετε δεξιά και αριστερά στο γράφημα, ενώ με το reset επανέρχεται η γραφική παράσταση στην αρχική της κατάσταση. Τα κουμπιά αυτά φαίνονται και στην παρακάτω εικόνα

Όπως αναφέραμε στο web interface μπορείτε να δείτε την τιμή και την ώρα που εστάλει αυτή, πηγαίνοντας σε οποιοδήποτε σημείο της καμπύλης, οποιασδήποτε φάσης. Υπενθυμίζω εδώ πως η τιμή αυτή δεν είναι η στιγμιαία, αλλά ο μέσος όρος των τιμών από την προηγούμενη μέτρηση. Για να δείτε άλλες παραμέτρους του μετρητή πατήστε όποιο κουμπί θέλετε από το (3) και θα φορτωθούν οι τιμές από την βάση δεδομένων γι' αυτή την παράμετρο. Τέλος από το (1) μπορείτε να δείτε γραφικές παραστάσεις από όποια παράμετρο θέλετε μέχρι και ένα χρόνο μπροστά από την αρχική ημερομηνία που επιλέξετε στο (4).
Παρακάτω βλέπουμε κάποιες άλλες γραφικές παραστάσεις από τα ίδια δεδομένα.

Επίλογος

Για τον επίλογο δεν έχω να πω και πολλά, αλλά θα πω τα σημαντικά. Καταρχήν ΠΡΟΣΟΧΗ!!! Κατά δεύτερον, πάλι ΠΡΟΣΟΧΗ. Όποιος θα ασχοληθεί με αυτό το project θα πρέπει να είναι πολύ προσεκτικός σε κάθε βήμα που έχει να κάνει με την τάση του δικτύου. Είναι λίγο δύσκολο αυτό το project, όχι όσον αφορά την υλοποίηση, αλλά την προσοχή με την τάση του δικτύου.

Επομένως δεν κάνετε τίποτα, αν δεν είστε σίγουροι ή αν δεν έχετε γνώσεις. Μπορείτε να το κάνετε σε συνεργασία με κάποιον που ξέρει από ηλεκτρολογικά και θα σας καθοδηγεί. Κατά τα άλλα είναι ένα ενδιαφέρον project και στο τέλος θα μπορείτε να βλέπετε την κατανάλωση του σπιτιού σας με έναν σύγχρονο τρόπο.

Ελπίζω να το υλοποιήσει κάποιος και όποιος το κάνει και κάνει κάποιες αλλαγές σε οποιοδήποτε κώδικα, καλό θα ήταν να τα ποστάρει και εδώ ώστε να επωφεληθούν και άλλοι.

Τέλος, ευχαριστώ και δημόσια τον @Seafalco για το editing, για το κουράγιο του και τον χρόνο που διέθεσε να διορθώσει το κείμενο, ώστε να φτάσει σε αυτή την τελική μορφή. Η βοήθεια του στο editing, σε όλα τα projects ήταν σημαντική!

Καλό κουράγιο με όσους ασχοληθούν!

"Εισαγωγή"!

Ένα ακόμα DIY από το εργαστήρι σήμερα!
Αλλά αυτό διαφορετικό από τα άλλα καθώς πέρα από αυτά τα λόγια ...δεν έχει άλλα!
Είναι κάτι σαν comic -χωρίς συνεφάκια βέβαια- και ασχολείται με μια επισκευή ακουστικών.
Δουλειά απλή που όπως λένε και στην πατρίδα μου, δεν θέλει κόπο, θέλει τρόπο!
Ο τρόπος λοιπόν είναι το θέμα μας και η εξιστόρηση της επισκευής έχει κάτι από "κλασικά εικονογραφημένα"!
Καλή σας διασκέδαση!

Διερευνητική τομή
 

Η προετοιμασία του "χειρουργικού πεδίου"
 

Στο κρεβάτι του πόνου!
 

Η ανάρρωση
 

"Καλύτερο κι' από καινούριο!
 

Edit_28-7-2019 :  Με την ευκαιρία της συντήρησης της παρουσίασης αυτής, να πω ότι μετά από  πέντε και  χρόνια, τα ακουστικά λειτουργούν μια χαρά και σε καθημερινή βάση ! 

Ήρθε η ώρα για το δεύτερο DIY project! Η αλήθεια είναι ότι με προβλημάτισε ιδιαίτερα ποιο θα είναι το δεύτερο project, καθώς δεν ήθελα η καμπύλη δυσκολίας να είναι απότομη. Τελικά κατέληξα σε μια ενδιάμεση λύση, δηλαδή σε ένα σχετικά δύσκολο project, αν θελήσει κάποιος να το φτιάξει εκ του μηδενός, το οποίο όμως αν δεν μπει κάποιος στις τεχνικές λεπτομέρειες είναι πραγματικά πολύ εύκολο. Αυτή τη φορά θα ασχοληθούμε με φωτισμό, αλλά το καλύτερο είναι πως το project θα είναι ένα ωραίο hacking! Λέγοντας hacking μην πάει το μυαλό σας στο κακό, μιας και σαν έννοια δεν είναι πάντα κάτι κακό. Hacking κατά πολλούς πλέον είναι το να παίρνει κάποιος π.χ. μια συσκευή και να επεκτείνει ή να αλλάζει τον τρόπο λειτουργίας και τον σκοπό της, ώστε να κάνει μια άλλη λειτουργία. Οι λόγοι για να κάνει κάποιος αυτό είναι πολλοί, αλλά για το παρόν project είναι για να γλυτώσουμε χρήματα. Θα δούμε και στην συνέχεια ποιο θα είναι αυτό το hacking, αλλά ας δούμε πρώτα με τι θα ασχοληθούμε αυτή τη φορά.

Όπως είπαμε το project αυτό αφορά τον φωτισμό. Ο φωτισμός όπως γνωρίζουμε μπορεί να χρησιμοποιηθεί για πάρα πολλούς λόγους, από τον απλό οικιακό φωτισμό που μπορεί να είναι λειτουργικός ή διακοσμητικός, μέχρι τον επαγγελματικό φωτισμό που βλέπουμε στις συναυλίες. Ο φωτισμός είναι ένας μεγάλος και αναπτυσσόμενος τομέας της τεχνολογίας, στον οποίο έχει υπάρξει μεγάλη έρευνα και ανάπτυξη, ειδικά μετά την επικράτηση, την μαζική παραγωγή και τις μειωμένες ενεργειακές απαιτήσεις των LED. Στο συγκεκριμένο project θα ασχοληθούμε με τον επαγγελματικό φωτισμό και συγκεκριμένα με το DMX, αλλά θα τον εφαρμόσουμε σε οικιακή χρήση, όπως συμβαίνει πλέον πολύ συχνά.

DMX

Ψάχνοντας κάποιος στο google για “DMX”, μάλλον το πρώτο αποτέλεσμα που θα δει είναι ένας κακομούτσουνος ράπερ. Τουλάχιστον αυτό έπαθα εγώ... Ευτυχώς δεν έχει να κάνει τίποτα με το project μας. Ψάχνοντας όμως για DMX512, που είναι η σωστή ορολογία θα πάρει το αποτέλεσμα που θέλουμε. Όσοι έχουν ασχοληθεί με το DJing ίσως να έχουν ακούσει τι είναι το DMX, για τους υπόλοιπους θα προσπαθήσω να το αναφέρω περιληπτικά.

Το DMX (Digital MultipleX) λοιπόν, είναι ψηφιακό πρωτόκολλο επικοινωνίας το οποίο χρησιμοποιείται στον επαγγελματικό φωτισμό και μεταφέρει πληροφορίες από μια συσκευή, η οποία ορίζεται σαν master σε άλλες συσκευές οι οποίες ορίζονται σαν slaves. Αυτή η σχέση master-slave είναι ακριβώς όπως ακούγεται, ο ένας διατάζει και οι άλλοι υπακούν. Ο master λοιπόν, είναι μια συσκευή η οποία ορίζει το πως θα λειτουργήσουν οι slave συσκευές, βάση όμως ορισμένων και συγκεκριμένων κανόνων που ορίζει το πρωτόκολλο. Το πρωτόκολλο DMX λοιπόν, είναι η γλώσσα με την οποία επικοινωνούν και μιλά ο master στους slaves. Επομένως στο παρόν άρθρο, η συσκευή που θα φτιάξουμε θα είναι ο master και slaves θα είναι τα φώτα.

Το DMX λοιπόν είχε ξεκινήσει από το USITT, ο οποίος είναι ένας οργανισμός που ασχολείται με την τεχνολογία των οπτικοακουστικών τεχνών και είδε από νωρίς την ανάγκη για ένα τέτοιο πρωτόκολλο επικοινωνίας, ώστε να μπορούν να ελέγχονται ταυτόχρονα πολλά φώτα με διαφορετική πληροφορία το καθένα. Τελικά σήμερα το DMX512-Α, όπως είναι το πλήρες όνομά του, αποτελεί ένα ANSI standard, δηλαδή οι προδιαγραφές του είναι πλήρως καθορισμένες και ελέγχονται από μια συγκεκριμένη αρχή. Αυτό γίνεται ώστε να υπάρχει συμβατότητα μεταξύ των συσκευών των κατασκευαστών και να μην κάνει ο καθένας ότι θέλει, αν και δεν υπάρχει συγκεκριμένη πιστοποίηση την οποία θα πρέπει να πάρει ο κάθε κατασκευαστής. Οπότε είναι αρμοδιότητα του κατασκευαστή να πιστοποιεί μόνος του ότι το προϊόν του είναι συμβατό με το πρωτόκολλο και τα standards.

Πλέον το DMX έχει ξεφύγει από τον καθαρά επαγγελματικό φωτισμό και δεν χρησιμοποιείται μόνο σε φωτισμό συναυλιών ή clubs και μαγαζιών. Έχει εισέλθει εδώ και χρόνια ακόμα και στον οικιακό φωτισμό και δεν είναι λίγοι αυτοί που το προτιμούν ανάμεσα από άλλους ισχυρούς ανταγωνιστές (όπως το DALI), λόγο του μικρότερου κόστους και της πληθώρας περιφερειακών και φωτιστικών στοιχείων.

Πρωτόκολλο DMX512-A

Το πρωτόκολλο του DMX512-A είναι πολύ απλό και αυτός είναι ο λόγος ο οποίος αποκαλείται και βασιλιάς του φωτισμού. Φυσικά έχει εξελιχθεί πάρα πολύ, όπως θα δούμε στην συνέχεια, αλλά θα δούμε όμως μόνο τα βασικά του χαρακτηριστικά. Επειδή είναι πρωτόκολλο επικοινωνίας χωρίζεται σε τρεις βασικές κατηγορίες. Αυτές είναι ο τρόπος μετάδοσης, η τοπολογία και το καθαυτό πρωτόκολλο.

Τρόπος μετάδοσης
Ο τρόπος μετάδοσης γίνεται μέσω ενός χάλκινου καλωδίου και το πρωτόκολλο μετάδοσης είναι το ΕΙΑ-485 γνωστό στους παλιούς και ως RS-485, μιας και ήταν το διαφορικό αδερφάκι του RS-232 με το οποίο έχουν πολλές ομοιότητες. Εδώ να πούμε ότι δεν πρέπει να συγχέεται το πρωτόκολλο μετάδοσης με αυτό της επικοινωνίας, το πρώτο αφορά το ηλεκτρικό κομμάτι και τον φυσικό τρόπο μετάδοσης με την χρήση ενός μέσου, ενώ το δεύτερο την κωδικοποίηση των δεδομένων πάνω στο μέσο. Τα καλώδια του RS-485 γενικά μεγάλο κόστος, αλλά ευτυχώς μπορούν να χρησιμοποιηθούν άλλα πολύ πιο φθηνά καλώδια, ειδικά στον οικιακό φωτισμό, όπως π.χ. καλώδια Ethernet.

Τοπολογία
Η τοπολογία του DMX512-A, είναι η λεγόμενη daisy chain, δηλαδή μια αλυσίδα. Στην τοπολογία αυτή πρώτος είναι ο master που έχει μια έξοδο η οποία συνδέεται στην είσοδο του πρώτου slave. Ο slave έχει επίσης μια έξοδο η οποία συνδέεται στην είσοδο του επόμενου slave και αυτό συνεχίζεται για όλους τους slave που υπάρχουν στην αλυσίδα. Στο τέλος της αλυσίδας υπάρχει μια τερματική αντίσταση, η οποία εμποδίζει την δημιουργία στάσιμων κυμάτων, καθώς ηλεκτρικά το RS-485 είναι πρωτόκολλο διαφορικής τάσης. H τερματική αντίσταση πρέπει να έχει τιμή ίση με την εμπέδηση του καλωδίου και συνήθως είναι 120Ω. Η συνδεσμολογία φαίνεται στην παρακάτω εικόνα.
 

Μια τέτοια τοπολογία μπορεί να έχει μέχρι και 512 συσκευές (ή διευθύνσεις) και ονομάζεται “DMX Universe”. Ένας master μπορεί να υποστηρίζει περισσότερα από ένα DMX Universes, αλλά πάντα σε ένα Universe δεν μπορούν να υπάρχουν πάνω από 512 διευθύνσεις.

Πρωτόκολλο
Το πρωτόκολλο του DMX είναι ένα 8Ν2 σειριακό πρωτόκολλο με ταχύτητα 250Kbps. Αυτό σημαίνει ότι κάθε Byte πληροφορίας ξεκινά με ένα start bit, έχει 8 bit δεδομένων, δεν έχει parity bit και στο τέλος ακολουθούν 2 stop bits. Οπότε κάθε Byte πληροφορίας έχει 11 bits. Κάθε πακέτο περιέχει μέχρι και 512 Bytes πληροφορίας, αλλά όμως μπορεί να είναι και λιγότερα. Η διάκριση μεταξύ των πακέτων γίνεται χρησιμοποιώντας κάποιους παλμούς συγχρονισμού.

