УНИВЕРЗИТЕТ У НОВОМ САДУ

ФАКУЛТЕТ ТЕХНИЧКИХ НАУКА У НОВОМ САДУ

Сташа Секулић

WallDimmer уређај са проширеним корисничким сучељем и могућношћу

бежичног ажурирања апликације

ДИПЛОМСКИ РАД

Основне академске студије

Нови Сад, 2018

УНИВЕРЗИТЕТ У НОВОМ САДУ ФАКУЛТЕТ ТЕХНИЧКИХ НАУКА

21000 НОВИ САД, Трг Доситеја Обрадовића 6

КЉУЧНА ДОКУМЕНТАЦИЈСКА ИНФОРМАЦИЈА

Редни број, РБР:

Идентификациони број, ИБР:

Тип документације, ТД: Монографска документација

Тип записа, ТЗ: Текстуални штампани материјал

Врста рада, ВР: Завршни (Дипломски) рад

Аутор, АУ: Сташа Секулић

Ментор, МН: Др. Иштван Пап, професор

Наслов рада, НР: WallDimmer уређај са проширеним корисничким сучељем и могућношћу бежичног ажурирања апликације

Језик публикације, ЈП: Српски / латиница

Језик извода, ЈИ: Српски

Земља публиковања, ЗП: Република Србија

Уже географско подручје, УГП: Војводина

Година, ГО: 2018

Издавач, ИЗ: Ауторски репринт

Место и адреса, МА: Нови Сад; трг Доситеја Обрадовића 6

Физички опис рада, ФО: (поглавља/страна/ цитата/табела/слика/графика/прилога)

Надоградња постојеће физичке архитектуре и проширење програмске подршке

Научна област, НО: Електротехника и рачунарство

Научна дисциплина, НД: Рачунарска техника

Предметна одредница/Кључне речи, ПО: Паметна кућа, Обло

УДК

Чува се, ЧУ: У библиотеци Факултета техничких наука, Нови Сад

Важна напомена, ВН:

Извод, ИЗ: Пoстojeћи урeђaj Wall Dimmer прoширитисa joш jeдним тaстeрoм и светлосном индикaциjoм те дa сe урeђajу oмoгући OTA функциoнaлнoст (aжурирaњe aпликaциje урeђaja нa дaљину).

Датум прихватања теме, ДП: 20.4.2018.

Датум одбране, ДО: 4.5.2018.

Чланови комисије, КО: Председник: Др. Небојша Пјевалица, професор

Члан: Др. Миодраг Ђукић, доцент Потпис ментора

Члан, ментор: Др. Иштван Пап, професор

UNIVERSITY OF NOVI SADFACULTY OF TECHNICAL SCIENCES

21000 NOVI SAD, Trg Dositeja Obradovića 6

KEY WORDS DOCUMENTATION

Accession number, ANO:

Identification number, INO:

Document type, DT: Monographic publication

Type of record, TR: Textual printed material

Contents code, CC: Bachelor Thesis

Author, AU: Staša Sekulić

Mentor, MN: Dr Ištvan Pap, professor

Title, TI: Wall dimer device with an expanded user interface and the option of wireless application update

Language of text, LT: Serbian

Language of abstract, LA: Serbian

Country of publication, CP: Republic of Serbia

Locality of publication, LP: Vojvodina

Publication year, PY: 2018

Publisher, PB: Author’s reprint

Publication place, PP: Novi Sad, Dositeja Obradovica sq. 6

Physical description, PD: (chapters/pages/ref./tables/pictures/graphs/appendixes)

Hardware expansion and software upgrade

Scientific field, SF: Electrical Engineering

Scientific discipline, SD: Computer Engineering, Engineering of Computer Based Systems

Subject/Key words, S/KW: Smart House

UC

Holding data, HD: The Library of Faculty of Technical Sciences, Novi Sad, Serbia

Note, N:

Abstract, AB: Wall dimmer device is to be expanded with one more button and light indication, furthermore the device will be upgraded with the possiblity of OTA (upgrading the device’s firmware wirelessly).

Accepted by the Scientific Board on, ASB: 20.4.2018.

Defended on, DE: 4.5.2018

Defended Board, DB: President: Dr. Nebojša Pjevalica, professor

Member: Dr. Miodrag Đukić, assistant professor Menthor's sign

Member, Mentor: Dr. Ištvan Pap, professor

I

Zahvalnost

Zahvaljujem se mentoru dr Ištvanu Papu na pruţenoj prilici kao i na pomoći prilikom

izrade ovog rada.

Dugujem veliku zahvalnost i Aleksandru Ţivkoviću i mnogim drugim kolegama zbog

pruţenih saveta i sveobuhvatne podrške tokom izrade rada.

Srdačno se zahvaljujem i svojim roditeljima na beskrajnoj podršci i pomoći tokom

studiranja.

II

SADRŽAJ

1. Uvod ................................................................................................................................ 1

2. Teorijske osnove ............................................................................................................. 2

2.1 Zidni dimer ............................................................................................................... 2

2.2 CC2530 integrisano kolo .......................................................................................... 3

2.3 ZigBee beţična komunikacija .................................................................................. 4

2.3.1 Arhitektura ZigBee protokola .............................................................................. 6

2.3.2 ZigBee biblioteka grupa ...................................................................................... 8

2.3.3 OTA mehanizam za aţuriranje programske podrške ........................................... 8

2.4 Bootloader (Pokretač operativnog sistema) ............................................................. 9

3. Koncept rešenja ............................................................................................................. 11

4. Programsko rešenje ....................................................................................................... 14

4.1 Podela funkcije za upravljanjem svetlom i uzastopnim pritiscima ........................ 15

4.2 Rešenje problema blokirajuće funkcije svetlosne indikacije ................................. 17

4.3 Proširivanje celokupne programske podrške za nadogradnju beţično ................... 18

5. Testiranje ...................................................................................................................... 20

6. Zaključak ...................................................................................................................... 25

7. Literatura ....................................................................................................................... 26

III

SPISAK SLIKA

Slika 2.1 Zidni dimer ............................................................................................................. 3

Slika 2.2 Blok šema integrisanog kola CC2530 .................................................................... 4

Slika 2.3 Primer mreţaste topologije ..................................................................................... 6

