Arduino - zdalne sterowanie oświetleniem

W tym artykule opiszę sposób wykonania zdalnego sterowania jednym urządzeniem wpinanym do gniazdka 230V z wykorzystaniem Arduino. Wykorzystane będzie połączenie przez USB z komputerem, który jednocześnie będzie pełnił rolę serwera WWW. Dzięki temu rozwiązaniu możliwe będzie sterowanie zarówno z tej stacji jak i dzięki WiFi przez laptop, tablet, czy telefon komórkowy.

Efekt końcowy będzie wyglądał tak:

W takim razie zabieramy się do pracy 🙂

Założenia

Przyznam, że zastanawiałem się trochę nad wybraniem technologii: java, czy node.js, ajax czy sockiet.io, itp. Zdecydowałem jednak że wykorzystam swoje materiały które opisywałem już wcześniej na blogu, a mianowicie: Czat z socket.io i Java. Dzięki socket.io komunikacja będzie szybsza i dodatkowo można będzie zaktualizować status oświetlenia na wszystkich urządzeniach podłączonych do panelu.

Elementy systemu:

Sprzęt
1. Arduino
2. Przekaźnik do sterowania napięciem 230v, (kupiłem taki)
3. Przewód 2 x 0,75mm²
4. Gniazdo 230V
5. Wtyczka 230V
6. Przewody połączeniowe żeńsko-męskie do płytek stykowych
Serwer WWW:
1. java: apache tomcat (może też być jetty)
2. java: netty-socketio
3. java: rxtx
4. html/js: bootstrap
5. js: socket.io

No to zaczynamy!

Przewód zasilający i przekaźnik

Przeciągamy przewód 2 x 0,75mm² do zabezpieczającej puszki nadtynkowej, rozcinami osłonę i jeden z dwóch przewodów (ja akurat łączyłem dwa kable, stąd ta kostka w środku) i łączymy je pomiędzy wyjście COM i jedno z wyjść sterowanych przekaźnikiem. Z drugiej strony przekaźnika podłączamy przewody połączeniowe żeńsko-męskie (IN – wejście sterujące, GND – masa, VCC – 5V).

1429445002560

Następnie do jednego z końców przewodu montujemy wtyczkę, a do drugiego gniazdo na 230V:

gniazdo_wtyczka

Zrobiliśmy w tym momencie przedłużacz, do którego w łatwy sposób wepniemy naszą lampkę biurkową.

Wychodzące trzy przewody połączeniowe z puszki wpinamy w Arduino: (IN – wyjście sterujące, GND – masa, VCC – 5V). Ja wykorzystałem pin 13 do sterowania przekaźnikiem.

Program Arduino

Nasz program będzie włączał przekaźnik, na podstawie otrzymanej liczby z portu szeregowego. Wartość 1 będzie załączała wyjście, a każda inna wartość będzie wyłączała. Aby można było zrealizować połączenie przez np. putty czy szeregowy monitor, w linii 22 pobierany jest kolejny znak komendy. Jeśli będzie to znak zakończenia linii, dopiero wtedy stan wyjścia zostanie zaktualizowany.

//pin 13 jako wyjście
const int LIGHT_PIN = 13;
//zmienna przechowująca
//żądany przez użytkownika stan lampki
//true - załączona, false - wyłączona
boolean lightState = false;

void setup() {
  pinMode(LIGHT_PIN, OUTPUT);
  //otworzenie połączenia szeregowego
  //przez które wykonywana będzie komunikacja
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  //jeżeli odebrano polecenie
  while (Serial.available() > 0) {
    //odczyt żądanego stanu lampki
    lightState = Serial.parseInt() == 1;
    
    //jeżeli następny znak jest znakiem końca linii
    int lastChar = Serial.read();
    if (lastChar == '\n' || lastChar == '\r') {
      //ustawienie stanu na wyjściu
      digitalWrite(LIGHT_PIN, lightState);
    }
  }
}

//pin 13 jako wyjście

const int LIGHT_PIN = 13;

//zmienna przechowująca

//żądany przez użytkownika stan lampki

//true - załączona, false - wyłączona

boolean lightState = false;

void setup() {

pinMode(LIGHT_PIN, OUTPUT);

//otworzenie połączenia szeregowego

//przez które wykonywana będzie komunikacja

Serial.begin(9600);