Ο πρώτος παλμός ονομάζεται Break ο οποίος αυτό που κάνει είναι να κρατάει για κάποια συγκεκριμένη χρονική στιγμή την στάθμη της γραμμής στο low, δηλαδή στα 0V. Αυτός ο παλμός πρέπει να είναι το ελάχιστο 92μsec ώστε να μπορούν όλες οι slave συσκευές να τον αναγνωρίσουν. Ο δεύτερος παλμός ονομάζεται Mark-After-Break (ή MAB) και αντίθετα με το Break κρατάει την στάθμη της γραμμής στο high, δηλαδή στο 1V και πρέπει να διαρκεί το ελάχιστο 12μsec. Μετά ακολουθεί το πρώτο byte (11 bits) το οποίο έχει πάντα τιμή 0x00 και ονομάζεται start code και βάση αυτού συγχρονίζουν όλοι οι slave στην αλυσίδα. Τα επόμενα bytes που ακολουθούν είναι η ουσιαστική πληροφορία.

Στις εικόνες παρακάτω παραθέτω τους δικούς μου χρονισμούς, μετρώντας την συσκευή με το δικό μου firmware, που θα δούμε λεπτομέρειές του αργότερα. Όπως θα δείτε δεν επέλεξα τις ελάχιστες τιμές που ορίζει το DMX standard, αλλά έδωσα "αέρα" ανάμεσα από κάθε πακέτο και μεγάλωσα το MAB. Στην επόμενη εικόνα βλέπουμε μια σειρά από bytes.


 

Όπως βλέπουμε στην φωτογραφία από τον παλμογράφο, το data rate είναι 250Khz δηλαδή 250Kbps, όπως ορίζει το DMX standard.


 

Στην παραπάνω φωτογραφία βλέπουμε πως η περίοδος του κάθε πακέτου είναι 60ms, οπότε με την ταχύτητα αυτή μπορούμε να πετύχουμε, μιλώντας για RGB δεδομένα, μέχρι και 16.5 fps. Πως προκύπτει αυτό; Αν θεωρήσουμε ότι έχουμε μια DMX οθόνη με 170 RGB pixels (όπως αυτές που χρησιμοποιούνται σε συναυλίες ή στα στάδια), όσα pixels δηλαδή υποστηρίζει ένα DMX universe, τότε αν το κάθε pixel ανανεώνεται κάθε 60ms (σε ένα πακέτο DMX παίρνουν και τα 3 χρώματα τιμή), τότε σε ένα δευτερόλεπτο το κάθε pixel ανανεώνεται 1000/60=16.6 φορές. Οπότε έχουμε 16.6 frames per second. Το θεωρητικό maximum του DMX512-A είναι τα 44fps, το οποίο είναι πάρα πολύ καλό και μπορούμε να το πετύχουμε και με την δική μας συσκευή, απλά ο DMX RGB decoder που χρησιμοποιώ στο άρθρο (όπως και στην πραγματικότητα), δεν μπορεί να πιάσει αυτές τις ταχύτητες, οπότε μειώνοντας τον χρόνο αυτό, μου έλυσε αρκετά προβλήματα.

Περισσότερα για το DMX512-A

Μόλις τελειώσει αυτή η αρχική διαδικασία συγχρονισμού, που αναλύσαμε στην προηγούμενη σελίδα, ακολουθούν 512 bytes δεδομένων, τα οποία μόλις τελειώσουν επαναλαμβάνεται πάλι όλη η διαδικασία από την αρχή. Το κάθε byte δεδομένων τώρα, ονομάζεται slot (ή διεύθυνση αν θέλετε). Επομένως κάθε slot μπορεί να πάρει τιμές από 0 έως 0xFF (ή 0-255). Την τιμή αυτή μπορείτε να την σκεφτείτε σαν στάθμη έντασης του φωτός για ευκολία, αν και εξαρτάται περισσότερο από τον τύπο συσκευής, οπότε μπορεί να αντιπροσωπεύει και μοίρες ή κάτι άλλο.

Ας δούμε όμως λίγο πιο αναλυτικά τι είναι αυτά τα slots και πως χρησιμοποιούνται. Κάθε συσκευή φωτισμού (ένας slave δηλαδή), πρέπει να έχει τουλάχιστον ένα slot. Το slot αυτό προγραμματίζεται επάνω στην συσκευή συνήθως με την χρήση κάποιων dip-switches και μπορεί να πάρει τιμές από 0 έως 255. Μία συσκευή μπορεί να έχει παραπάνω από ένα slots, οπότε όταν ορίζουμε στην συσκευή ποιο slot θα πάρει, τότε αυτόματα η συσκευή ξέρει ότι θα τις ανήκουν το πρώτο slot που έχει προγραμματιστεί συν όσα άλλα υποστηρίζει. Επομένως αν θέλετε να δώσετε σε μια συσκευή που υποστηρίζει 5 slots, την διεύθυνση 100, τότε αυτή θα ακούει από μόνη της στα slots από 100 έως και 104, δηλαδή 5 slots. Επομένως η επόμενη συσκευή θα πρέπει να ξεκινά από το 105. Τι σημαίνει τώρα το slot για την κάθε συσκευή;

Μια συσκευή για παράδειγμα που είναι ένας απλός προβολέας, έχει μόνο ένα φωτιστικό στοιχείο, οπότε μπορεί να καταλάβει μόνο ένα slot επάνω στην αλυσίδα (1 slot στο Universe δηλαδή). Οπότε στην αλυσίδα μπορούν να συνδεθούν μέχρι και 512 τέτοιοι προβολείς. Αν όμως έχουμε έναν άλλο προβολέα ο οποίος έχει τρία φώτα, δηλαδή είναι RGB προβολέας (Red/Green/Blue) που μπορεί να δημιουργήσει μια παλέτα από διαφορετικά χρώματα, τότε αυτός θα καταλάβει 3 slots στην αλυσίδα! Δηλαδή ένα slot για κάθε χρώμα. Οπότε αν του δώσουμε την διεύθυνση 1 τότε αυτός θα ακούει στα slots από 1 έως και 3 και το κάθε slot θα αντιστοιχεί σε ένα από τα χρώματα R, G και B και κάθε slot θα είναι μια στάθμη από 0 έως 255 για κάθε χρώμα. Θεωρητικά με τον τρόπο αυτό μπορούν να αναπαρασταθούν όλα τα χρώμα. Έτσι αν έχουμε μόνο RGB προβολείς στο Universe, τότε μπορούν να τοποθετηθούν μέχρι 512/3=170 τέτοιοι προβολείς και να περισσέψουν και 2 slots (3x170+2=512).

Αυτές είναι οι πιο απλές περιπτώσεις, αλλά υπάρχουν όμως όπως θα έχετε δει στα διάφορα clubs, προβολείς που υποστηρίζουν pan/tilt (δηλαδή περιστρέφονται) και γενικά έχουν διάφορους βαθμούς ελευθερίας κίνησης. Κάθε βαθμός λοιπόν ελευθερίας είναι ουσιαστικά ένα slot από το DMX Universe. Επομένως αν έχουμε έναν WRGB (= RGB με ξεχωριστό λευκό) προβολέα με βαθμούς ελευθερίας κίνησης , τότε θα έχει 4 slots για το χρώμα, ένα slot για την οριζόντια περιστροφή, ένα για την κάθετη, ένα για την περιστροφική κ.λ.π. Εδώ βλέπουμε ότι η τιμή του κάθε slot πλέον δεν είναι μόνο μια στάθμη έντασης φωτεινότητας όπως στο WRGB, αλλά οι υπόλοιπες τιμές αφορούν μοίρες. Αντίστοιχα σε μια συσκευή καπνού η τιμή του slot αντιπροσωπεύει την ροή του καπνού κ.ο.κ.

DMX Controllers

Αν και προσωπικά δεν ασχολούμαι με τον φωτισμό και δεν έχω κάποια σχέση με το επαγγελματικό αυτό αντικείμενο (είτε του DJ του οποίου ο φωτισμός πλέον αποτελεί αναπόσπαστο κομμάτι του προγράμματός του), με εντυπωσίαζε πάντα σαν τεχνολογία και ακόμα περισσότερο με εντυπωσίαζε το κόστος των υλικών του. Δηλαδή οι DMX συσκευές ακόμα είναι ακριβές να τις αποκτήσει κανείς, παρόλο που οι Κινέζοι έχουν εισέλθει χρόνια σε αυτή την αγορά. Επομένως ήθελα να φτιάξω ένα DMX controller (master δηλαδή) με φθηνά υλικά, ο οποίος θα υποστηρίζει τουλάχιστον ένα DMX Universe. Οι πιο “γνωστοί” controllers αυτή τη στιγμή στον χώρο είναι της DMXkingκαι οι OpenDMX της Enttec.

Υπάρχουν διάφοροι τύποι DMX controllers και χωρίζονται σε δυο βασικές κατηγορίες αυτές που έχουν USB interface και αυτές που έχουν Ethernet interface. Οι USB είναι οι φθηνότερες φυσικά και το κόστος μια τέτοιας συσκευής είναι περίπου $150, αν υποστηρίζει και buffering. Το buffering ουσιαστικά σημαίνει ότι η συσκευή έχει έναν buffer, ο οποίος επαναλαμβάνει πάντα το τελευταίο πακέτο που έλαβε, ώστε να μειώνεται το flickering στα φώτα. Επίσης δεν χρειάζεται το PC ή η κονσόλα που στέλνει συνέχεια δεδομένα στον controller ή να αναλαμβάνει τον χρονισμό και επομένως μειώνεται το bandwidth και η επεξεργαστική ισχύ που χρειάζεται.

 

Ο άλλος τύπος DMX controller είναι ο Ethernet (ή Art-Net όπως θα δούμε παρακάτω) και αυτοί οι τύποι controller είναι πιο ακριβοί, ξεκινώντας από $150 στην πιο απλή μορφή τους. Οι πιο “γνωστές” συσκευές αυτού του τύπου είναι το OpenDMX ODE της Enttec στα €199 και το eDMX1 της DMXking. Φυσικά υπάρχουν και άλλες πολλές που μπορείτε να βρείτε στο eBay, απλά αυτές είναι μέχρι στιγμής οι πιο διαδομένες στον χώρο, αν και οι δυναμικές στον χώρο αλλάζουν γρήγορα και μπορεί να βρει κανείς ακόμα και controllers από το Ισραήλ που να υποστηρίζουν μέχρι και 6 Universes στα ίδια χρήματα.

 

Και στις δυο περιπτώσεις των παραπάνω τύπων, το μόνο που αλλάζει είναι το interface της επικοινωνίας από την κονσόλα (π.χ. ένα PC) με τον controller (την συσκευή μας). Το υπόλοιπο κομμάτι, δηλαδή η επικοινωνίας του controller (master) με τις slave συσκευές, είναι ακριβώς το ίδιο. Οπότε για πιο λόγο να επιλέξει κανείς το ένα από το άλλο; O λόγος είναι απλός και έχει να κάνει με την συνδεσιμότητα και την επεκτασιμότητα. Στην περίπτωση του USB θα πρέπει πάντα ο controller να είναι δίπλα στην κονσόλα και ο αριθμός των DMX Universes (δηλαδή των controllers) περιορίζεται πάντα στον μέγιστο αριθμό των θυρών USB που έχει η κονσόλα. Στην περίπτωση όμως του Ethernet δεν υπάρχουν τέτοιοι περιορισμοί! Οπότε μπορούμε να έχουν έναν πολύ μεγαλύτερο αριθμό από DMX Universes και σε απόσταση πολύ μεγαλύτερη. Οπότε επέλεξα να κινηθώ προς το Ethernet.

Τι θα λέγατε λοιπόν αν αντί να δώσουμε $150 ή €199 ευρώ για να πάρουμε μια τέτοια συσκευή φτιάχναμε μία μόνοι μας με... €15; Ναι και όμως, δεν χρειάζονται παραπάνω χρήματα.

Πριν πάμε όμως σε αυτό το σημείο, ας πούμε λίγη ακόμα βαρετή θεωρία που αφορά τους Ethernet controllers.

Art-Net και λοιποί δαίμονες

Για να δουλέψει ένας Ethernet DMX controller, χρειάζονται κάποια πράγματα. Βασικά χρειάζονται κάποια πρωτόκολλα επικοινωνίας μεταξύ του controller και της κονσόλας, ώστε να μπορεί να μεταφερθεί η πληροφορία στον controller. Παλιά σε αυτό τον τομέα υπήρχε το χάος και η κάθε εταιρία είχε το δικό της πρωτόκολλο, αλλά πλέον έχουν υπερισχύσει 2-3 εκ των των οποίων το ένα ονομάζεται Art-Net. Υπάρχουν και άλλα πρωτόκολλα, όπως το sACN, αλλά δεν θα ασχοληθούμε με αυτό και δεν θα το υλοποιήσουμε μιας και το πρώτο χρησιμοποιείται παντού και συνεργάζεται με όλες τις Ethernet κονσόλες. Ένας Ethernet controller μπορεί να υποστηρίζει και περισσότερα από ένα πρωτόκολλα ή και όλα μαζί, αν φτάνουν οι δυνατότητες του hardware. Επίσης έχω υλοποιήσει και ένα δικό μου απλό πρωτόκολλο για να μπορεί κάποιος να πειραματιστεί πιο εύκολα, χωρίς να χρειάζεται να μπει στα υπόλοιπα δυσνόητα πρωτόκολλα.