Slika 2.4 ZigBee protokol stek ............................................................................................... 7

Slika 2.5 Primer OTA postupka ............................................................................................. 9

Slika 2.6 Pokretač operativnog sistema ............................................................................... 10

Slika 4.1 Dijagram rada stare verzije zidnog dimera ........................................................... 14

Slika 4.2 Dijagram rada nove verzije zidnog dimera ........................................................... 15

Slika 5.1 Grafičko korisničko okruţenje OTA server alata ................................................. 20

Slika 5.2 RS-232 priključak na SmartRF05 EB razvojnoj ploči sa prikačenim serijskim

kabelom ......................................................................................................................................... 21

Slika 5.3 SmartRF05 EB razvojna ploča sa CC2530 integrisanim kolom ........................... 21

Slika 5.4 Test okruţenje sa jednom SmartRF05 EB pločom i dva dimera .......................... 23

IV

SPISAK TABELA

Tabela 3.1 Mogućnosti stare verzije zidnog dimera ............................................................ 12

Tabela 3.2 Sposobnosti nove verzije zidnog dimera ............................................................ 13

Tabela 4.1 Funkcije za upravljanje zidnim dimerom ........................................................... 16

Tabela 4.2 Funkcija naizmeničnog treptanja LED diode ..................................................... 17

Tabela 5.1 Vremena nadogradnje operativnog sistema i uspešnost nadogradnje ................ 22

Tabela 5.2 Testiranje primarnih tastera ................................................................................ 24

Tabela 5.3 Testiranje sekundarnog tastera ........................................................................... 24

V

SKRAĆENICE

FPGA - Field Programming Gate Array

CPU -Central Processor Unit

GND -Oznaka za signal na nultom potencijaluE

OTA -Over the Air

LED -Light Emission Diodes

CFL -Compact Fluorescent Lamp

IEEE -Institute of Electronics and Electronics Engineers

RF -Radio Frequency

DSSS -Direct Sequence Spread Spectrum

PAN -Personal Area Network

ZCL -Zigbee Cluster Library

SoC -System on Chip

RF -Radio Frequency

AES -Advanced Encryption Standard

M2M -Machine to machine

CRC -Cyclic Rendundancy Check

MAC -Media Access Control

SAP -Service Access Point

ZDO -ZigBee Device Object

APS -Application Support Sublayer

CSMA/CA -Carrier Sense Multiple Access with Collission Avoidance

1

1. Uvod

Ovaj rad predstavlja jedan od načina za proširenje postojeće izvedbe zidnog dimera, u vidu

promene programske podrške i fizičke arhitekture. Proširenje fizičke arhitekture sa jednog na

dva prekidača zahteva nadogradnju programske prodrške. Ovaj rad će se baviti proširenjem

postojećih funkcija programske podrške, kao i dodavanjem novih funkcija koje su postale

neophodne zbog promena na fizičkoj arhitekturi.

Osnovna funkcionalnost zidnog dimera je upravljanje radom sijalice, pri čemu pojam

dimovanja predstavlja promenu jačine svetla. Postojeća konfiguracija zidnog dimera predviĎala

je upotrebu samo jednog prekidača pa je izazov predstavljalo osposobljavanje drugog prekidača i

dodavanje novih korisničkih mogućnosti koje su implementovane u ovom radu.

Pojednostavljenje rada zidnog dimera ogleda se u preciznijoj kontroli jačine svetla za koju

su morale biti napisane dodatne funkcije u programskoj podršci što je i tema ovog rada. Pojam

pojednostavljenje je za korisnika veoma relativan, ali je u ovom radu pokazana fleksibinost

zidnog dimera, kao i mogućnost izmene u odnosu na zahteve i potrebe klijenta.

Rad se sastoji od sedam poglavlja. U drugom poglavlju su opisani teorijski pojmovi i

koncepti na kojima se ovaj rad zasniva. U trećem poglavlju predstavljen je koncept rešenja.

Četvrto poglavlјe detaljno opisuje programsko rešenje. U petom poglavlju dat je opis postupka

ispitivanja kao i postignuti rezultati. Šesto poglavlјe sadrţi zaključak, u kome je saţeto sve što je

uraĎeno u okviru rada. Poslednje, sedmo poglavlјe sadrţi spisak literature korišćene u realizaciji

rada.

2

2. Teorijske osnove

Teorijske osnove daju kratak pregled fizičke arhitekture, programske podrške i protokola

na koje se rešenje oslanja. Zidni dimer je prvi opisan sa akcentom na njegovu funkcionalnost a

zatim je opisana i fizička arhitektura integrisanog kola CC2530 na kojoj se izvršava programska

podrška zidnog dimera. U poslednjem delu opisan je ZigBee protokol, dat je opis osnovnog

načina funkcionisanja protokola i njegove funkcionalnosti, pre svega OTA (eng. Over The Air)

funkcionalnosti.

2.1 Zidni dimer

Zidni dimer je pre svega ureĎaj koji sluţi za regulaciju jačine osvetljaja sijalice, u ovom

slučaju predviĎen da bude ugraĎen na zid poput običnog prekidača. Pametni Dimer je beţično

kontrolisani regulator svetlosti koji moţe raditi samostalno ili kao deo kućnog sistema

automatizacije. UreĎaj je usklaĎen sa ZigBee standardom za kućnu automatizaciju verzije 1.2

(ZHA) i garantovano je da funkcioniše sa bilo kojim sistemom usklaĎenim sa ZHA 1.2. Pametni

dimer podrţava LED (engl. Light Emission Diodes) diode, klasične sijalice sa uţarenim vlaknom

i CFL (engl. Compact Fluorescent Lamp) sijalice. UreĎaj ima dva reţima rada:

1. Prekidački reţim rada koji samo isključuje i uključuje svetlo.

2. Dimerski reţim rada koji podešava jačinu osvetljaja sijalice.

Trenutno rešenje je realizovano sa jednim tasterom za regulaciju jačine osvetljaja sijalice i

drugim tasterom za podešavanje reţima rada i dve LED diode. Algoritam tastera za promenu

rada nije menjan, ostao je identičan kao i prethodna realizacija da bi se odrţala konzistentnost sa

drugim ureĎajima u automatskim kućama. Taster za regulaciju svetla je proširen, tačnije

3

podeljen na dva tastera, što uvodi promene u algoritmu realizacije programske podrške, kao što

je prikazano na slici 2.1.

