Razvoj komunikacijske naprave z univerzalnim serijskim vodilom za pametni dom

GABRIČ, ALEKS (author), Pustišek, Matevž (mentor)

Ta diplomska naloga je nastala iz projekta, na katerem sem delal med opravljanjem obvezne študijske prakse v podjetju Möhlenhoff GmbH v Salzgitterju v Nemčiji. Möhlenhoff GmbH je podjetje, ki se že več kot 30 let ukvarja z izdelavo sistemov za ogrevanje prostorov. Njihovi glavni produkti so ventili za krmiljenje sistema za talno ogrevanje, zadnjih nekaj let pa se ukvarjajo tudi z razvojem sistemov pametnih domov. Cilj projekta, iz katerega izvira to delo je bil razviti napravo z USB priključkom in zmožnostjo brezžične povezave, ki bo omogočala integracijo različnih naprav v sistem pametnega doma. Na začetku diplomska naloga predstavi idejo pametnega doma in njegove prednosti pred tradicionalnim tipom doma. Ker trg za takšno tehologijo raste, se na njem tudi pojavlja vedno več različnih produktov, ki opravljajo različne naloge. Med njimi je največ pametnih senzorjev, npr. za temperaturo, vlago, svetlobo, dež, vrata ..., ter aktuatorjev, npr. grelcev, ventilov, ključavnic, prezračevalnih sistemov ..., ki komunicirajo med seboj ter z raznimi krmilniki, da uravnavajo bivalne pogoje na način, ki je človeku najbolj prijeten. Vse to omogočajo predvsem nizke cene elektronskih komponent, katere vodijo v hiter razvoj tehnologije ter veliko novih idej o sistemih pametnih domov. Predvsem v zadnjih letih se internet stvari razvija tako hitro, kot še nikoli. Po predstavitvi osnovne ideje so predstavljeni še različni načini komunikacije, ki so bili uporabljeni v projektu. V glavnem delu se diplomska naloga posveti opisovanju razvoja naprave in celotnega projekta. Najprej je predstavljen cilj, zadan na začetku projekta. Prototipna naprava je mogla v prvi vrsti omogočati povezljivost preko USB priključka ter brezžično povezljivost, hkrati pa je mogla s pomočjo programske opreme koordinirati komunikacijo med priključeno napravo in omrežjem naprav v sistemu pametnega doma. Kot prva testna naprava, ki naj bi komunicirala s sistemom je bil izbran krmilnik za prezračevanje bivalnih prostorov. Integracija takšne naprave je za podjetje pomembna, saj so z združitvijo njihovegih sistemov za krmiljenje talnega ogrevanja ter ostalih senzorjev in aktuatorjev zmožni ponuditi celotno rešitev za nadzor klimatskih pogojev v prostorih (HVAC). Komunikacija prek USB vodila je potekala z uporabo USB communications device class (CDC), ki je eden izmed razredov USB naprav. Komunikacija med krmilnikom prezračevalnega sistema ter razvijanim prototipom je potekala s hitrostjo 9600 bitov na sekundo, kar je bilo več kot dovolj za potrebe delovanja sistema. Brezžično komunikacijo je omogočala uporaba industrijskega, znanstvenega ter medicinskega (ISM) pasu v frekvenčnem območju okrog 868MHz. Ta frekvenca je bila uporabljena ker jo je dovoljeno uporabljati brez licence in ima dovolj velik doseg za dobro delovanje sistema. Po opisu splošnih tehnoloških zahtev se diplomska naloga osredotoči na potek razvoja prototipne naprave. Najprej so predstavljena programska orodja, uporabljena pri delu. Prvi program, ki je imel veliko vlogo pri razvoju je STM32CubeMX, ki deluje kot konfiguracijsko okolje za krmilnike STM32. Keil $\mu$Vision je integrirano razvojno okolje, ki je bilo uporabljeno tako za prevajanje programske kode iz jezika C v strojni jezik kot za razhroščevanje delovanja mikrokrmilnika. Predstavljena sta tudi dva različna programatorja, katera sta bila uporabljena med razvojem: Segger J-Link ter STMicroelectronics ST-LINK. Diplomska naloga nato prestopi v svet strojne opreme in začne z predstavitvijo glavnih strojnih komponent, potrebnih za razvoj prototipne naprave. Sestavljena je iz dveh glavnih delov: mikrokrmilniška plošča (STM Nucleo), ki služi kot glavni krmilnik ter radiofrekvenčna plošča, ki omogoča komunikacijo s sistemom pametnega doma. Glavni mikrokrmilnik na prototipni napravi je STM32L073RZ, ki je bil izbran zaradi nizke porabe energije, visoke zmogljivosti ter zmožnostjo emulacije USB vodila. Izbrana radiofrekvenčna plošča je bila plošča STEVAL-FKI868V2, ki omogoča enostaven priklop na Nucleo ploščo ter uporabo brezžične komunikacije v frekvenčnem pasu okrog 868MHz. Po opisu strojne opreme sledi še predstavitev programske opreme, ki je bila napisana tekom projekta. Koda, ki poganja glavni mikrokrmilnik, je bila napisana v programskem jeziku C z uporabo STM32Cube ogrodja. Kot operacijski sistem je bil uporabljen FreeRTOS, saj je implementacija brezžičnega protokola za pravilno delovanje zahtevala časovno zelo natančno izvajanje določenih funkcij. Potrebna je tudi implementacija USB sklada, ki pa je v ogrodju STM32Cube zelo enostaven za konfiguracijo in uporabo. Komunikacija med glavnim mikrokrmilnikom ter ploščo za brezžično komunikacijo je potekala prek protokola SPI. Opisan je tudi simulacijski program, ki je bil napisan z namenom nadomestitve dejanske prezračevalne naprave, ker med časom razvoja še ni bila na voljo. Po predstavitvi strojne opreme sledi še nekaj možnih scenarijev za uporabo prorotipne naprave. Na koncu je bil projekt tudi testiran ter ocenjen kot uspešen, v podjetju pa nadaljujejo z razvojem USB komunikacijske naprave.