Το Art-Net είναι ένα UDP Ethernet πρωτόκολλο και δημιουργήθηκε από την Artistic License Engineering για τις δικές της ανάγκες, αλλά λόγο του ότι ο δημιουργός του επέλεξε να το κάνει ανοιχτό πρωτόκολλο, ήταν στιβαρό και τεχνικά βελτιστοποιημένο από τον ανταγωνισμό επικράτησε. Το Art-Net αυτή τη στιγμή έχει φτάσει στην τρίτη έκδοσή του και λεπτομέρειες γι' αυτό μπορείτε να διαβάσετε εδώ. Η δύναμη του Art-Net, μεταξύ άλλων, είναι ότι μπορεί να υποστηρίξει μέχρι και 32.768 DMX Universes. Δηλαδή μπορεί να υπάρχουν στο ίδιο δίκτυο μέχρι 32.768 controllers από 512 slots o καθένας ή σύνολο 16.777.216 φώτα, μόνο.

Εδώ να επαναλάβω ότι το Art-Net αφορά μόνο την επικοινωνία του controller με την κονσόλα και όχι το ίδιο το DMX. Γι' αυτό θα δώσω και ένα παράδειγμα. Έστω ότι έχουμε μια κονσόλα (ένα PC δηλαδή) και θέλουμε να ελέγξουμε ένα DMX προβολέα με την χρήση ενός Ethernet controller. Τότε χρειαζόμαστε έναν Ethernet controller που να υποστηρίζει Art-Net πρωτόκολλο και στον οποίο επάνω του έχουμε συνδέσει μέσω RS-485 ένα DMX προβολέα. Άρα ο controller σαν master επικοινωνεί με τον slave προβολέα μέσω του DMX512-A πρωτοκόλλου, αλλά ο controller παίρνει τις εντολές από την κονσόλα μέσω Ethernet και του Art-Net πρωτοκόλλου. Δηλαδή τα DMX512-A δεδομένα ξεκινούν από την κονσόλα ενσωματωμένα μέσα στο Art-Net πρωτόκολλο, μόλις φτάσουν στον controller αυτός τα ξεφλουδίζει και αφαιρεί το Art-Net και στην συνέχεια επαναλαμβάνει τα DMX δεδομένα στο RS-485 κανάλι για να τα ακούσουν όλοι οι slaves πάνω στην αλυσίδα.

Το Art-Net εκτός από τo DMX512-A υποστηρίζει το encapsulation (την ενσωμάτωση δηλαδή) και του RDM πρωτοκόλλου, για το οποίο δεν αναφέραμε τίποτα μέχρι στιγμής καθώς δεν θα το υλοποιήσουμε, γιατί αφορά μόνο επαγγελματικό και ακριβό εξοπλισμό. To RDM ή αλλιώς Remote Device Management protocol, είναι ένα πρωτόκολλο, το οποίο χρησιμοποιείται στον φωτισμό για να ελέγχει τις DMX συσκευές, να τις αναγνωρίζει πάνω στην αλυσίδα και να τις προγραμματίζει (π.χ. την διεύθυνση, αλλά και άλλες παραμέτρους). Όπως και το DMX512-A, το RDM είναι ελεγχόμενο πρωτόκολλο και υπόκειται στα ESTA standards και το αναφέρω για να υπάρχει μια πιο πλήρης εικόνα.

Τέλος σαν το Art-Net υπάρχουν και άλλα IP πρωτόκολλα όπως το sACN/ACN, το οποίο είναι μεν πιο σύνθετο και πιο πλήρης καθώς υποστηρίζει και ανίχνευση συσκευών στο IP δίκτυο, αλλά δεν υπερισχύει του Art-Net σε κάτι ουσιαστικό στην χρήση. Γενικά μόνο αναφέρω ότι από άποψη δυσκολίας όσων αφορά την υλοποίηση του πρωτοκόλλου, περιέχει multicast και service discovery (SDP) δικτυακά πρωτόκολλα, τα οποία είναι φυσικά υλοποιήσιμα, αλλά απαιτούν μεγαλύτερη χωρητικότητα στην ROM του controller και μνήμη, τα οποία όμως στην κατασκευή μας είναι περιορισμένα.

Κατασκευή

Επιτέλους φτάσαμε στην κατασκευή. Απ' ότι έχετε καταλάβει μέχρι στιγμής για να υλοποιήσουμε έναν DMX controller, από άποψη hardware χρειαζόμαστε τρία πράγματα. Έναν επεξεργαστή, ένα Ethernet interface και ένα RS-485 interface. Για καλή μας τύχη, υπάρχουν πάρα πολλές έτοιμες συσκευές στο εμπόριο που έχουν αυτά τα χαρακτηριστικά και πωλούνται σε ιδιαίτερα χαμηλές τιμές. Μια τέτοια συσκευή λοιπόν θα χρησιμοποιήσουμε και εμείς και με το απαραίτητο software hacking θα την μετατρέψουμε σε έναν Ethernet DMX controller.

Η συσκευή που θα χρησιμοποιήσουμε ονομάζεται USR-TCP232-24, η χρήση της είναι ως RS232/485 to Ethernet interface και μπορείτε να την αγοράσετε με €15 περίπου στο eBay!

 

Αυτή η συσκευή έχει ακριβώς ότι χρειαζόμαστε και συγκεκριμένα έναν επεξεργαστή 32-bit ARM Cortex της NXP και συγκεκριμένα τον LPC1114/302, ένα DM9000 ISA to Ethernet MAC controller με ενσωματωμένο το 10/100 PHY, ένα RS-232 interface και ένα RS-485 interface. Ας δούμε λίγο περιληπτικά τα chips τα οποία βρίσκονται στην συσκευή αυτή.

NXP LPC1114/302
Αυτός είναι ένας 32-bit ARM Cortex επεξεργαστής με συχνότητα 50MHz, 32KByte flash ROM, 8KByte SRAM και ένα UART με full modem interface. Τα υπόλοιπα του χαρακτηριστικά δεν έχουν σημασία για το project μας. Ο επεξεργαστής αυτός θα κάνει όλη τη δουλειά. Θα επικοινωνεί μέσω του Ethernet interface με την κονσόλα, θα στέλνει τα DMX δεδομένα στο RS-485, θα παραμετροποιείται και θα προγραμματίζεται μέσω της σειριακής RS-232 και θα υλοποιεί εσωτερικά όλα τα πρωτόκολλα. Δηλαδή θα κάνει όλη τη δουλειά με το firmware που θα τρέχει.

DM9000
Το DM9000 της Davicom, είναι ένας ISA to Ethernet MAC controller με ενσωματωμένο ένα 10/100 PHY. Βαρύγδουπος τίτλος για ένα τόσο μικρό εξάρτημα. Το μόνο που κάνει ουσιαστικά είναι ότι αναλαμβάνει την επικοινωνία πάνω στο Ethernet δίκτυο. Έχει δικό του επεξεργαστή ο οποίος προγραμματίζεται σε πραγματικό χρόνο από τον ARM μέσω του firmware, ώστε να τελεί συγκεκριμένες λειτουργίες. Ο προγραμματισμός του αφορά το σετάρισμα του PHY ώστε να συνδεθεί σε ένα Ethernet δίκτυο και στην συνέχεια η αποστολή και παραλαβή των δεδομένων από αυτό. Αυτό ίσως είναι από τα δυσκολότερα κομμάτια στην υλοποίηση, γιατί οι παράμετροι είναι πάρα πολλές και η φύση του Ethernet τέτοια, που απαιτούνται γνώσεις όχι μόνο σε software, αλλά σε και σε hardware επίπεδο ώστε να λειτουργήσει σωστά. Είναι η βάση του Ethernet και λίγο πολύ όλες οι κάρτες δικτύου λειτουργούν με τον ίδιο τρόπο, μιας και το DM9000 το συναντά κανείς σε πολλές παλιές κάρτες δικτύου.

RS-232/RS-485
Το UART του ARM συνδέεται ταυτόχρονα σε ένα RS-232 και ένα RS-485 interface. Υπήρχε μια παλιότερη έκδοση του ίδιου PCB που επιλογή ανάμεσα στα δυο γινόταν μέσω jumpers, αλλά στην νέα έκδοση που υπάρχει πλέον στο eBay συνδέονται και τα δυο ταυτόχρονα. To RS-485 χρησιμοποιείται μόνο για την μετάδοση των DMX δεδομένων, ενώ το RS-232 επέλεξα να το χρησιμοποιώ για τον προγραμματισμό του controller και για να του σετάρω την MAC address, την IP και κάποιες άλλες παραμέτρους που θα δούμε αργότερα.

Επομένως αυτή είναι η συσκευή που θα χρησιμοποιήσουμε. Θα την hack-άρουμε γράφοντας άλλο firmware και θα την κάνουμε αυτό που θέλουμε εμείς, δηλαδή έναν Ethernet DMX controller με υποστήριξη Art-Net.

DMX slave

Είδαμε λοιπόν ποιος θα είναι ο controller, αλλά με τα φώτα τι γίνεται; Θα χρειαστούμε κάποιο ακριβό εξοπλισμό DMX; Ευτυχώς όχι. Αυτό είναι είναι ένα ανεξάρτητο κομμάτι από το υπόλοιπο project, αλλά θα πρέπει να το δούμε γιατί δεν έχει νόημα να φτιάξουμε έναν controller χωρίς να έχει κάτι να ελέγχει.

Επομένως αποφάσισα να φτιάξω ένα ρεαλιστικό σενάριο RGB φωτισμού για ένα σπίτι. Γι' αυτό θα χρειαστούμε μερικά μέτρα RGB ταινίες LED, 12V τροφοδοτικά για την τροφοδοσία των LED και ένα RGB DMX Decoder/Driver. Τι είναι το τελευταίο; Ο RGB DMX decoder είναι μια συσκευή η οποία θα μετατρέψει την RGB ταινία LED, σε έναν DMX slave και η συσκευή που θα χρησιμοποιήσουμε είναι η PX24506 και η τιμή της στο eBay είναι στα €15 περίπου. Αυτό είναι ένα εξτρά κόστος, όπως και οι ταινίες LED, αλλά όπως είπαμε δεν είναι μέρος του project.

 

Αυτό που κάνει το PX24506 είναι ότι έχει μια είσοδο και μια έξοδο για DMX512-A, από την οποία είσοδο λαμβάνει τα DMX δεδομένα. Έχει μια είσοδο τροφοδοσίας 12V την οποία χρησιμοποιεί ο driver για να μετατρέψει τα DMX δεδομένα σε ρεύμα στα 3 κανάλια εξόδου RGB. Και τέλος έχει μια RGB έξοδο στην οποία συνδέεται η ταινία LED.

Όπως βλέπετε και στην εικόνα του decoder έχει κάποια dip-switches. Αυτά όπως είχαμε αναφέρει και νωρίτερα είναι τα dip-switches τα οποία δίνουν διεύθυνση στον decoder και καθορίζουν τα slots τα οποία αποκωδικοποιεί. Επομένως αν έχει την διεύθυνση 0 (μην μπερδευτείτε με το slot 0 του DMX που χρησιμοποιείται για τον συγχρονισμό), τότε ο decoder όταν έρχεται ένα DMX πακέτο ξέρει ότι του ανήκουν τα slots 1 έως και 3, οπότε από αυτά θα αποκωδικοποιεί τις στάθμες για τα RGB και ο driver θα δίνει ένα ρεύμα αντίστοιχο της στάθμης σε κάθε κανάλι χρώματος.

Firmware

Όσον αφορά το firmware της συσκευής γι' αυτό το άρθρο, δεν θα δώσω το source code, αλλά μόνο το HEX αρχείο το οποίο χρειάζεται κάποιος ώστε να λειτουργήσει η συσκευή. Με το firmware αυτό η συσκευή έχει πλήρη λειτουργικότητα και υποστηρίζει DMX512-A και Art-Net v3. Επειδή το Art-Net είναι μεγάλο πρωτόκολλο και το API του υποστηρίζει πολλές λειτουργίες, έχω καλύψει τις πιο ουσιαστικές. Η πλήρης λίστα με τις υποστηριζόμενες λειτουργίες του API ακολουθεί στο τέλος αυτής της σελίδας.

Για να γράψετε το firmware στην συσκευή θα χρειαστείτε ένα πρόγραμμα που λέγεται Flash Magic, μια σειριακή RS-232 θύρα και ένα null modem RS-232 καλώδιο. Την στιγμή που γράφεται το άρθρο, το Flash Magic είναι στην έκδοση 9.30, προσωπικά χρησιμοποιώ παλιότερη έκδοση, αλλά αυτό δεν θα πρέπει να σας επηρεάσει. Συνεχίζοντας, αν ο υπολογιστής σας δεν έχει σειριακή θύρα, τότε χρειάζεστε ένα USB-to-RS-232 καλώδιο, το οποίο συνδέεται σε μια USB θύρα του υπολογιστή και στην άλλη άκρη του έχει το κλασσικό DB9 αρσενικό βύσμα του RS-232. Επομένως συνδέετε την μια άκρη του καλωδίου στην θύρα USB και την άλλη στην RS-232 θύρα της πλακέτας.