Slika 2.1 Zidni dimer

Programska podrška zidnog dimera je realizovana na CC2530 integrisanom kolu, koje je

detaljnije opisano u sledećem poglavlju. Programski jezik C korišćen je prilikom realizacije ovog

rada, u IAR Workbench programskom okruţenju jer je postojeća programska podrška razvijena

na ovaj način.

2.2 CC2530 integrisano kolo

CC2530 je pravo rešenje za IEEE 802.15.4, ZigBee i RF4CE aplikacije koje koristi sistem

integrisanog kola (engl. System on Chip - SoC). On omogućava da robusni mreţni čvorovi

budu napravljeni sa niskom cenom materijala. CC2530 kombinuje izuzetna svojstva vodećeg

RF (engl. Radio Frequency) primopredajnika sa pojačanom programabilnom fleš memorijom

industrijskog kvaliteta 8051 MCU sa 8-KB RAM. CC2530 ima brojne reţime rada što ga čini

veoma pogodnim za sisteme gde se zahteva izuzetno niska potrošnja energije. Kratko vreme

prelaza izmeĎu reţima rada dalje osigurava smanjenu potrošnju energije. U zidni dimer je

ugraĎeno CC2530 integrisano kolo.

4

Slika 2.2 Blok šema integrisanog kola CC2530

2.3 ZigBee bežična komunikacija

ZigBee je beţična tehnologija razvijena kao otvoreni globalni standard koji treba da

odgovori na jedinstvene zahteve niske cene i male potrošnje energije beţičnih M2M (engl.

Machine to machine) mreţa. ZigBee je baziran na IEEE 802.15.4 standardu personalnih

računarskih mreţa (engl. PAN – Personal Area Network), a radi u nelicenciranim opsezima

uključujući 2.4GHz, 900 MHz i 868 MHz. 802.15.4 standard, na kom radi ZigBee, ratifikovan je

2003. godine od strane IEEE (engl. Institute of Electronics and Electronics Engineers). Standard

5

predstavlja radio protokol namenjen jeftinim ureĎajima, napajanim pomoću baterija. UreĎaji

mogu da komuniciraju u različitim topologijama mreţe, a vek trajanja baterije moţe biti i po

nekoliko godina.

ZigBee protokol su stvorile i ratifikovale kompanije, članice ZigBee alijanse (ZigBee

Alliance). Preko 300 kompanija, vodećih u svetu informacionih tehnologija čini članstvo u

ZigBee alijansi. ZigBee protokol je dizajniran da na jednostavan način obezbedi beţični prenos

podataka, koji odlikuje bezbedna i pouzdana arhitektura. Protokol je konstruisan tako da

komunicira kroz “neprijateljska” RF okruţenja koja su uobičajena u komercijalnim i

industrijskim aplikacijama.

ZigBee karakteriše i:

Podrška za višestruke topologije mreţa kao što su tačka-tačka, tačka-više tačaka i

mreţaste mreţe;

Nizak radni ciklus – obezbeĎuje dug vek baterije;

Malo kašnjenje;

DSSS (engl. Direct Sequence Spread Spectrum);

Do 65.000 čvorova na mreţi;

128-bitno AES šifrovanje, za bezbedan prenos podataka;

Izbegavanje sudara.

Ključna komponenta ZigBee protokola je mogućnost podrţavanja mreţaste topologije (slika

2.3). U mreţastoj topologiji, čvorovi su povezani sa drugim čvorovima, tako da višestruki putevi

povezuju svaki čvor. Veza izmeĎu čvorova se dinamički aţurira i optimizuje preko sofisticirane

ugraĎene mreţaste tabele za rutiranje. Mreţaste mreţe su decentralizovane. Svaki čvor je u

stanju da samostalno istraţuje mreţu. TakoĎe, kada čvor napusti mreţu, mreţasta topologija

omogućava čvorovima da rekonfigurišu putanje rutiranja na osnovu nove strukture mreţe.

Karakteristike mreţaste topologije i ad hoc rutiranje obezbeĎuju veću stabilnost prilikom

promene uslova ili pojave odreĎenih problema na pojedinim čvorovima.

Postoje tri različita tipa ZigBee ureĎaja:

ZigBee koordinator (engl. coordinator) – najsposobniji ureĎaj, koordinator predstavlja

koren stabla mreţe i ureĎaj koji sluţi za spajanje sa drugim mreţama. Svaka mreţa

ima samo jedan koordinator. On je u stanju da skladišti informacije o mreţi;

ZigBee ruter (engl. router);

6

ZigBee krajnji ureĎaj (engl. end device) – sadrţi upravo onoliko funkcija koliko mu je

dovoljno da komunicira sa matičnim čvorom (bilo koordinatorom ili ruterom). On

omogućava da čvor „spava” i na taj način štedi bateriju. Zahteva najmanju količinu

energije i stoga je i jeftiniji od koordinatora i rutera.

ZigBee omogućava široku primenu beţičnih mreţa sa niskom cenom i malom potrošnjom

energije. Pomoću jeftinih baterija pruţa mogućnost za nadgledanje i upravljanje aplikacijama

koje moţe trajati godinama. Upravljanje osvetljenjem, sistemima automatizacije u zgradama,

praćenje stanja u rezervoarima, medicinski ureĎaji, i sl. su samo neka od mnogih mesta gde

ZigBee postiţe značajan uspeh .

Slika 2.3 Primer mreţaste topologije

2.3.1 Arhitektura ZigBee protokola

ZigBee specifikacijom definisani su slojevi arhitektura protokola iznad fizičkog sloja i

MAC (engl. Medium Access Control) podsloja.