• Language: Slovenian
• Keywords: Pametni dom, USB, serijska komunikacija, brezžična komunikacija, prototip, STM32
• Work type: Bachelor thesis/paper
• Organization: FE - Faculty of Electrical Engineering
• Year: 2019
• PID: 20.500.12556/RUL-109949
• Publication date in RUL: 10.09.2019

Secondary language

• Language: English
• Title: Development of a Smart Home-connected USB Communication Device

Abstract

This thesis is the result of the project that I was working on during my apprenticeship at Möhlenhoff GmbH in Salzgitter, Germany. The topic of the thesis is the smart home system in general with a special focus on the Möhlenhoff GmbH’s idea of it. The thesis presents the development process of an embedded device intended for use in a smart home system. The main goal of the project was to create a USB device with wireless capabilities to enable the integration of 3rd party devices with their proprietary smart home system. First, the thesis gives some background information on how smart systems work, where their rising popularity originates from and what the components needed to build one are. It also talks about the Internet of Things and how the devices within a smart home environment are able to communicate with each other. In its main part, the thesis presents the development process behind creating the USB-Wireless prototype device. It focuses on the general idea and the desired functionalities of the device. It elaborates on both, the hardware and software requirements needed for the prorotype device, of which the most significant are USB emulation and the implementation of wireless connectivity. The development tools used during the project are presented along with their abilities, strengths and weaknesses while tackling such a task. Next, the thesis presents the hardware used for the prototype device, the issues I had while working on it and the solutions I applied. However, as hardware cannot work without accompanying software, this is also elaborated on in the thesis. From the prototype firmware to the simulation software for testing, the development process behind is also explained. Finally, some examples of use and ideas for future development are provided. The project at its current stage has also been evaluated.

• Keywords: Smart home, USB, serial communication, wireless communication, prototype, STM32