Στο σημείο αυτό, πριν προγραμματίσετε την πλακέτα θα πρέπει πρώτα να καταγράψετε την MAC address που έχει ήδη η συσκευή. Αυτό δεν είναι απαραίτητο βήμα, αλλά δεν είναι κακό να χρησιμοποιήσετε την ήδη υπάρχουσα MAC, κυρίως για να μην υπάρχουν conflicts πάνω στο δίκτυο σας. Αν δεν σας νοιάζει, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε όποια θέλετε. Επομένως, για να διαβάσετε την ήδη υπάρχουσα MAC address, συνδέστε το βύσμα του Ethernet στην συσκευή και δώστε της τροφοδοσία. Περιμένετε μερικά δευτερόλεπτα να συνδεθεί στο δίκτυο και μετά υπάρχουν διάφοροι τρόποι να δείτε την MAC. Αν έχετε πχ κινητό android μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το Fing ή κάτι άλλο αντίστοιχο αν έχετε κάποιο i-phone. Μια άλλη μέθοδος είναι να χρησιμοποιήσετε το πρόγραμμα που δίνει η εταιρία στο cd με το οποίο έρχεται με την συσκευή, το οποίο θα χρειαστεί ούτως ή άλλως να τρέξετε για να δώσετε IP διεύθυνση στο module. Αφού δώσετε IP με τον τρόπο που περιγράφεται στο manual, τότε κάνετε από ένα command prompt την συσκευή ping με την εντολή π.χ. “ping 192.168.1.7”, αν αυτή είναι η IP της πλακέτας. Επομένως με τον τρόπο αυτό ενημερώνεται το ARP table του υπολογιστή, οπότε αν τρέξετε στο prompt την εντολή “arp -a”, τότε θα τυπωθεί μια λίστα με όλες τις γνωστές IP και τις MAC διευθύνσεις τους, οπότε σημειώνετε κάπου την MAC της συσκευής από την IP της.

Ας επιστρέψουμε στον προγραμματισμό της συσκευής. Το Flash Magic λοιπόν, μπορεί να προγραμματίσει όλες τις συσκευές της NXP που ανήκουν στην κατηγορία LPC και επομένως τον LPC1114/301. Αφού κατεβάσετε το πρόγραμμα και το κάνετε εγκατάσταση, συνδέστε την συσκευή με το RS-232 καλώδιο, χωρίς τροφοδοσία. Πάνω στην συσκευή υπάρχει ένα pin header με ένα jumper το οποίο έχει 3 θέσεις, μια που λέει UDP μια GND και μια CFG. Η default θέση του είναι στο GND.

 

Τοποθετήστε το jumper αυτό στην θέση CFG και τροφοδοτήστε την με ένα dc τροφοδοτικό από 5 έως 12V (προσωπικά χρησιμοποιώ ένα τροφοδοτικό 6V). Μόλις δώσετε ρεύμα στην συσκευή, τότε αυτή μπαίνει σε flash mode, οπότε μπορείτε να την προγραμματίσετε. Στην συνέχεια στο Flash Magic πατήστε το Browse και διαλέξτε το HEX file (που κατεβάζετε από εδώ). Πατήστε “Select Device” και διαλέξτε τον LPC1114/301, διαλέξτε την COM port που αντιστοιχεί στο σειριακό σας καλώδιο, επιλέξτε “None (ISP)” στο Interface και πληκτρολογήστε 25 στο πεδίο του “Oscillator”, όσα δηλαδή τα Mhz του κρυστάλλου.

 

Τέλος επιλέξτε στο Step 2 το “Erase all Flash+Code Rd Prot” και στο Step 4 το “Verify after programming” και πατήστε το κουμπί “Start” για να ξεκινήσει η εγγραφή του δικού μας firmware στην συσκευή.

 

Συγχαρητήρια μόλις καταστρέψατε την προηγούμενη σας συσκευή και χάσατε την εγγύηση... Όμως τώρα έχετε ένα DMX controller, κάτι είναι και αυτό.

Αυτή είναι και η λίστα με τις υποστηριζόμενες εντολές του Art-Net πρωτοκόλλου, που αναφέρθηκε στην αρχή (την κάνω copy-paste) κατευθείαν από τον κώδικα.
typedef enum {
ARTNET_POLL = 0x2000,
ARTNET_REPLY = 0x2100,
ARTNET_DMX = 0x5000,
ARTNET_ADDRESS = 0x6000,
ARTNET_INPUT = 0x7000,
ARTNET_TODREQUEST = 0x8000,
ARTNET_TODDATA = 0x8100,
ARTNET_TODCONTROL = 0x8200,
ARTNET_RDM = 0x8300,
ARTNET_VIDEOSTEUP = 0xa010,
ARTNET_VIDEOPALETTE = 0xa020,
ARTNET_VIDEODATA = 0xa040,
ARTNET_MACMASTER = 0xf000,
ARTNET_MACSLAVE = 0xf100,
ARTNET_FIRMWAREMASTER = 0xf200,
ARTNET_FIRMWAREREPLY = 0xf300,
ARTNET_IPPROG = 0xf800,
ARTNET_IPREPLY = 0xf900,
ARTNET_MEDIA = 0x9000,
ARTNET_MEDIAPATCH = 0x9200,
ARTNET_MEDIACONTROLREPLY = 0x9300
} artnet_packet_en;
Και αυτά είναι τα αποτελέσματα από το compilation του κώδικα, οπότε είναι ~21KB ο κώδικας στην flash και 4.5KB στην RAM.


 

Για το compilation χρησιμοποιήθηκε ο compiler MDK-ARM για ARMv7 της Keil, ο οποίος για μέχρι 32ΚΒ κώδικα στην flash είναι δωρεάν και μπορείτε να τον κατεβάσετε από το site της Keil, σε περίπτωση που θελήσετε να επιχειρήσετε κάτι παρόμοιο. Επίσης η βιβλιοθήκη για το TCP/IP stack που χρησιμοποίησα είναι η UIP την οποία την έκανα port για τον LPC1114, αλλά χρειάστηκε να της κάνω αρκετές μετατροπές ώστε να υποστηρίζει UDP broadcasting και multicasting και το IGMP πρωτόκολλο, τα οποία δεν υποστηρίζει από μόνη της. Επίσης για όσους θελήσουν να ασχοληθούν, το πιο δύσκολο ακόμα και από το να κάνετε port το UIP στον ARM είναι να γράψετε τον driver για τον DM9000 ώστε να τον ενσωματώσετε στο UIP, οπότε αν κάποιος χρειαστεί βοήθεια με αυτό ας μου στείλει μήνυμα ή να μου γράψει εδώ, καθώς δεν θα βρείτε τίποτα έτοιμο από αυτά στο internet.

Συνδεσμολογία

Ήρθε η ώρα τώρα να ενώσετε το παζλ με όλα τα κομμάτια που χρειάζονται. Αρχικά ας κάνουμε μια λίστα με τα υλικά που χρειάζονται

• USR-TCP232-24 (προγραμματισμένο με το δικό μου firmware)
• PX24506, που είναι ο RGB decoder
• Μια RGB ταινία LED
• Ένα τροφοδοτικό 12V

ebay










 

 
Στην συνέχεια θα πρέπει να συνδέσετε το DMX ανάμεσα στον controller και τον decoder. Η μικρή πράσινη κλέμα που φαίνεται στην εικόνα παρακάτω είναι η έξοδος του RS485 του DMX controller και αυτή θα πρέπει να συνδεθεί στον PX24506 decoder όπως δείχνει η παρακάτω εικόνα.




 

 
Όπως βλέπετε και στην προηγούμενη εικόνα το D+ του DMX IN του decoder συνδέεται στο εσωτερικό μέρος της κλέμας του controller και το D- του DMX IN στο εξωτερικό. Επίσης το GND του DMX IN συνδέεται στο GND του controller που κολλήσαμε στο προηγούμενο βήμα. H τροφοδοσία του DMX decoder που είναι το V- και V+ στην κλέμα του 12V-24V DC INPUT, την συνδέετε σε ένα τροφοδοτικό όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα.




 

 
Βλέπετε πως το άσπρο/μαύρο καλώδιο συνδέετε στο V- και στις δυο περιπτώσεις, ενώ το σκέτο μαύρο στο V+. Χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή στην χρήση του τροφοδοτικού γιατί στην ίδια κλέμα βρίσκονται και τα 220V της AC τροφοδοσίας του τροφοδοτικού, οπότε ΠΡΟΣΟΧΗ!
 
Αν τώρα έχετε περισσότερους από έναν decoders με διαφορετικές RGB ταινίες στον καθένα, τότε θα πρέπει το DMX output του κάθε decoder να συνδέεται στο DMX input του επόμενου decoder στην αλυσίδα, όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα.




 

 
Για να συνδέσετε την ταινία LED με τον decoder θα πρέπει να συνδέσετε σωστά τα χρώματα και την άνοδο. Προσοχή όμως, καθώς κάποιες ταινίες LED μπορεί να μην έχουν την ίδια σειρά στα R,G,B, οπότε θα πρέπει να κάνετε μόνοι σας την σωστή αντιστοιχία βάση των γραμμάτων επάνω στην ταινία LED και στον decoder. Αλλά αυτό ορισμένες φορές δεν αρκεί! Όσο περίεργο και να ακούγεται, υπάρχουν και κινέζικες παρτίδες από ταινίες LED που η μεταξοτυπία πάνω στην ταινία είναι... λάθος. Οπότε μπορεί να γράφει G και να είναι μπλε και Β και να είναι πράσινο, δηλαδή να είναι ανάποδα τα δυο χρώματα. Αυτό μπορείτε να το καταλάβετε είτε στέλνοντας στον controller τρεις τιμές που να είναι [R,G,B] 255,0,0 - 0,255,0 - 0,0,255 ώστε να δείτε κάθε χρώμα ξεχωριστά.
 
Αφού κάνετε τις συνδεσμολογίες τότε διπλο-τριπλο-ελέγξτε ότι είναι όλα σωστά πριν βάλετε κάτι στο ρεύμα, γιατί υπάρχει πάντα η πιθανότητα αντί για χρωματιστά φώτα να να δείτε χρωματιστούς καπνούς, οι οποίοι δεν θα μυρίζουν καθόλα ωραία.
 

Πριν πάρετε την ταινία με τα LED είναι σημαντικό να ξέρετε εκ των προτέρων τις απαιτήσεις για την εφαρμογή που θέλετε να κάνετε. Δυστυχώς στο σημείο αυτό, δεν μπορώ να κάνω πλήρη ανάλυση, καθώς δεν είναι ο σκοπός του άρθρου, οπότε θα μείνω σε μερικά βασικά στοιχεία. Όσον αφορά την ταινία LED υπάρχουν 2 κύριες κατηγορίες και μετά διάφορες υποκατηγορίες. Οι 2 κύριες κατηγορίες είναι αν τα LED θα είναι μονοχρωματικά ή έγχρωμα (RGB). Ο καθένας χρησιμοποιεί ότι θέλει, αλλά προσωπικά χρησιμοποιώ RGB και αυτό θα δούμε και στο άρθρο. Ωστόσο θα κάνω μια παρένθεση εδώ για τα μονοχρωματικά για να επισημάνω ότι με το setup που έχουμε ο PX24506, μπορεί να χειριστεί 3 διαφορετικά κανάλια, οπότε μπορούμε να τον εκμεταλλευτούμε ώστε να χειριστούμε 3 μονοχρωματικές ταινίες LED αν θέλουμε. Συνεχίζοντας στις RGB ταινές LED, υπάρχουν 2 κατηγορίες ανάλογα με τον τύπο του LED, ο οποίος μπορεί να είναι ο 3528 ή ο 5050 (οι πιο διαδεδομένοι τύποι αυτή τη στιγμή). Οι κύριες διαφορές τους είναι από την μια το μέγεθος, η κατανάλωση και η φωτεινότητα που στην περίπτωση του 3528 είναι μικρότερα. Ο κωδικός 3528 σημαίνει 3.5x2.8mm που είναι η διάσταση του LED, οπότε αντίστοιχα 5050 σημαίνει 5.0x5.0mm. Επίσης η άλλη διαφορά είναι ότι η 3528 ταινία αποτελείται από 3 ξεχωριστά μονοχρωματικά LEDs που κάνουν το RGB, ενώ η 5050 μόνο από τριχρωματικά RGB LEDs. Τέλος θα συναντήσετε άλλες 2 κατηγορίες που είναι οι αδιάβροχες ή μη ταινίες, που η διαφορά τους είναι ότι οι πρώτες είναι κυρίως για εξωτερικούς χώρους. Ταινίες LED θα βρείτε πολύ φθηνές στο , απλά προτείνω να επιλέξτε να είναι 5050 και όχι αδιάβροχες αν είναι για κλειστό χώρο, γιατί αλλιώς θερμαίνονται πολύ. Για να παίξει κάποιος ένα reel των 5m RGB ταινίας είναι αρκετά, αλλά εξαρτάται και τι θέλει να κάνει κάποιος, οπότε θα πρέπει να υπολογίσει να έχει και κάποιο ανάλογο τροφοδοτικό που να μπορεί να δώσει τόσο ρεύμα. Συνήθως την κατανάλωση της ταινίας την μετράνε ανά μέτρο, οπότε μια RGB ταινία από αυτές που κυκλοφορούν στο ebay, μπορεί να έχει κατανάλωση από 7.5W/m μέχρι και 14W/m. Γενικά όμως στις φθηνές ταινίες LED που θα βρείτε στο ebay θα δείτε ότι είναι ταινίες με 60 LEDs ανά μέτρο και οι πωλητές δίνουν τροφοδοτικά των 12W/m, δηλαδή 60W στα 5m, οπότε κάτι παρόμοιο μπορείτε να υπολογίσετε και εσείς. Υπόψη ότι μέσα στην ισχύ αυτή έχει υπολογιστεί ένας “αέρας”, ώστε το τροφοδοτικό να μην δίνει το μέγιστο του ρεύμα και να δουλεύει οριακά, ώστε να μην υπερθερμαίνεται. Οπότε προχωράμε με τον κανόνα των 60W/m για τις ταινίες με RGB led τύπου 5050. Για μεγάλα μήκη θα χρειαστείτε περισσότερα τροφοδοτικά ή να φτιάξετε loops, αλλά δεν είναι αντικείμενο του παρόντος άρθρου. Από το ίδιο τροφοδοτικό μπορείτε αν θέλετε να τροφοδοτήσετε ταυτόχρονα και τον DMX controller και το PX24506. Εδώ θα χρειαστεί να κάνετε μια μικρή τροποποίηση στην πλακέτα ώστε να πάρετε ένα GND το οποίο χρειάζεται για το RS485. Για να το κάνετε αυτό θα πρέπει να κολλήσετε ένα καλώδιο στο GND της τροφοδοσίας που είναι πιο εύκολο. Η επόμενη εικόνα δείχνει που το κολλάτε στο κάτω μέρος της πλακέτας και όπως θα δείτε έχω κολλήσει ένα ποδαράκι από μια αντίσταση για ευκολία και να το χρησιμοποιώ και σαν pin για τον παλμογράφο και ότι άλλο χρειαστεί. 