7

Slika 2.4 ZigBee protokol stek

Svaki sloj pruţa odreĎene usluge sloju iznad sebe. Komunikacija izmeĎu slojeva se

realizuje preko pristupne tačke (engl. Service Access Point - SAP ). Stek definiše 4 sloja:

Aplikacioni sloj (APL)

Mreţni sloj (NWK)

Podsloj za pristup mreţi

Fizički sloj

Aplikativni sloj se takoĎe sastoji iz nekoliko slojeva u okviru koga se definišu korisničke

aplikacije. Aplikativni sloj se sastoji od :

Aplikacionog okvira (engl. Application Framework) – unutar koga se definišu

korisničke aplikacije

ZigBee objekta (engl. ZigBee Device Object - ZDO) koji sadrţi informacije o samom

ureĎaju

Aplikacionog podsloja za podršku (engl. Application Support Sublayer - APS) – na

ovaj sloj se oslanjaju prethodna dva sloja i ovaj sloj im nudi aplikacionu podršku

sličnu TCP u TCP/IP mreţama

Sigurnosnog sloja – koji pruţa aplikacionom i mreţnom sloju mehanizme šifrovanja.

Mreţni sloj brine o adresiranjima i usmeravanju poruka. Ovaj sloj ima ulogu u pokretanju

mreţnog koordinatora koji vodi računa o mreţi. Mreţni sloj dodeljuje mreţne adrese, zatim

dodaje i uklanja ureĎaje u mreţi. On takoĎe otkriva putanje i prosleĎuje poruke koje odrţavaju

iste. Ovaj sloj se bavi i primenom sigurnosnih mehanizama.

Sloj pristupa medijumu predstavlja spregu izmeĎu fizičkog i mreţnog sloja. On je

odgovoran za pruţanje pouzdane komunikacije izmeĎu ureĎaja u mreţi koristeći CSMA/CA

(engl. Carrier Sense Multiple Access With Collission Avoidance) protokol. Uz ovo on formira

ramove koji se šalju na fizički nivo i dekomponuje ramove koji su stigli sa njega. Fizički sloj

ZigBee steka ima mogućnost slanja poruka kroz tri frekvencijska opsega.

8

Frekvencijski opsezi su:

868MHz (Evropa)

915MHz (SAD)

2.4GHz (univerzalna frekvencija)

Opsezi imaju različite brzine prenosa podataka: 20, 40 i 250 KBPS.

2.3.2 ZigBee biblioteka grupa

ZigBee biblioteka grupa (eng. Zigbee Cluster Library ZCL) je definisana od strane ZigBee

alijanse da bi se ubrzao razvoj i standardizacija javnih profila. ProizvoĎačima je omogućeno da

brzo izgrade ZigBee proizvode sa doslednošću i kompatibilnošću. ZigBee biblioteka grupa

obuhvata velik broj standardnih grupa koje se mogu primeniti na različite funkcionalne oblasti i

omogućavaju zajednička sredstva aplikacijama da bi mogle meĎusobno komunicirati. Pored

velikog broja standardnih grupa postoje i grupe koje nisu zvanično deo ZigBee biblioteke grupa.

2.3.3 OTA mehanizam za ažuriranje programske podrške

Jedna od tih grupa je i OTA (engl. Over The Air) koja ima generalnu primenu u promeni

postojeće programske podrške. Ova grupa ne pripada zvaničnoj biblioteci, kao što je ranije

navedeno, ali se moţe uključiti zajedno sa standardnim grupama da bi se izvršila nadogradnja

postojećih izvedbi programske podrške.

OTA grupa se ponaša kao posluţilac na čvoru koji raspodeljuje programske podrške i kao

klijent na čvoru koji aţurira postojeću programsku podršku. Posluţilac koji raspodeljuje prima

programsku podršku van mreţe i nakon toga je raspodeljuje.

Raspodela se vrši u odreĎenim koracima prikazanim na slici 2.4. OTA postupak započinje

tako što posluţilac šalje poruku Image Notify (srp. obaveštenje o slici) uskopojasno jednom

ureĎaju ili širokopojasno ka više ureĎaja da obavesti da postoji nova slika. Zatim posluţilac

odluči da li da aţurira trenutnu sistemsku programsku podršku potraţioca na osnovu informacija

sadrţanih u Query Next Image Request (srp. zahtev upita sledeće slike) poruci poslatoj od strane

potraţioca. Nakon ovoga, šalje se Query Next Image Response (srp. odgovor upita sledeće slike)

poruka da obavesti potraţioca da li je dostupna nova verzija sistemske programske podrške,

odnosno da li će početi preuzimanje.Tokom preuzimanja šalju se se poruke Image Block Request

(srp. zahtev odlomka slike) i Image Block Response (srp. odgovor odlomka slike) koje sadrţe

odlomak, slike se razmenjuju izmeĎu opsluţioca i potraţioca. Potraţilac primljene blokove

upisuje u sekundarno skladište koje moţe biti unutrašnje ili spoljašnje.

Na kraju kad potraţilac primi celu sliku posluţiocu se šalje poruka Upgrade End Request

(srp. krajnji zahtev nadogradnje). Kao odgovor, posluţilac šalje nazad poruku Upgrade End

9

Response (srp. krajnji odgovor nadogradnje) kojom obaveštava potraţioca kad da počne prelaz

na novu sistemsku programsku podršku.

Slika 2.5 Primer OTA postupka

2.4 Bootloader (Pokretač operativnog sistema)

Pokretač operativnog sistema je deo koda koji se pokreće pre samog operativnog sistema.

Pokretači se koriste da bi podigli druge operativne sisteme i sadrţe komande za odabir

upravljačkog sistema.

U slučaju zidnog prekidača, pokretač operativnog sistema pokreće postojeći sistem i

proverava da li postoji novija verzija sistema u spoljašnjem skladištu. Ukoliko postoji, pokretač

nalepljuje sliku novog sistema koja je poslata beţičnim putem što je objašnjeno u prethodnom

poglavlju.

Učitavač pomera adresu početka operativnog sistema, odnosno sa adrese 0x0000 na

0x0800 da bi se oslobodio prostor za sam pokretač što je prikazano na slici 2.6.

10

Slika 2.6 Pokretač operativnog sistema

Pokretač operativnog sistema pre nego što izvrši zamenu nove i stare verzije operativnog

sistema mora da pokrene CRC algoritam (engl. Cyclic Rendundancy Check) koji ima svoju

primenu u detekciji greške prilikom promena na podacima. Nakon što se uspešno izvrši provera,

stara verzija se zamenjuje novom verzijom operativnog sistema.

11

3. Koncept rešenja

Rešenje se sastoji od proširivanja postojećeg zidnog dimera. Cilj je da se za postojeću

fizičku arhitekturu koja je proširena još jednim korisničkim tasterom i svetlosnom indikacijom

realizuje nova programska podrška koja će upravljati nadogradnjama i da se omogući beţična

nadogradnja postojeće upravljačke programske podrške. Nadogradnja se vrši po ugledu na

prethodnu izvedbu zidnog dimera, odnosno ne narušava prethodne funkcionalnosti nego ih samo

nadograĎuje i pojednostavljuje. Drugim rečima, prethodne programske izvedbe upravljanja

pritiskom na taster su u ovom slučaju samo razdeljene, pa se samim tim pojednostavila

programska izvedba. Po istom principu ni logika nameštanja svetlosne indikacije nije značajno

menjana, nego je samo proširena za broj kombinacija koji se dobio dodavanjem još dva svetlosna

indikatora. Kod proširivanja za beţičnu nadogradnju programske podrške ipak se moralo ići

korak po korak, jer nije postojala prethodna izvedba.

Kad se sve sumira, koraci u implementaciji rešenja bi bili sledeći :

1. Podela funkcije za upravljanje svetlom i uzastopnim pritiscima

2. Proširivanje broja kombinacija svetlosne indikacije

3. Proširivanje celokupne programske podrške za nadogradnju beţično

4. Testiranje nove programske podrške

Svaki od ovih koraka će biti opisan i detaljnije objašnjen u sledećim poglavljima.

Prethodno rešenje fizičke arhitekture zidnog prekidača se sastojalo iz dva tastera:

primarnog za upravljanje svetlom i sekundarnog za upravljanje reţimom rada. Na tabeli 3.1

prikazane su sve mogućnosti oba tastera onako kako ih je proizvoĎač zamislio.

12

Taster Rad

tastera Funkcija tastera

LED

Indikacija

Primarno

1x kratak pritisak Uključivanje/Isključivanje

2x kratak pritisak Postavljanje jačine osvetljaja na

maksimum (u dimer reţimu)

Dug pritisak (duţe

od 2 sekunde)

Podešavanje jačine osvetljaja (u dimer

reţimu)

Uključivanje/Isključivanje (u

prekidačkom reţimu)

Sekundarno

1x kratak pritisak

Otvaranje ZigBee mreţe Treptaj zelena

Pristupanje mreţnom prolazu Treptaj crvena

2x kratak pritisak Uparivanje kao inicijator Treptaj zelena

3x kratak pritisak Uparivanje kao meta Treptaj narandţasta

Dug pritisak

(pribliţno 5

sekundi)

Stvaranje sopstvene ZigBee mreţe Treptaj zelene i crvene

naizmenično

10x kratak pritisak Vraćanje na fabrička podešavanja Crvena

15x kratak pritisak

Promena reţima rada iz prekidača u

dimer 4x treptaj narandţasta

Promena reţima rada iz dimera u

prekidač 4x treptaj crvena

Tabela 3.1 Mogućnosti stare verzije zidnog dimera

Ideja novog rešenja se zasniva na usavršavanju fizičke arhitekture i programske podrške. Fizička

arhitektura prekidača je usavršena dodavanjem još jednog tastera i dve LED diode za svetlosnu

indikaciju. Neizbeţne razlike u programskoj podršci su objašnjene u poglavlju Programsko

rešenje. Inovacije u fizičkoj arhitekturi prekidača prikazane su na tabeli 3.2.

13

Taster Rad

tastera Funkcija tastera

LED

Indikacija

Gornji

primarni

1x kratak pritisak Uključivanje

2x kratak pritisak Postavljanje jačine osvetljaja na

maksimum (u dimer reţimu)

Dug pritisak (duţe

od 2 sekunde)

Podešavanje jačine osvetljaja (u dimer

reţimu)

Donji

primarni

1x kratak pritisak Isključivanje

2x kratak pritisak Postavljanje jačine osvetljaja na

minimum (u dimer reţimu)

Dug pritisak (duţe

od 2 sekunde)

Podešavanje jačine osvetljaja (u dimer

reţimu)

Sekundarni

1x kratak pritisak

Otvaranje ZigBee mreţe Treptaj zelena

Pristupanje mreţnom prolazu Treptaj crvena

2x kratak pritisak Uparivanje kao inicijator Treptaj zelena

3x kratak pritisak Uparivanje kao meta Treptaj narandţasta

Dug pritisak

(pribliţno 5

sekundi)

Stvaranje sopstvene ZigBee mreţe Treptaj zelene i

crvene naizmenično

10x kratak pritisak Vraćanje na fabrička podešavanja Crvena

15x kratak pritisak

Promena reţima rada iz prekidača u

dimer 4x treptaj narandţasta

Promena reţima rada iz dimera u

prekidač 4x treptaj crvena

Tabela 3.2 Sposobnosti nove verzije zidnog dimera

14

4. Programsko rešenje

U ovom poglavlju je detaljno objašnjeno rešenje, odnosno postupak podele prethodne

upravljačke funkcije za kontrolu jačine osvetljaja sijalice. Opisan je i postupak nadogradnje

postojećeg rešenja za mogućnost beţične nadogradnje (OTA).

Mogućnosti zidnog prekidača prikazane su na slici 4.1. Slika pokazuje prethodno rešenje

programske podrške koja odgovara nepromenjenoj fizičkoj arhitekturi prekidača. Primarni taster

kontroliše jačinu osvetljaja sijalice koristeći duţinu pritiska kao potenciometar. Na slici je takoĎe

prikazana inverzija smera u slučaju ponovnog dugog pritiska. Kratkim pritiscima svetlo se

isključuje i uključuje dok dva uzastopna kratka pritiska postavljaju jačinu osvetljaja sijalice na

maksimum.

Slika 4.1 Dijagram rada stare verzije zidnog dimera

15

4.1 Podela funkcije za upravljanjem svetlom i uzastopnim

pritiscima

Promenjena fizička arhitektura uslovljava promene u programskoj podršci što je

objašnjeno u nastavku poglavlja. Slika 4.2 prikazuje novo rešenje programske podrške.