Χρήση και παραμετροποίηση
 
Για να ρυθμίσετε τις παραμέτρους της συσκευής, αφαιρέστε την τροφοδοσία από την συσκευή και τοποθετήστε το jumper στην θέση CFG. Τώρα μόλις επαναφέρετε την τροφοδοσία η συσκευή θα μπει στο configuration mode που έχω φτιάξει. Στο mode αυτό, δεν λειτουργεί πια το RS485, αλλά το UART γίνεται ένα σειριακό με στοιχεία 115200 8Ν1. Για να συνδεθείτε στην συσκευή κατεβάστε το Terminal από εδώ, αποσυμπιέστε το και τρέξτε το exe αρχείο. Δώστε τα στοιχεία που φαίνονται στην παρακάτω εικόνα, αλλάζοντας την COM στην δική σας αντίστοιχη, πατήστε Connect, συνδέστε και ένα Ethernet καλώδιο στην συσκευή και δώστε τροφοδοσία και θα πρέπει να δείτε τα παρακάτω.



 

 
Αυτό σημαίνει ότι ο επεξεργαστής τρέχει στα 48Mhz η MAC address είναι η default (10:20:30:40:50:60) και οι default πόρτες είναι οι 6454 (UDP για το Art-Net) και 7171 (TCP για το δικό μου πρωτόκολλο). Αν τώρα στο πεδίο του Send γράψετε HELP και πατήστε Enter, τότε θα δείτε έναν οδηγό με τις υποστηριζόμενες εντολές.



 

 
Με την TRACE μπορείτε το level με το οποίο θα κάνει debug tracing η συσκευή. Το default είναι να κάνει tracing τα πάντα, αλλά αν θέλετε να το αλλάξετε θα πρέπει να δηλώσετε τα levels που θέλετε βάση του επόμενου structure.
typedef enum {
TRACE_LEVEL_GENERIC = 1,
TRACE_LEVEL_DM9K = 2,
TRACE_LEVEL_UIP = 4,
TRACE_LEVEL_RGB = 8,
TRACE_LEVEL_DMX = 16,
TRACE_LEVEL_ARTNET = 32,
TRACE_LEVEL_UDP = 64
} en_TRACE_LEVELS;
Το level 1 δηλαδή το bit-0 είναι μόνο οι γενικές πληροφορίες, το οποίο μάλλον αυτό θα χρειαστείτε τις περισσότερες φορές. Το bit-1 είναι για το debugging του DM9000, το bit-2 για την βιβλιοθήκη του UIP, το bit-3 για το RGB, bit-4 για το DMX, bit-5 για το Art-Net και το bit-6 για το UDP. Οπότε αν θέλετε μόνο γενικές πληροφορίες στέλνετε το “TRACE=1”, αν θέλετε να δείτε τι trace level έχει τώρα στέλνετε “TRACE?”, οπότε η συσκευή θα απαντήσει 127.
 
Οι σημαντικές εντολές είναι αυτές που προγραμματίζετε την συσκευή, οπότε αν θέλετε να δείτε πως είναι ήδη προγραμματισμένη στέλνετε τις εντολές με ερωτηματικό στο τέλος και για να αλλάξετε μια τιμή βάζετε ένα ίσον και την τιμή που θέλετε. Οπότε για να δείτε όλες τις παραμέτρους της συσκευής στέλνετε
 
“HOSTIP?” και απαντά “Host IP: 192.168.1.234”
“MAC?” και απαντά “MAC: 10:20:30:40:50:60”
“GATEWAY?” και απαντά “Gateway: 192.168.1.1”
“SUBNET?” και απαντά “Subnet: 255.255.255.0”
 
Αυτά είναι οι default τιμές και μπορεί να μην έχουν καμία σχέση με το δίκτυο σας ή αυτές που θέλετε, οπότε για να τις αλλάξετε γράφετε τα παρακάτω:
HOSTIP=192.168.0.12
απάντηση: “IP from: 192.168.1.234 is set to: 192.168.0.12”
 
MAC= 34:34:DF:23:10:30
απάντηση: “MAC from: 10:20:30:40:50:60 is set to: 34:34:DF:23:10:30”
 
GATEWAY= 192.168.0.1
απάντηση: “Gateway from: 192.168.1.1 is set to: 192.168.0.1”
 
SUBNET= 255.255.0.0
απάντηση: “Subnet from: 255.255.255.0 is set to: 255.255.0.0”
 
Οι τιμές είναι τυχαίες, οπότε θα πρέπει να χρησιμοποιήσετε τις δικές σας ή να αφήσετε τις default.
 
Με την "RATE" αλλάζετε την ταχύτητα με την οποία αλλάζει ο controller από το ένα χρώμα στο άλλο, όταν χρησιμοποιήσετε το TCP πρωτόκολλο.
 
Με την "TCPMODE" επιλέγεται το mode του TCP πρωτοκόλλου, το default είναι το 0, που είναι το ASCII πρωτόκολλο (θα δούμε λεπτομέρειες αργότερα).
 
Με την "SAVE" σώζετε στην συσκευή τις αλλαγές που κάνατε και με την "RESTORE" επαναφέρεται τις default τιμές για όλο το configuration της συσκευής.
 
Αφού προγραμματίσετε και σετάρετε την συσκευή είναι πλέον έτοιμη προς χρήση. Αφαιρέστε την τροφοδοσία, αλλάξτε το jumper στην θέση GND και επαναφέρετε την τροφοδοσία ώστε να ξεκινήσει η συσκευή κανονικά την λειτουργία της ως DMX controller.
 

Παράδειγμα με την χρήση του TCP πρωτοκόλλου
 
Αφού έχετε τελειώσει με όλα τα προηγούμενα βήματα, τώρα μπορείτε να παίξετε με τα φώτα σας. Όπως είπαμε υπάρχουν διάφοροι τρόποι να το κάνετε αυτό, ο ένας είναι με κάποιο Art-Net console software από το PC ή το κινητό σας και ο άλλος με το δικό μου TCP πρωτόκολλο που έχω γράψει για την συσκευή. Θα δούμε και τους δυο τρόπους ξεκινώντας από το δικό μου πρωτόκολλο.
 
Το πρωτόκολλο είναι πολύ εύκολο, αλλά χρειάζεται μια μικρή διευκρίνηση για το πως λειτουργεί. Ενώ σε όλο το προηγούμενο άρθρο έχω αναφέρει για DMX slots κλπ, επέλεξα λόγο πρακτικής ευκολίας στο πρωτόκολλο να μην έχω slots, αλλά RGB πεδία. Επομένως έχω σπάσει τα 512 slots σε 170 RGB πεδία (οπότε περισσεύουν 2 slots στο τέλος), άρα στο πρωτόκολλο αυτό αναφερόμαστε σε RGB πεδία. Αυτό το έκανα ώστε να διευκολύνω την χρήση της συσκευής η οποία θα χρησιμοποιείται κατά κύριο λόγο σε RGB φωτισμό, που είναι και το πιο σύνηθες. Έτσι το κάθε RGB πεδίο πιάνει 3 slots ξεκινώντας από το πεδίο 1 που καταλαμβάνει τα slots 1,2 και 3 για τις τιμές του RGB του πρώτου πεδίου, οπότε αν έχετε πολλούς PX24506 RGB drivers (που ο καθένας χειρίζεται μια RGB ταινία LED), τότε μπορείτε μια εντολή να αλλάζετε την τιμή του driver και για τα τρία χρώματα. Ως αποτέλεσμα αυτού επίσης, διευκολύνεστε στο ότι όταν αναφέρεστε σε κάποιο πεδίο, τότε αυτό θα έχει τον ίδιο αριθμό με την DMX διεύθυνση του RGB controller γιατί και ο το κάθε PX24506 καταλαμβάνει ουσιαστικά 3 slots, ξεκινώντας από το slot της διεύθυνσης που έχει οριστεί στην συσκευή.
 
Για να συνδεθείτε στην συσκευή χρειάζεστε ένα απλό TCP client όπως το Hercules. Αφού το κατεβάσετε και το τρέξετε, τότε στο tab TCP client δώστε για IP την διεύθυνση της συσκευής και ως TCP πόρτα την 7171, πατήστε το Ping ώστε να δείτε αν βλέπετε την συσκευή πάνω στο δίκτυο και εν συνεχεία αφού δείτε ότι λάβατε ICMP ECHO απάντηση, πατήστε connect. Αφού συνδεθεί η συσκευή, έχετε τώρα 3 διαθέσιμες εντολές να στείλετε οι οποίες είναι οι παρακάτω:
 
RGB?
- Μόλις στείλετε αυτή την εντολή τότε η συσκευή απαντά με όλες τις τιμές από όλα τα RGB πεδία.
RGB=<πεδίο>,<R>,<G>,<B>
_{όπου <πεδίο>: ο αριθμός του RGB πεδίου (που αντιστοιχεί σε ένα PX24506) με τιμή από 1 έως 512
<R>: η τιμή του κόκκινου χρώματος από 0 έως 255
<G>: η τιμή του πράσινου χρώματος από 0 έως 255
<B>: η τιμή του μπλε χρώματος από 0 έως 255}
- Με την εντολή αυτή μπορείτε να αλλάξετε το χρώμα από οποιοδήποτε RGB πεδίο. Υπόψη το πεδίο θα έχει πάντα τον ίδιο αριθμό με την διεύθυνση του PX24506 που απευθύνεται.
RATE=<color change rate>
-Με την εντολή αυτή αλλάζετε την ταχύτητα με την οποία αλλάζει ο ρυθμός εναλλαγής από το ένα RGB χρώμα στο άλλο. Όσο πιο μικρός είναι ο αριθμός τόσο πιο γρήγορη η εναλλαγή.
 
Στην παρακάτω εικόνα φαίνονται τα δεδομένα που παίρνει ο TCP client όταν έχουμε συνδεθεί και στέλνουμε την εντολή “RGB?”.



 

 
Και στην παρακάτω εικόνα αφού έχουμε στείλει στο RGB κανάλι 1, την τιμή 255 για το κόκκινο και 0 για το πράσινο και το μπλε.



 

 
Κλείνοντας με το παράδειγμα του απλού πρωτοκόλλου, μπορείτε να δείτε το παρακάτω βίντεο στο οποίο στέλνω διάφορες τιμές στον controller μέσω του TCP client.




 

 
Το βίντεο δεν είναι πολύ καλής ποιότητας αφενός γιατί η κάμερα του κινητού μου είναι μιας παλιάς εποχής και αφετέρου οι κάμερες αυτές δυσκολεύονται πολύ στις εναλλαγές φωτεινότητας, καθώς προσπαθούν σε πραγματικό χρόνο να αντισταθμίσουν συνεχώς την φωτεινότητα ώστε να είναι σταθερή. Πράγμα το οποίο ειδικά στην περίπτωση είναι ότι χειρότερο, γιατί δεν φαίνονται οι εναλλαγές στην φωτεινότητα που είναι σημαντικές, οπότε σε πολλές περιπτώσεις θα βλέπετε το φως από τα LEDs να παραμένει σταθερό και να σκοτεινιάζει ή να γίνεται πιο φωτεινό το background.
 

Παράδειγμα με την χρήση του Art-Net
 
Εδώ τώρα μπαίνουμε στα χωράφια του επαγγελματικού φωτισμού, οπότε απευθύνεται κυρίως σε DJs που χρησιμοποιούν φωτισμό, light engineers, χομπίστες κλπ. Όπως είπαμε και πριν η συσκευή υποστηρίζει το πρωτόκολλο Art-Net v3 και επομένως η συσκευή υποστηρίζεται απ' όλες τις επαγγελματικές εφαρμογές φωτισμού που υποστηρίζουν το Art-Net πρωτόκολλο. Από όλες αυτές τις εφαρμογές θα αναφέρω μόνο το DMX-Workshop II της Artistic License, το οποίο αυτή τη στιγμή που γράφετε το άρθρο έχει φτάσει στην έκδοση 7.4, το αναπτύσσει η ίδια εταιρία που έχει φτιάξει το πρωτόκολλο του Art-Net και χρησιμοποιείται από τους κατασκευαστές για να πιστοποιούν την σωστή και εύρυθμη λειτουργία των συσκευών τους. Οπότε θα το χρησιμοποιήσουμε και εμείς για να κάνουμε debugging και testing τον controller που φτιάξαμε.
 
Αφού έχουμε κάνει όλες τις συνδέσεις (controller, decoder, ταινίες LED και τροφοδοσία) και έχουμε βεβαιωθεί ότι όλα δουλεύουν σωστά, τότε κάνουμε εγκατάσταση και τρέχουμε το DMX-Workshop II και εμφανίζεται το παρακάτω παράθυρο.




 

 
Στο παράθυρο αυτό υπάρχουν πολλές επιλογές, αλλά ξεκινάμε πατώντας το "Node List". Πατώντας το, το πρόγραμμα ψάχνει (με τον τρόπο που θα δούμε παρακάτω) όλες τις συσκευές πάνω στο LAN δίκτυό μας, που υποστηρίζουν Art-Net. Αν όλα είναι σωστά, τότε θα δείτε στο παράθυρο του node status την συσκευή σας να αναφέρεται σαν "Jaco Art-Net Ethernet to DMX node", όπως φαίνεται και στην παρακάτω εικόνα.