Slika 4.2 Dijagram rada nove verzije zidnog dimera

Nova funkcija izbegava pamćenje smera tako što funkciju deli na dve pojedinačne funkcije

koje regulišu jačinu osvetljaja respektivno. Deljenje na dve funkcije dalje doprinosi

pojednostavljenju podešavanja i preglednosti programskog koda.

Dodata je funkcija WD_ProccesMainKeyPressUp koja se nalazi u sloju aplikacije, a

koja se poziva na fizički pritisak gornjeg tastera čime je omogućena funkcionalnost novog

tastera. Za donji taster dodata je funkcija WD_ProccessMainKeyPressDown u sloju

aplikacije koja se poziva fizičkim pritiskom donjeg tastera i predstavlja rešenje za taj taster.

Prethodne funkcije ubačene su kao odgovor na promenjenu fizičku arhitekturu. Ovim rešenjem

izbegnuta je inverzija smera (eng. toggle) što pojednostavljuje programsku podršku. Funkcijama

za pritisak gornjeg i pritisak donjeg tastera se prosledjuje parametar pressLength, pomoću

kojeg funkcije mogu da saznaju da li je registrovan kratak ili dugačak pritisak. Ukoliko se bilo

koji od tastera drţi duţe od jedne sekunde, pritisak se registruje kao dugačak i parametar

pressLength se postavlja na vrednost indikatora stanja za dugačak pritisak. U suprotnom

slučaju se postavlja na vrednost za kratak pritisak. Zbog mogućnosti dimovanja, osim indikatora

stanja za kratak i dugačak pritisak, postoji i indikator za prestanak dugog pritiska (puštanje

tastera nakon dugog pritiska) da bi dimer znao da treba da zaustavi dimovanje bilo to ka jačem

osvetljaju sijalice ili manjem.

16

Nova fizička arhitektura je dozvolila proširenje mogućnosti prilikom dva uzastopna kratka

pritiska. Ukoliko unutrašnji merač vremena ne registruje pritisak duţi od 1000 milisekundi,

prepoznaje stisak kao kratak. Vremenski interval od 500 milisekundi za pojedinačni stisak tastera

ostavlja prostora za buduća proširenja programske podrške za više od dva uzastopna pritiska.

Ukoliko se taster pritisne kratko, merač vremena ostavlja 500 milisekundi za sledeći pritisak,

ukoliko se desi pritisak, brojač se resetuje i čeka ponovo sledeći pritisak. Nakon svakog kratkog

pritiska lokalna promenljiva se povećava i nakon sto meraču vremena istekne vreme predviĎeno

za čekanje sledećeg pritiska, poziva se funkcija koja na osnovu broja pritisaka upravlja jačinom

osvetljaja sijalice. Radi bolje preglednosti koda i funkcionalnosti, postoje indikatori stanja za

minimalan i maksimalan broj kratkih pritisaka. Ukoliko lokalna promenljiva ne zadovolji ni

jedan od dva postavljena uslova, odnosno ne poklopi se ni sa jednim od dva indikatora stanje

sijalice će ostati nepromenjeno. Funkcija uzastopnih pritisaka prethodnog rešenja takoĎe je

podeljena na dve funkcije da bi se dobila opcija duplog pritiska za oba tastera, jer problem sa

jednom funkcijom je bilo odreĎivanje koji je taster pritisnut, gornji ili donji, meĎutim podelom

na dve je kod dobio na preglednosti. U samom programskom rešenju te dve funkcije su dodate

pod sledećim imenima kao WD_ProccessMainSWConsecutivePressUp i

WD_ProccessMainSWConsecutivePressDown. Ove dve funkcije smeštene su u nivo

aplikacije, a pozivaju ih funkcije koje očitavaju fizički pritisak. Podešavanje jačine osvetljaja na

maksimum postiţe se putem dva kratka pritiska gornjeg tastera, a minimalna jačina osvetljaja

duplim pritiskom donjeg taster i omogućene su samo u dimerskom reţimu rada.

Domen Povratna

vrednost Naziv

Ulazni

parametri

static void WD_ProccesMainKeyPressUp uint8

pressLength

static void WD_ProccessMainKeyPressDown uint8

pressLength

static void WD_ProccessMainSWConsecutivePressUp void

static void WD_ProccessMainSWConsecutivePressDown void

Tabela 4.1 Funkcije za upravljanje zidnim dimerom

17

4.2 Rešenje problema blokirajuće funkcije svetlosne indikacije

Fizička arhitektura zidnog dimera sadrţi dve LED diode čije funkcije nisu menjane u

novom rešenju, ali su zbog povećanja broja dugmadi dodate još dve LED diode.

Prilikom stvaranja sopstvene Zigbee mreţe (dug pritisak – pribliţno 5 sekundi) LED diode su u

zidnom dimeru treptale naizmenično na poziv blokirajuće funkcije, što znači da nijedna druga

operacija nije mogla biti izvršavana do prestanka naizmeničnog treptanja. Prilikom rada

programske podrške u realnom vremenu blokirajuća funkcija moţe da izazove neočekivane

probleme zbog prekida svih drugih funkcija.

Novo rešenje predviĎa menjanje blokirajuće funkcije u neblokirajuću da bi se izbegli

eventualni problemi (npr. problem sa nadogradnjom postojeće programske podrške). Prethodno

rešenje je blokiralo niz izvršavanja zadataka dajući primarnu ulogu blokirajućoj funkciji,

odnosno naizmeničnom treptanju. Trenutno rešenje postavlja funkciju koja izdaje naredbu

naizmeničnog treptanja unutar strukture da bude deo niza čime se ne prekida tok operacija.

Dodata je funkcija HalLedBlinkAlt u sloj fizičke arhitekture pomoću koje moţemo podesiti

koju LED diodu ţelimo upaliti (leds), izabrati koliko puta da trepne (numBlinks), izabrati

udeo svetljenja diode u datom periodu (percent) i period trajanja svakog ciklusa u

milisekundama (period).

Povratna

vrednost Naziv Ulazni parametri

void HalledBlinkAlt uint8 leds, uint8 numBlinks, uint8

percent, uint16 period

Tabela 4.2 Funkcija naizmeničnog treptanja LED diode

Ovakvo rešenje dozvoljava korišćenje naizmeničnog treptanja kao indikaciju za bilo koji

reţim rada koji će biti realizovan u budućnosti.