 

 
Κάνοντας expand βλέπουμε ότι είναι μια OEM συσκευή (καθώς δεν έχω πάρει κάποιον κωδικό και πιστοποίηση από την Artistic License), την IP της, την MAC address της, ότι δεν είναι RDM capable και ότι έχει ένα DMX input, το οποίο ανήκει στο Universe 00-0-0. Κάνοντας δεξί κλικ στην συσκευή και πατώντας το configure node ανοίγει το παρακάτω παράθυρο.




 

 
Στο παράθυρο αυτό μπορείτε να κάνετε κάποιες ρυθμίσεις, αλλά έχω αφήσει ξεκλείδωτες στην συσκευή μόνο τις ρυθμίσεις του Universe, δηλαδή σε ποιο Net address και Sub-Net address ανήκει η συσκευή. Κανονικά μπορείς αν θες να προγραμματίσεις και το όνομα της συσκευής, αλλά στο παρών firmware το έχω κλειδωμένο. Επομένως, αν αλλάξετε το net ή sub-net πατήστε το κουμπί "Programme Node" και οι παράμετροι θα γίνουν upload στον controller και θα σωθούν στην flash του ARM.
 
Για να ελέγξουμε την λειτουργία του controller, πατάμε στο κυρίως παράθυρο του DMX-Workshop το "Transmit" και επιλέγουμε το "Transmit preset", οπότε ανοίγει το παρακάτω παράθυρο.




 

 
Στο παράθυρο αυτό αυτό μπορούμε να στείλουμε preset τιμές μέχρι και σε 10 slots στο universe που θέλουμε. Επειδή για το test αυτό έχω συνδέσει 2 decoders στον controller έχω δώσει στον ένα την διεύθυνση 1 και στον άλλο την διεύθυνση 4, ώστε ο πρώτος να έχει τα slots 1,2,3 για τα R,G,B ενώ ο άλλος τα slots 4,5,6 αντίστοιχα. Οι διευθύνσεις στους decoders φαίνονται και στην επόμενη εικόνα.




 

 
Αφού λοιπόν έχετε δώσει τις προηγούμενες τιμές σαν preset (ή κάποιες άλλες), πατάτε το "On" στο πεδίο του "Output", οπότε θα δείτε κάτι σαν το παρακάτω.




 

 
Αφήνοντας το ouput στο On, κάθε φορά που αλλάζετε ένα slider στα presets βλέπετε ακαριαία την αλλαγή να εμφανίζεται στα LEDs. Αν τα κλείσετε όλα τα sliders θα σβήσουν και όλα τα LEDs. Αυτό σημαίνει ότι το πρόγραμμα από πίσω στέλνει συνεχώς στο LAN δίκτυο τις τιμές για τα slots του DMX universe 00-0-0, ο controller μας τα αναγνωρίζει, ξεπακετάρει τα UDP δεδομένα, κάνει τις κατάλληλες μετατροπές και μετατρέπει το Art-Net σε DMX πάνω στο RS485. Και όλ' αυτά γίνονται σε πολύ υψηλές ταχύτητες και μεγάλες αποστάσεις!
 
Επίσης από το "Transmit" του κεντρικού μενού μπορείτε να επιλέξετε την επιλογή "Transmit Dynamic DMX", οπότε θα ανοίξει το παρακάτω παράθυρο.




 

 
Στο παράθυρο αυτό μπορείτε να κάνετε στέλνετε δυναμικές τιμές στο Art-Net δίκτυο με διάφορα modes. Για να το κάνετε αυτό, διαλέξτε το mode "Group RGB" και πατήστε το "On" στο output. Στην συνέχεια επιλέξτε στο Start το 1 και στο End το τελευταίο slot που έχετε στο setup σας, πχ τώρα που έχω συνδέσει 2 decoders είναι 2x3=6 slots. Μόλις πατήσετε το "On" θα δείτε τα χρώματα και στους δυο decoders να εναλλάσσονται με τον ίδιο τρόπο και ουσιαστικά να ξεκινάνε από λιγότερο έντονο κόκκινο, σε πολύ έντονο, μετά λιγότερο έντονο πράσινο σε εντονότερο και λιγότερο εντονότερο μπλε σε έντονο. Οπότε ουσιαστικά το πρόγραμμα στέλνει τιμές από 0 έως 255 σε κάθε slot ξεχωριστά. Από το slider του speed διαλέγετε πόσο γρήγορος είναι ο ρυθμός αυτής της εναλλαγής. Παρακάτω ακολουθεί ένα βίντεο που δείχνει το αποτέλεσμα, αλλά όμως προσοχή, για να το κάνω λίγο πιο εντυπωσιακό, έκανα shift ένα slot αριστερά τον δεύτερο decoder, δηλαδή του έδωσα την διεύθυνση 3, ώστε να μην φαίνονται τα ίδια χρώματα (αν μπερδευτήκατε παραλείψτε τι έγραψα). Επίσης σε κάποια στιγμή που δείχνω την οθόνη του υπολογιστή θα δείτε μια παλιότερη version του DMX-Workshop II (version 6.08), την οποία απεγκατέστησα όμως για να βάλω την τελευταία, ώστε να screenshots να αντιστοιχούν στην νεότερη version μιας και έχει αλλάξει όλο το user interface.




 

 
Όπως και στην προηγούμενη σελίδα, επαναλαμβάνω πως: το βίντεο δεν είναι πολύ καλής ποιότητας αφενός γιατί η κάμερα του κινητού μου είναι μιας παλιάς εποχής και αφετέρου οι κάμερες αυτές δυσκολεύονται πολύ στις εναλλαγές φωτεινότητας, καθώς προσπαθούν σε πραγματικό χρόνο να αντισταθμίσουν συνεχώς την φωτεινότητα ώστε να είναι σταθερή. Πράγμα το οποίο ειδικά στην περίπτωση είναι ότι χειρότερο, γιατί δεν φαίνονται οι εναλλαγές στην φωτεινότητα που είναι σημαντικές, οπότε σε πολλές περιπτώσεις θα βλέπετε το φως από τα LEDs να παραμένει σταθερό και να σκοτεινιάζει ή να γίνεται πιο φωτεινό το background.
 
Φυσικά το DMX-Workshop επειδή είναι εργαλείο για την πιστοποίηση του Art-Net πρωτοκόλλου, παρέχει και ένα άλλο σωρό από εργαλεία για testing και debugging, τα οποία όμως δεν θα αναλύσω μιας και δεν είναι ο σκοπός του άρθρου, αλλά μπορεί όποιος θέλει να το ψάξει περισσότερο. Όμως θα κάνω μια αναφορά στα πακέτα του Art-Net που κυκλοφορούν επάνω στο LAN δίκτυο μας. Ένας τρόπος να τα δείτε είναι το πατώντας στο κεντρικό μενού του DMX-Workshop το "Developer" και επιλέγοντας το "Network packet dissector", οπότε θα ανοίξει ένα παράθυρο που μπορείτε να βλέπετε τα πακέτα του Art-Net.




 

 
Δυστυχώς όμως αυτός ο τρόπος δεν είναι και ο πιο αξιόπιστος μιας και πρώτον, δεν φαίνονται όλα τα πακέτα και δεύτερον κατά την διάρκεια της ανάπτυξης που τα πακέτα δεν θα είναι κατά πάσα πιθανότητα σωστά εξ' αρχής δεν θα εμφανίζονται σ' αυτό το παράθυρο. Επομένως πρέπει να χρησιμοποιήσετε ποιο δραστικές λύσεις όπως το Winshark. Το Winshark είναι ένα πρόγραμμα ανάλυσης δικτυακών πακέτων, αλλά δυστυχώς δεν μπορώ να αναλύσω σε βάθος το πως το χρησιμοποιείται, λόγο χρόνου, χώρου και δυσκολίας, οπότε θεωρώ πως ξέρετε να το χρησιμοποιείτε. Επομένως, αφού τρέξουμε το Winshark, επιλέξουμε το φίλτρο "udp.port == 6454" ώστε να βλέπουμε μόνο τα πακέτα που χρησιμοποιούν την UDP πόρτα 6454 που χρησιμοποιείται για το Art-Net και στην συνέχεια κάνοντας δεξί κλικ στα δεδομένα επιλέγουμε να τα κάνει decode ως Art-Net πακέτα (ναι! το wireshark έχει ενσωματωμένο Art-Net dissector). Οπότε κάνοντας τα βήματα αυτά, μόλις τροφοδοτήσουμε την συσκευή ενώ τρέχουμε το DMX-Workshop θα δούμε το παρακάτω.




 

 
Εδώ φαίνονται τα εξής:

• το πρόγραμμα κάνει poll στο δίκτυο (με broadcast) για να δει αν υπάρχουν Art-Net συσκευές (ArtPoll)
• η συσκευή απαντά με (ArtPollReply)
• το πρόγραμμα ζητά αν η συσκευή υποστηρίζει προγραμματισμό της IP της (ArtIpProg)
• η συσκευή απαντά ότι υποστηρίζει (ArtIpProgReply)
• το πρόγραμμα ρωτά τον πίνακα των RDM συσκευών (ArtTodControl)
• η συσκευή αγνοεί το πακέτο, αφού έχουμε πει ότι δεν θα υποστηρίξουμε RDM σ' αυτό το firmware.
• συνεχίζει ένα συνεχόμενο ArtPoll / ArtPollReply μεταξύ προγράμματος και συσκευής.

Στην επόμενη εικόνα βλέπουμε μια αλληλουχία ArtDMX πακέτων από το πρόγραμμα στον controller. Όπως βλέπετε τα πακέτα αυτά που στέλνονται από το πρόγραμμα δεν παίρνουν ποτέ απάντηση, δεν υποστηρίζουν δηλαδή κάποιο reply και αυτό γίνεται λόγο ταχύτητας της επικοινωνίας. Επίσης βλέπεται ότι οι τιμές 0-255 μεταφράζονται ως ποσοστά, γιατί ουσιαστικά η τιμή για κάθε slot σημαίνει το ποσοστό της μέγιστης τιμής της μεταβλητής, είτε είναι ένταση χρώματος, είτε μοίρες κλπ.

Στο σημείο τελειώσαμε και με το τεστάρισμα της συσκευής και εξακριβώσαμε ότι υποστηρίζει σωστά το πρωτόκολλο του Art-Net, οπότε μπορούμε πλέον να χρησιμοποιήσουμε τον controller με οποιοδήποτε άλλο επαγγελματικό πρόγραμμα για Art-Net φωτισμό.

Χρήσεις του DMX512-A

Υπάρχουν πραγματικά πάρα πολλές εφαρμογές στις οποίες μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας DMX decoder σαν αυτό που φτιάξαμε. Στην ενότητα αυτή θα δείξω ορισμένες μόνο, αλλά το ουσιαστικό είναι με μία ή περισσότερες συσκευές σαν αυτή που φτιάξαμε σε αυτό το άρθρο, μπορούμε να κάνουμε όλα τα παρακάτω.


 

Και έτσι κλείνει και αυτό το άρθρο! Είδαμε ωραίες τεχνολογίες, μπήκαμε σε αρκετές λεπτομέρειες σχετικά με τον σύγχρονο φωτισμό και φτιάξαμε και έναν DMX Ethernet controller γενικής χρήσης, που υποστηρίζει και σύγχρονα πρωτόκολλα όπως το Art-Net. Ο φωτισμός είναι ένα βαρέλι χωρίς πάτο απ' όλες τις απόψεις, οπότε και οικονομικής άποψης, αλλά είδαμε ότι με πολύ λίγα χρήματα μπορούμε να φτιάξουμε συσκευές που κοστίζουν πολύ περισσότερα. Με τον ίδιο τρόπο μπορούμε να φτιάξουμε και δικά μας φώτα και προβολείς, αλλά αυτό δεν είναι του παρόντος και ίσως απασχολήσει κάποιο επόμενο άρθρο.

Καλό παιχνίδι σε όσους ασχοληθούν (και ελπίζω να υπάρξουν κάποιοι που να ασχοληθούν με αυτό το ενδιαφέρον project).

ΥΓ. Ακολουθεί μια τελευταία σελίδα με κάποια video tutorials για το DMX.

ΥΓ2. Για τους TL;DR τύπους (respect) ή γι' αυτούς που τους φάνηκαν όλ' αυτά βουνό, είναι απλά τα πράγματα. Αγοράζετε απλά το υλικά, γράφετε στην συσκευή το firmware που δίνω στην σελίδα [Firmware] με τον τρόπο που περιγράφετε εκεί, κάνετε τις συνδέσεις και είστε έτοιμοι. Αυτό είναι όλο και δεν χρειάζεται άλλες τεχνικές ή εξειδικευμένες γνώσεις, πέρα από τα προγράμματα που θα χρησιμοποιήσετε εσείς μετά ή χρησιμοποιείτε ήδη.

DMX video tutorials

Και τέλος μερικά video tutorials για το DMX, στα οποία αναφέρονται και οι controllers, σαν αυτόν που φτιάξαμε.

<

Τελειώνοντας με τις βαρετές σε όλους εισαγωγές, το καλύτερο σημείο να ξεκινήσει κανείς δεν είναι άλλο παρά η πλατφόρμα του arduino. Για όσους δεν την ξέρουν λοιπόν, ο arduino δεν είναι τίποτα άλλο παρά ένας απλός 8-bit μικρο-επεξεργαστής, ο οποίος δεν παρουσιάστηκε ξαφνικά δια μαγείας με την εμφάνιση του arduino που έγινε ευρέως γνωστό, αλλά προϋπήρχε πολλά χρόνια πριν. Όμως το arduino τον έκανε ευρείας αποδοχής λόγω κάποιων ευκολιών που δημιουργήθηκαν γύρω από αυτό και λόγω του ότι πολύς κόσμος ασχολήθηκε μαζί του. Ουσιαστικά γράφτηκαν πολλές βιβλιοθήκες κώδικα για τον επεξεργαστή αυτό και λόγω του συγκεκριμένου τρόπου με τον οποίο χρησιμοποιούνται, είναι πολύ εύκολο και απλό στην χρήση του.

Στο σημείο αυτό θα πρέπει να πω, πως για λόγους οικονομίας θα θεωρήσω ότι αυτοί που διαβάζουν τα άρθρα αυτά έχουν ήδη κάποιες βασικές γνώσεις ηλεκτρονικών και στοιχειωδώς προγραμματισμού, Σε αντίθετη περίπτωση όμως το ίντερνετ είναι πολύ μεγάλο και έχει όλες τις πληροφορίες που ενδέχεται να σας χρειαστούν.

Σαν πρώτη κατασκευή επέλεξα να παρουσιάσω έναν USB Ir receiver, ο οποίος είναι πολύ εύκολος στην κατασκευή του και δεν έχει πολύ κώδικα, αλλά σε κάποιο άλλο άρθρο ίσως δούμε και άλλες παραλλαγές του ίδιου receiver, λίγο πιο εξελιγμένες. Η πρώτη ερώτηση που πρέπει να έρχεται στο μυαλό κάποιου είναι, τι μπορεί να κάνει κανείς με αυτό και τι χρησιμότητα έχει; Πολλά και διάφορα, είναι η απάντηση και ουσιαστικά ο μόνος περιορισμός είναι η φαντασία, αλλά για αρχή ας πούμε ότι μπορεί κανείς να ελέγχει τον υπολογιστή του με ένα οποιοδήποτε τηλεκοντρόλ, πχ σε ένα htpc. Όμως θα μπορούσε κανείς ακόμα να φτιάξει και ένα αυτοματισμό σπιτιού με αυτό και άλλα πολλά.

Λογικά η πρώτη ερώτηση που θα έρχεται στο μυαλό κάποιου είναι:
«Τι μπορεί να κάνει κανείς με αυτό και τι χρησιμότητα έχει;»
«Πολλά και διάφορα!» είναι η απάντηση καθώς, ουσιαστικά ο μόνος περιορισμός είναι η φαντασία, αλλά για αρχή, ας πούμε ότι μπορεί κάποιος να ελέγχει το HTPC του με ένα οποιοδήποτε τηλεκοντρόλ καθισμένος στον καναπέ τουc. Όμως θα μπορούσε κανείς ακόμα, να φτιάξει και ένα αυτοματισμό σπιτιού με αυτό και άλλα πολλά.

2. Υλικά κατασκευής
Τα υλικά που θα χρειαστείτε είναι τα εξής:
- 1 arduino nano
- 1 TSOP-1736 (ή 1136)
- 1 led (πχ κόκκινο)
- 2 αντιστάσεις (100Ω και 150Ω)
- 1 πυκνωτής (1mF στα 25 ή 50V)
- 1 καλώδιο micro (ή mini) usb (εξαρτάται από την υποδοχή του arduino)
- 1 οποιοδήποτε τηλεχειριστήριο

TSOP-1736

Το TSOP είναι ένας κοινός IR δέκτης (ουσιαστικά μια φωτοδίοδος) από τους πολλούς που υπάρχουν στην αγορά και ο λόγος που τον χρησιμοποίησα δεν είναι άλλος παρά το ότι τον είχα ήδη. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε οποιοδήποτε IR δέκτη, αρκεί όμως να έχει φέρουσα συχνότητα 36KHz ώστε να είναι συμβατός με το πρωτόκολλο RC-5/6 το οποίο υποστηρίζουν τα περισσότερα τηλεκοντρόλ. Επομένως το 36 στο TSOP-1736 αναφέρεται ακριβώς σε αυτό, δηλαδή την συχνότητα και γι' αυτό το λόγο είναι ακριβότερο, οπότε μην ξεγελαστείτε πχ από την τιμή ενός TSOP-1738 και πάρετε αυτό γιατί η φέρουσα θα είναι 38ΚΗz και δεν θα δουλέψει (εκτός και αν το τηλεκοντρόλ είναι 38Khz). Η τιμή του στο ebay είναι λίγο παραπάνω από 2 ευρώ. Το module αυτό έχει 3 ακροδέκτες, που είναι η τάση τροφοδοσίας, η γη και το pin εξόδου των δεδομένων το οποίο πάει στον arduino ώστε να διαβάζει τις εισερχόμενες εντολές από το τηλεχειριστήριο. Εναλλακτικά, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τον TSOP1136, τον οποίο μπορείτε να βρείτε στο 1/5 της τιμής του 1736 στο Ebay.

Arduino nano v3.0

Το arduino όπως είπαμε και πιο πριν, δεν είναι κάτι άλλο παρά ένας 8-bit μικρο-επεξεργαστής της Atmel της σειράς AVR και το μοντέλο του είναι το ATmega328. Οι δυνατότητές του σε σχέση με την τιμή του δεν είναι κάτι αξιόλογο (κρίνοντας πάντα από τον ανταγωνισμό και την ισοπέδωση των πάντων από τους ARM), αλλά είναι υπεραρκετός για μικρές εφαρμογές, χωρίς μεγάλες απαιτήσεις. Το κόστος του είναι στα 2.5 ευρώ στο ebay και στα κύρια χαρακτηριστικά του συγκαταλέγονται τα 32KB flash (για τον κώδικα), 2 ΚΒ sram μνήμη, 1ΚΒ EEPROM, 2x SPI, 1x I2C, 1x UART, 8x 10bit ADC και η συχνότητα λειτουργίας του είναι το μέγιστο 20MHz. Αυτό που τον κάνει να ξεχωρίζει ωστόσο είναι η αρχιτεκτονική του καθώς σε αντίθεση με άλλους παρεμφερείς μικρο-επεξεργαστές, μπορεί να εκτελέσει 1 εντολή ανά κύκλο ρολογιού, ενώ άλλοι χρειάζονται 4 κύκλους ανά εντολή (π.χ. PIC, C51) με αποτέλεσμα σε εφαρμογές που η ταχύτητα ελέγχου κάποιων περιφερειακών είναι κρίσιμη να κερδίζει (ένα παράδειγμα που θα δούμε σε άλλο άρθρο είναι ο φωτισμός με RGB led όπως πχ το WS2812B, του οποίου το πρωτόκολλο απαιτεί πολύ μεγάλη ταχύτητα και παλμούς της τάξης των nanoseconds).

Τα υπόλοιπα υλικά -των οποίων τη χρήση θα δούμε παρακάτω- είναι απλά ένα LED, που θα δείχνει ότι το arduino έλαβε μια εντολή από το τηλεχειριστήριο, δυο αντιστάσεις και ένας πυκνωτής.

Τα υλικά της κατασκευής μαςΑς τα δούμε όμως ένα-ένα περιληπτικά.

3. Περιβάλλον Arduino (IDE)

Εδώ είναι σημαντικό να πούμε λίγα λόγια για το περιβάλλον προγραμματισμού των arduino. Αυτό αποτελείται από ένα πρόγραμμα στο οποίο συνδυάζονται πολλαπλές λειτουργίες, όπως το τμήμα που γράφουμε τον κώδικα, ο compiler/linker που μετατρέπει το πρόγραμμα σε γλώσσα μηχανής, ο προγραμματιστής που φορτώνει το πρόγραμμα στον μικρο-επεξεργαστή και τέλος ένα σειριακό τερματικό που χρησιμοποιείται για την επικοινωνία του υπολογιστή και του arduino. O IDE του arduino έχει τα θετικά του και τα αρνητικά του, στα θετικά είναι ότι όλες οι λειτουργίες που χρειάζονται είναι συγκεντρωμένες και δουλεύουν όπως πρέπει χωρίς να χρειάζεται ο χρήστης να κάνει κάποιες ρυθμίσεις, αρκεί να έχει εγκατεστημένη την java.

Στα αρνητικά του είναι ότι ο IDE του είναι στοιχειώδης και του λείπουν κάποιες λειτουργίες, όπως να αναγνωρίζει αυτόματα τις συναρτήσεις από τις βιβλιοθήκες και να συμπληρώνει τα ονόματά τους την ώρα που γράφετε κώδικα, πράγμα το οποίο προσωπικά θεωρώ ότι πρέπει να είναι στάνταρ εξοπλισμός σε έναν IDE. Για τα αρνητικά αυτά υπάρχουν λύσεις όπως το να εγκαταστήσει κανείς το Atmel Studio, τον επίσημο IDE της Atmel που υποστηρίζει τους AVR, μαζί με το Visual Micro for Arduino plugin το οποίο αναλαμβάνει να ενσωματώσει τις λειτουργίες του Arduino IDE στο Atmel Studio. Όποιος έχει ήδη εμπειρία με το Visual Studio της Microsoft δεν θα δυσκολευτεί να το δουλέψει. Μια άλλη εναλλακτική, κυρίως για linux, είναι το Eclipse IDE μαζί με το αντίστοιχο plugin για το arduino, μια διαδικασία λίγο πιο δύσκολη η οποία περιγράφεται εδώ. Προσωπικά χρησιμοποιώ και τις 3 μεθόδους ανάλογα το λειτουργικό και την περίσταση, αλλά για ευκολία θα αναφερόμαστε πάντα στο Arduino IDE.

Στα περισσότερα project με τον arduino θα χρειαστούν έτοιμες βιβλιοθήκες άλλων χρηστών που έχουν κάνει την δύσκολη δουλειά να γράψουν τον κώδικα ο οποίος ενσωματώνεται εύκολα στον Arduino IDE. Η εγκατάσταση των βιβλιοθηκών είναι εύκολη και αρκεί να γίνουν αντιγραφή στον φάκελο: C:\Users\<username>\Documents\Arduino\libraries αφού έχουμε εγκαταστήσει τον Arduino IDE και έχουμε φροντίσει να μην τρέχει το πρόγραμμα. Μετά την εγκατάσταση των βιβλιοθηκών, μόλις τρέξουμε το πρόγραμμα, αυτό τις αναγνωρίζει αυτόματα και μπορούμε να τις χρησιμοποιήσουμε.

Στο σημείο αυτό θα χρειαστούμε μια εξωτερική βιβλιοθήκη και συγκεκριμένα την IR Remote, η οποία αναλαμβάνει το decode από τις RC-5 εντολές. Αφού την κατεβάσουμε την βάζουμε στον φάκελο με τις βιβλιοθήκες που είπαμε παραπάνω, όμως θα χρειαστεί να σβήσουμε και μια βιβλιοθήκη του Arduino IDE, η οποία έχει το ίδιο όνομα και μπερδεύεται με αυτή που θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε. Για να το κάνουμε αυτό σβήνουμε τον φάκελο RobotIRremote που βρίσκεται μέσα στο C:\Program Files (x86)\Arduino\libraries.

4. Κατασκευή

Για να κατασκευάσουμε την πλακέτα χρειαζόμαστε τα υλικά που περιγράψαμε προηγουμένως. Το κύκλωμα που πρέπει να κατασκευάσουμε είναι το παρακάτω:

Σημείωση: Μην σας προβληματίζει ότι στο σχηματικό φαίνεται ο arduino mini, επειδή το pinout του είναι ίδιο με τον nano η επιλογή του σωστού pcb component θα πρέπει να γίνει όταν κάνετε export σε pcb. Ο πυκνωτής του οποίου η τιμή δεν φαίνεται, είναι όπως αναφέρθηκε παραπάνω 1mF στα 25 ή 50V.

Αν θέλει κάποιος μπορεί να σχεδιάσει και ένα pcb και να το παραγγείλει, αλλά η κατασκευή είναι τόσο απλή που δεν χρειάζεται καθώς μια διάτρητη πλακέτα είναι υπέρ-αρκετή. Η πλακέτα πρέπει να είναι διάτρητη χωρίς ενώσεις ανάμεσα στις νησίδες της. Το tsop1736 τροφοδοτείται από το arduino μέσω μιας αντίστασης 100Ω, ενός πυκνωτή παράλληλα και έχει κοινή γη με αυτό, ενώ το pin των δεδομένων συνδέεται απ' ευθείας στο pin D3 του arduino. Το LED γειώνει την κάθοδό του στη γη του arduino και η άνοδός του συνδέεται στο pin D2 μέσω μιας αντίστασης 150Ω. Οι αντιστάσεις μπορεί να είναι είτε through-hole είτε SMD, ότι μπορείτε να βρείτε πιο εύκολα. Αφού κάνουμε τις κατάλληλες κολλήσεις το αποτέλεσμα μπορεί είναι το παρακάτω.

Όσων αφορά την τοπολογία των εξαρτημάτων επειδή είναι πολύ απλό το κύκλωμα, απλά προπαθήστε να τοποθετήσετε με τέτοιο τρόπο ώστε να μην έχετε πολλά καλώδια και βάλτε το LED και το tsop μπροστά ώστε το arduino να τα καπακώνει και να είναι σταθερά.

Ο καθένας φυσικά μπορεί να κάνει ότι διάταξη νομίζει ότι είναι καλύτερη για τα υλικά. Από εδώ μπορείτε να κατεβάσετε τα αρχεία για το σχηματικό, τα οποία έχουν γίνει με το KiCad και μέσα στα αρχεία υπάρχουν και οι απαιτούμενες βιβλιοθήκες.