Reţimi rada LED svetlosne indikacije nakon rešavanja problema blokirajuće funkcije:

Treptaj – uključivanje i isključivanje LED diode u vremenskom intervalu od 500

milisekundi.

Naizmenično treptanje – naizmenično uključivanje i isključivanje najmanje dve, a

najviše četiri LED diode.

Blicanje(eng.Flash) – uključivanje i isključivanje LED diode u vremenskom

intervalu kraćem od treptaja.

Svetljenje – dugo svetljenje LED diode u predviĎenom vremenskom roku.

18

Pojedinačni reţimi rada su podešeni da mogu da rade istovremeno sa jednom ili više dioda.

Duţina rada funkcija, duţina svetljenja diode i razlog upotrebe su podesivi u odnosu na

specifikacije proizvoĎača.

4.3 Proširivanje celokupne programske podrške za nadogradnju

bežično

Proširivanje programske podrške sastoji iz nekoliko koraka čime se programska podrška

priprema za novo rešenje beţične nadogradnje. Proširivanje programske podrške zasniva se na

dodavanju pokretača sistema, menjanju prethodnog algoritma rada koda i uvoĎenju novina da bi

se omogućila OTA funkcionalnost.

Operaciju proširivanja programske podrške vaţno je izvršiti u pojedinačnim koracima da

bi se izbegle greške, odnosno da bi se eventualne naknadne promene lakše izvršile.

Redosled koraka izvršenih u ovom rešenju:

1. UvoĎenje pokretača operativnog sistema, odnosno pomeranje adrese početka koda

jer prethodno rešenje nije imalo pokretač operativnog sistema.

2. Nakon uvoĎenja pokretača operativnog sistema pojavio se problem nedostatka

mesta na integrisanom kolu što je predstavljalo problem za uvoĎenje OTA

funkcionalnosti. Nakon pregleda koda i provere veličine odreĎenih celina koda

izabrano je rešenje izbacivanja jedne celine umesto nekoliko sitnijih delova koda.

Izbačena je celina koja je pamtila stanje jačine osvetljaja sijalice prilikom

nestanka električne energije. Ova celina se pokazala kao najmanje bitna u odnosu

na ostatak koda.

3. Dodavanje nove funkcije (zclOTA_Init (taskID++)) u funkciju

inicijalizacije nivoa koji rukovodi rasporedom (osalInitTasks (void)),

upravljanjem memorije i komunikacijom izmeĎu slojeva (OSAL nivo – engl.

Operating System Abstraction Layer). Kao rezultat dodavanja ove funkcije dobije

se inicijalizacija OTA procesa.

4. Dodavanje nove petlje (zclOTA_event_loop) u niz zadataka da bi sluţile kao

katalizator za funkciju inicijalizacije nakon što dobiju poruku od OSAL nivoa.

19

5. Promena funkcije koja rukovodi odnosom izmeĎu poruka i dogaĎaja, npr.

prilikom nadogradnje sistemske programske podrške.

6. Uvrštavanje neophodnih datoteka ("zcl.h", "zcl_ota.h" i "hal_ota.h") da

bi se kod mogao prevesti, odnosno korištenje biblioteke koja sadrţi te datoteke da

bi im se moglo pristupiti. Potrebno je podesiti prevodilac programa korišćenjem

postojećih ekstenzija za kreiranje izlaznog programa da bi se stvorila slika koja se

šalje u OTA procesu.

20

5. Testiranje

Testiranje novog rešenja zidnog dimera je vršeno nad svim mogućnostima bez obzira da li

su dodate u novom rešenju ili su deo prethodnog. Testirana je promenjena fizička arhitektura,

kao i dodata programska podrška, odnosno beţična nadogradnja sistema programske podrške.

Test je vršen u realnom vremenu, fizički isprobavajući svaku od mogućnosti koje nudi

zidni dimer. Alati koji su korišteni prilikom testiranja su:

3 zidna dimera

Ota server program

SmartRF05EB razvojna ploča

OTA Dongle

OTA server je Texas Instruments-ov početni pomoćni alat sa grafičkim okruţenjem za

korišćenje OTA server aplikacije. Zahteva Windows XP ili noviji i RS-232 serijski priključak,

preko kojeg se povezuje sa SmartRF05EB razvojnom pločom na kojoj je pokrenut OTA Dongle

program preko RS-232 serijskog priključka.

Slika 5.1 Grafičko korisničko okruţenje OTA server alata

21

Slika 5.2 RS-232 priključak na SmartRF05 EB razvojnoj ploči sa prikačenim serijskim kabelom

Slika 5.3 SmartRF05 EB razvojna ploča sa CC2530 integrisanim kolom

Testiranje je podeljeno u 2 celine:

Funkcionalno testiranje novih i postojećih mogućnosti

Testiranje performansi

22

Rezultati testiranja primarnih tastera i sekundarnog tastera su prikazani u tabeli 5.2.

odnosno 5.3 dok je testiranje OTA funkcionalnosti i izmereno vreme nadogradnje operativnog

sistema prikazano u tabeli 5.1

Broj dimera Srednja vrednost [min] Prolaznost

1 12.12 Uspešno

2 9.19 Uspešno

3 7.9 Uspešno

Tabela 5.1 Vremena nadogradnje operativnog sistema i uspešnost nadogradnje

Da bi se testirala nova nadograĎena OTA funkcionalnost trebalo je podesiti celokupno

okruţenje. Da bi se test mogao izvesti, bilo je potrebno pripremiti serversku i klijentsku stranu.

Za pripremu serverske strane, potreban je bio gore pomenuti OTA server program (Slika 5.1)

koji je bio spojen sa računarom serijskim kabelom sa RS-232 priključkom (Slika 5.2) na

SmartRF05 EB razvojnu ploču (Slika 5.3). Za klijentsku stranu je bio potreban jedan ili više

dimera koji su u sebi imali već spomenuto CC2530 integrisano kolo koje je podrţavalo OTA

funkcionalnost. Zatim je morala biti spremljena i upravljačka programska podrška koja je sluţila

za nadogradnju. Da bi se moglo potvrditi da je uspešno nadograĎena upravljačka programska

podrška, u svrhu testa je promenjena svetlosna indikacija, odnosno prilikom pokretanja nove

verzije, svetlosna indikacija za početak rada ili promenu reţima je treptala više puta u odnosnu

na standardnu verziju, vodeći računa da se ne poklopi sa nekom standardnom da nebi došlo do

zbunjivanja prilikom testa. Na slici 5.4 je prikazano testno okruţenje sa dva dimera SmartRF05

EB razvojnom pločom.