Σχηματικό κυκλώματοςΤο αποτέλεσμα

5. Κώδικας arduino

Αφού τελειώσουμε με το κύκλωμα σιγουρευόμαστε ότι όλες οι συνδέσεις είναι σωστές και κυρίως ότι δεν βραχυκυκλώνουν τα 5V με το GND. Στην συνέχεια και εφόσον έχετε εγκαταστήσει το arduino IDE ανοίγετε αυτό το αρχείο, εδώ να πούμε ότι το αρχείο *.ino που είναι ο κώδικας του arduino θα πρέπει να βρίσκεται πάντα μέσα σε ένα φάκελο που έχει το ίδιο όνομα με το αρχείο, οπότε στην περίπτωσή μας είναι ard_ir/ard_ir.ino. Αφού ανοίξει ο κώδικας θα δείτε το παρακάτω παράθυρο

Στην συνέχεια πρέπει να δηλώσετε στον IDE τον τύπο του arduino, τον επεξεργαστή του και την USB πόρτα στην οποία βρίσκεται το arduino. Οπότε συνδέετε το arduino, περιμένετε μέχρι να αναγνωρίσει το λειτουργικό την συσκευή και να βρει την σειριακή πόρτα. Ύστερα από το μενού Tools->Board διαλέγετε το arduino nano, μετά από το Tools->Processor τον ATmega328 και από το Tools->Port την COM πόρτα στην οποία βρίσκεται το arduino.

Στην συνέχεια πατήστε το κουμπί με το tick (verify), ώστε να γίνει compile o κώδικας.

Λογικά δεν θα πρέπει να συναντήσετε κάποιο πρόβλημα (αν συναντήσετε κλείστε τα όλα και πηγαίνετε για καφέ), οπότε θα δείτε το παρακάτω μήνυμα.

Αυτό σημαίνει ότι είστε έτοιμοι να “κάψετε” τον κώδικα στο arduino, οπότε πατώντας το κουμπί του upload δίπλα από το verify, θα προγραμματιστεί το arduino και θα πρέπει να δείτε το παρακάτω μήνυμα.

Για να δοκιμάσετε ότι δούλεψε ανοίξτε από το Tools το Serial Monitor, επιλέξτε την ταχύτητα του σειριακού (baud rate) στα 9600bps και με ένα τηλεκοντρόλ σημαδέψτε τον δέκτη και πατήστε ένα κουμπί. Θα πρέπει να εμφανιστεί στο σειριακό μόνιτορ ο κωδικός του κουμπιού που πατήθηκε. Στο παρακάτω παράδειγμα φαίνεται το κουμπί ΟΚ ενός τηλεκοντρόλ τηλεόρασης LG.

Τα FFFFFFFF που φαίνονται σημαίνει ότι το κουμπί ΟΚ κρατήθηκε πατημένο, οπότε ισχύει ο προηγούμενος κωδικός, δηλαδή το δεκαεξαδικό 20DF22DD.

Επομένως καταφέρατε να φτιάξετε ένα αποκωδικοποιητή για RC-5 πρωτόκολλο που μπορεί να αναγνωρίζει όλα τα RC-5 τηλεχειριστήρια. Τώρα όπως και στην εισαγωγή θα αναρωτηθεί κάποιος: «Ωραία και τώρα τι;»

Οπότε πάμε να δούμε ένα πολύ απλό παράδειγμα για το που μπορεί να χρησιμοποιηθεί αυτό (φυσικά το τι μπορεί να κάνει κανείς τελειώνει εκεί που τελειώνει η φαντασία).

6. IR & Kodi

Ένα απλό παράδειγμα χρήσης του IR αποκωδικοποιητή είναι να μπορείτε να χειριζόσαστε το Kodi από ένα τηλεχειριστήριο. Αν και υπάρχουν διάφοροι clients όπως το Yatse στο android που κάνουν την ίδια και καλύτερη δουλειά, πολλές φορές αποδεικνύεται πως οι απλές λύσεις είναι καλύτερες σε πραγματική χρήση. Για παράδειγμα προσωπικά περισσότερο με βολεύει να χρησιμοποιώ το τηλεκοντρόλ, παρά το κινητό ή το tablet για χειρίζομαι το Kodi. Επίσης το Kodi υποστηρίζει και το πρωτόκολλο CEC, το οποίο χρησιμοποιείται για να την ανταλλαγή εντολών και δεδομένων μεταξύ HDMI συσκευών, αλλά όπως θα ξέρουν αρκετοί παθόντες, κάποιοι κατασκευαστές (όπως η LG) όχι μόνο δεν αφήνουν όλες τις εντολές από το τηλεχειριστήριο να περνούν μέσω του CEC, αλλά αυτές που τελικά περνούν είναι τόσο λίγες που δεν φτάνουν ούτε για τις βασικές λειτουργίες.

Όσον αφορά τον υπολογιστή τώρα, υπάρχουν διάφορα προγράμματα τα οποία υποστηρίζουν κάποιους IR δέκτες του εμπορίου και μπορούν να κάνουν διάφορους αυτοματισμούς. Τέτοια προγράμματα είναι πχ το WinLIRC και το EventGhost, αλλά λόγο του ότι είναι ολίγον παρατημένα projects και ορισμένες φορές λίγο δύσχρηστα, επέλεξα να γράψω για τις ανάγκες μου ένα άλλο πρόγραμμα που κάνει παρόμοια δουλειά και ο κώδικάς του φυσικά είναι ανοιχτός για όποιον θέλει να το επεξεργαστεί ή να το εμπλουτίσει (για το source code δείτε την σημείωση στο τέλος του άρθρου). Αυτό που κάνει ουσιαστικά, είναι απλά να αντιστοιχεί τους κωδικούς του τηλεκοντρόλ σε shortcuts του πληκτρολογίου ή να τρέχει αρχεία, scripts κ.λ.π. με το πάτημα ενός κουμπιού του τηλεχειριστηρίου. Επίσης για όσους επιθυμούν να χρησιμοποιήσουν κάποιο άλλο πρόγραμμα, θα εξομοιώσουμε με το arduino έναν IR δέκτη της αγοράς και συγκεκριμένα τον Irman, του οποίου το κόστος ανέρχεται περίπου στα 100 ευρώ. Οι αλλαγές που χρειάζεται να κάνετε στον κώδικα βρίσκονται στο παρακάτω αρχείο, οπότε το ανοίξτε το και ακολουθώντας την προηγούμενη διαδικασία γράψτε το νέο πρόγραμμα στο arduino. Οπότε τώρα πλέον έχετε ένα Irman με κόστος μόνο μερικά ευρώ.

ard_irman.ino

Στην συνέχεια εγκαταστήστε και τρέξτε το παρακάτω πρόγραμμα.

IR Key Repeater

Αφού το τρέξετε θα δείτε το παρακάτω παράθυρο.

Σε αυτό βλέπουμε μερικά κουμπιά και μια λίστα. Τα κουμπιά αυτά είναι τα εξής (αριστερά προς τα δεξιά):

(1) Connect, σύνδεση του προγράμματος στον δέκτη.
(2) Disconnect, αποσύνδεση από τον δέκτη.
(3) Settings, τα settings του προγράμματος, στα οποία ρυθμίζεται την σειριακή usb θύρα.
(4) Learn, εκμάθηση νέου τηλεχειριστηρίου. Πατάτε μια φορά το κουμπί και παραμένει ενεργοποιημένο, για να απενεργοποιήσετε την εκμάθηση πατήστε ξανά το κουμπί.
(5) Import, εισαγωγή αρχείου εντολών ενός άλλου τηλεχειριστηρίου.
(6) Save, σώσιμο των κωδικών σε ένα αρχείο
(7) Bind, capture ενός shortcut του πληκτρολογίου.
(8) Process, επιλέγοντας μια εντολή και πατώντας αυτό το κουμπί, ανοίγει ένα παράθυρο στο οποίο μπορείτε να επιλέξετε μια εφαρμογή ή ένα αρχείο το οποίο θέλετε να τρέχει με την εντολή αυτή.
(9) Test, διαλέγοντας μια εντολή από την λίστα και πατώντας αυτό το κουμπί, εξομοιώνετε τι θα συμβεί όταν το πρόγραμμα λάβει αυτή την εντολή από τον δέκτη.
(10) Delete, επιλέξτε μια εντολή και πατήστε το για να την σβήσετε από τον πίνακα.
(11) Clear, σβήσιμο όλων των υποστηριζόμενων εντολών.

Επομένως αρχικά πατήστε στο γρανάζι για να ανοίξουν τα settings του προγράμματος και από εκεί επιλέξτε την σειριακή θύρα στην οποία έχει βρει το λειτουργικό τον δέκτη και στην συνέχεια πατήστε Apply για να αποθηκευτούν οι αλλαγές. Ύστερα πατήστε το κουμπί (1) για να συνδεθείτε στο arduino και στην συνέχεια πατήστε το κουμπί (4). Στην συνέχεια αρχίστε να πατάτε ένα-ένα τα πλήκτρα του τηλεχειριστηρίου σας μέχρι να δείτε τους κωδικούς να εμφανίζονται στο παράθυρο. Είναι σημαντικό να θυμάστε με ποια σειρά τα πατήσατε ώστε να θυμάστε ποιο είναι το κάθε κουμπί ώστε να ρυθμίσετε μετά τα shortcuts. Μια απλή μέθοδος είναι να ξεκινάτε πάντα από πάνω προς τα κάτω και με φορά από αριστερά προς τα δεξιά ή όπως αλλιώς σας βολεύει. Αφού τελειώσετε με την εκμάθηση του τηλεχειριστηρίου, ξαναπατήστε στο πρόγραμμα το κουμπί (4) ώστε να βγει το πρόγραμμα από το learning mode και στην συνέχεια πατήστε το (6) για να αποθηκευτούν οι αλλαγές. Παρακάτω βλέπετε ένα παράδειγμα από το δικό μου τηλεχειριστήριο.

Για να δώσετε τώρα λειτουργία σε κάθε πάτημα του κουμπιού του τηλεκοντρόλ υπάρχουν δυο τρόποι. Ο ένας είναι να κάνετε διπλό κλικ στο μεσαίο κελί της γραμμής της εντολής που θέλετε και να γράψετε μόνοι σας τον συνδυασμό που θέλετε (πχ Ctrl+Alt+A), αλλά αυτό μην το προτιμάται γενικά αν δεν ξέρετε ακριβώς την αναπαράσταση του κάθε πλήκτρου (πχ Control = Ctrl). Ο δεύτερος είναι να πατήστε μονό κλικ στο μεσαίο κελί και μετά το κουμπί (7) στο πρόγραμμα και στην συνέχεια πατήστε τον συνδυασμό των πλήκτρων που επιθυμείτε να δώσετε στην εντολή αυτή. Επίσης για να αντιστοιχήσετε τα shortcuts του Kodi με το τηλεχειριστήριο θα χρειαστείτε αυτό το link, στο οποίο αναγράφονται όλες οι συντομεύσεις του Kodi. To αποτέλεσμα στην περίπτωση μου είναι το παρακάτω, αλλά αν δεν έχει κάποιος το ίδιο ακριβώς χειριστήριο δεν έχει νόημα να χρησιμοποιήσει το ίδιο αρχείο.

Τέλος το checkbox δίπλα από κάθε εντολή (στο τρίτο κελί) ενεργοποιεί ή απενεργοποιεί το repeat μιας εντολής. Αν παρατηρήσετε στα περισσότερα τηλεχειριστήρια όταν κρατάτε πατημένο ένα πλήκτρο τότε το LED του δέκτη συνεχίζει και αναβοσβήνει, πράγμα που σημαίνει ότι το χειριστήριο συνεχίζει να στέλνει την τελευταία εντολή (αυτό ουσιαστικά το κάνει στέλνοντας τον κωδικό 0xFFFFFFFF). Επομένως επειδή σε κάποιες περιπτώσεις είναι μη λειτουργικό ή ενοχλητικό κάτι τέτοιο, αν δεν έχετε επιλέξει το repeat, τότε το πρόγραμμα θα στείλει μόνο μια φορά την συντόμευση των πλήκτρων στο σύστημα ανεξάρτητα με το πόσο θα το κρατήσετε πατημένο. Για παράδειγμα στο κουμπί του volume χρειάζεται το repeat, αλλά στο OK/Enter όχι, στην περίπτωση του Kodi.

Τώρα όσων αφορά τα τηλεχειριστήρια, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε σχεδόν οποιοδήποτε της αγοράς, μια ιδέα ωστόσο είναι να πάρετε ένα φθηνό κοντρόλ από το ebay, σαν αυτά που χρησιμοποιούν για τις RGB led-οταινίες και να φτιάξετε ένα δικό σας layout να το εκτυπώσετε σε έναν έγχρωμο εκτυπωτή και με μια μεμβράνη να το βάλετε πάνω στο κοντρόλ. Διαφορετικά μπορείτε να αναστήσετε το τηλεκοντρόλ της παλιάς σας τηλεόρασης. Προσωπικά βρήκα ένα παλιό τηλεκοντρόλ, το οποίο δεν θυμάμαι από που είναι και πλέον το χρησιμοποιώ και είναι το παρακάτω.

Ακολουθεί και ένα βίντεο με την χρήση του. Κάτω από την τηλεόραση θα δείτε και το arduino να αναβοσβήνει το LED του όταν λαμβάνει μια εντολή.

Όποιος θέλει το source code από το IR Key Repeater μπορεί να μου στείλει προσωπικό μήνυμα και θα του τον στείλω. Υπόψιν, ότι ο κώδικας υπάγεται στο LGPL v3, επομένως όποιες αλλαγές γίνουν και είναι προς την ευκολία των υπολοίπων, καλό θα ήταν να κοινοποιηθούν και στο άρθρο.

Τέλος το κόστος κατασκευής ανέρχεται στα 4 έως 10 ευρώ, ανάλογα με του που ψωνίζετε (αν τα πάρετε από ebay με την ανάλογη αναμονή, τότε υπολογίστε 4-5 ευρώ).

Σε όσους γενναίους τολμήσουν καλή επιτυχία και ότι σχόλια ή βοήθεια χρειαστείτε γράψτε μου εδώ.