23

Slika 5.4 Test okruţenje sa jednom SmartRF05 EB pločom i dva dimera

Iako bi srednja vrednost nadogradnje programske podrške na više dimera istovremeno

trebala biti brţa onoliko puta koliko ima dimera, rezultati su pokazali da ipak nije tako. Ubrzanje

postoji i u proseku se izmeĎu 25% i 30% u odnosu na nadogradnju samo jednog dimera.

Detaljnim istraţivanjem se došlo do zaključka da je do ubrzanja došlo zbog OTA posluţioca.

Prilikom nadogradnje programske podrške za samo jedan ureĎaj, posluţiocu je u proseku trebalo

60 milisekundi da obradi zahtev od potraţioca i da pošalje odgovor. MeĎutim, kada su spojena

tri dimera, prosečno vreme za obradu sva tri zahteva oko 90 do 100 milisekundi, i zbog toga je

dobijeno prosečno ubrzanje prilikom nadogradnje programske podrške izmeĎu 25% i 30%.

Nedostatak opreme je uslovio da se testiranje završi na tri ureĎaja, i da se doĎe do preciznijih

procena vremena potrebnih za nadogradnju programske podrške.

Testiranje sekundarnog i primarnih tastera je u potpunosti uspešno izvršeno nad svim

starim i novim mogućnostima dimera, zadrţavajući konzistentost i istovremeno dodajući nove

mogućnosti. Samo izvršavanje testa je raĎeno manuelno, korak po korak. Svaka od starih i novih

funkcionalnosti je testirana tako da ispunjava već zadate zahteve koje mora da ispunjava,

odnosno prilikom testiranja bilo je potrebno staviti se u poziciju korisnika i na osnovu upustva

pratiti da li se svaka opisana funkcionalnost uspešno izvršava. Nakon više puta ponovljenog

24

testiranja pokazalo se da su sve funkcionalnosti i dalje radile kao što je bilo očekivano i da nije

narušena funkcionalnost sekundarnog tastera, a i nova raspodela funkcionalnosti na gornjem i

donjem tasteru je radila kao što je očekivano. U tabelama 5.2 i 5.3 su prikazane mogućnosti

taster kao i prolaznost testova.

Taster Funkcija tastera Prolaznost

Gornji primarni

Uključivanje Uspešno

Postavljanje jačine osvetljaja na maksimum (u

dimer reţimu) Uspešno

Podešavanje jačine osvetljaja (u dimer reţimu) Uspešno

Donji primarni

Isključivanje Uspešno

Postavljanje jačine osvetljaja na minimum (u dimer

reţimu) Uspešno

Podešavanje jačine osvetljaja (u dimer reţimu) Uspešno

Tabela 5.2 Testiranje primarnih tastera

Taster Funkcija tastera Prolaznost

Sekundarni

Otvaranje Zigbee mreţe Uspešno

Pristupanje mreţnom prolazu Uspešno

Uparivanje kao inicijator Uspešno

Uparivanje kao meta Uspešno

Stvaranje sopstvene Zigbee mreţe Uspešno

Vraćanje na fabrička podešavanja Uspešno

Promena reţima rada iz prekidača u dimer Uspešno

Promena reţima rada iz dimera u prekidač Uspešno

Tabela 5.3 Testiranje sekundarnog tastera

25

6. Zaključak

U ovom radu pokazano je proširenje postojeće verzije zidnog dimera, u pogledu fizičke

arhitekture i programske podrške. Nova verzija je razvijena po ugledu na staru, odnosno zadrţala

je sve funkcionalnosti stare verzije sa inovacijama. Inovacije predstavljaju detaljno opisanu

promenu programske podrške u saglasnosti sa promenama načinjenim nad fizičkom

arhitekturom.

Nova verzija je pojednostavila prethodno rešenje a da je uspešno zadrţala princip rada

stare verzije dodavanjem novih funkcija koje su uspešno izvršile zadatak pojednostavljenja i

proširenja korisničkih mogućnosti. Prednost nove verzije je u znatno olakšanoj korisničkoj

sprezi i samim funkcionisanjem tastera. Značajna inovacija je i nadogradnja postojeće

programske podrške beţično, sto olakšava posao operaterima na terenu, a i samim korisnicima.

Testiranje u realnom vremenu je pokazalo funkcionalnost dodatog tastera kao i beţične

nadogradnje uprkos nedostatku memorije koju zahteva nova programska podrška.

Programska podrška razvijena u ovom radu je pokazala da budućnost zidnih dimera

poseduje potencijal za podrţavanje svih komercijalnih potreba kao i korisničkih ţelja. Pokazano

je da dalji pravci u razvijanju mogu da odu u raznim smerovima, jer je i na manjim izmenama

zidni dimer pokazao da se skup njegovih sposobnosti znatno proširio.

26

7. Literatura

[1] ZigBee Specification, ZigBee Alliance, August 2015

[2] CC2530 using OTA http://zhendongsprojects.blogspot.rs/2013/11/cc2530-ota-using-z-

stack.html, (pristupano: 14.7.2017)

[3] ZigBee Wireless Networking, Drew Gislason

[4] ZigBee home automation public application profile, ZigBee alliance, June 2013

[5] ZigBee Cluster Library Specification, ZigBee alliance, August 2015

[6] OTA https://en.wikipedia.org/wiki/Over-the-air_programming, (pristupano: 3.7.2017)

[7] CC2530 User's Guide http://www.ti.com/lit/ug/swru191f/swru191f.pdf , , (pristupano:

12.7.2017)

[8] IAR embedded workbench https://www.iar.com/iar-embedded-workbench/, (pristupano:

16.6.2017)

[9] Nadira, Đ., & Mujčić, E. Primjena ZigBee tehnologija u razvoju pametnih kuća, Rim,

2013