}

void loop() {

//jeżeli odebrano polecenie

while (Serial.available() > 0) {

//odczyt żądanego stanu lampki

lightState = Serial.parseInt() == 1;

//jeżeli następny znak jest znakiem końca linii

int lastChar = Serial.read();

if (lastChar == '\n' || lastChar == '\r') {

//ustawienie stanu na wyjściu

digitalWrite(LIGHT_PIN, lightState);

}

Panel użytkownika serwera WWW

Ściągamy aktualną wersję bootstrapa i socket.io, i tworzymy stronę do sterowania żarówką (uwaga, poniżej przedstawiam tylko najważniejsze fragmenty, nie całość):

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
    <head>
        <meta charset="utf-8">
        <meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=edge">
        <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1">
        <!-- The above 3 meta tags *must* come first in the head; any other head content must come *after* these tags -->
        <title>Arduino Remote Control</title>

        <!-- Bootstrap -->
        <link href="css/bootstrap.min.css" rel="stylesheet">
        <!-- Custom styles for this template -->
        <link href="css/cover.css" rel="stylesheet">

        <script src="js/socket.io/socket.io.js"></script>

        <!-- HTML5 shim and Respond.js for IE8 support of HTML5 elements and media queries -->
        <!-- WARNING: Respond.js doesn't work if you view the page via file:// -->
        <!--[if lt IE 9]>
          <script src="https://oss.maxcdn.com/html5shiv/3.7.2/html5shiv.min.js"></script>
          <script src="https://oss.maxcdn.com/respond/1.4.2/respond.min.js"></script>
        <![endif]-->
    </head>
    <body>
        <div class="site-wrapper">

            <div class="site-wrapper-inner">

                <div class="cover-container">

                    <div class="masthead clearfix">
                        <div class="inner">
                            <h3 class="">Arduino Remote Control</h3>
                        </div>
                    </div>

                    <div class="inner cover">
                        <div class="row">
                            <div class="col-sm-3 col-md-3"></div>
                            <div class="col-sm-6 col-md-6">
                                <div class="thumbnail">
                                    <img id="light_image" src="css/bulb_off.png" alt="...">
                                    <div class="caption">
                                        <p>
                                            <a href="#" id="button_on" class="btn btn-primary" role="button">ON</a>
                                            <a href="#" id="button_off" class="btn btn-default" role="button">OFF</a>
                                        </p>
                                    </div>
                                </div>
                            </div>
                            <div class="col-sm-3 col-md-3"></div>
                        </div>
                    </div>

                    <div class="mastfoot">
                        <div class="inner">
                            <p>Created by <a href="http://KrzysztofJelonek.net">KrzysztofJelonek.net</a>.</p>
                        </div>
                    </div>

                </div>

            </div>

        </div>

        <!-- jQuery (necessary for Bootstrap's JavaScript plugins) -->
        <script src="https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/1.11.2/jquery.min.js"></script>
        <!-- Include all compiled plugins (below), or include individual files as needed -->
        <script src="js/bootstrap.min.js"></script>
        <script src="js/arduino.js"></script>
    </body>
</html>

<!DOCTYPE html>

<head>

<title>Arduino Remote Control</title>

<!--[if lt IE 9]>

<![endif]-->

</head>

<body>

<h3 class="">Arduino Remote Control</h3>

</div>

<p>

</p>

</div>

</div>

<p>Created by <a href="http://KrzysztofJelonek.net">KrzysztofJelonek.net</a>.</p>

</div>

</body>

</html>

Tworzymy plik w katalogu js/arduino.js do obsługi interfejsu i wysyłaniu komend do serwera WWW.
Uwaga! Adres 192.168.1.12 należy zamienić na adres ip komputera na którym będzie uruchomiony serwer WWW, a docelowo go sparametryzować

function clearButtons() {
    $("#button_on").removeClass('btn-primary');
    $("#button_on").removeClass('btn-default');
    $("#button_off").removeClass('btn-primary');
    $("#button_off").removeClass('btn-default');
}

function lightOn() {
    $('#light_image').attr('src', 'css/bulb_on.png');
    clearButtons();
    $("#button_on").addClass('btn-default');
    $("#button_off").addClass('btn-primary');
}

function lightOff() {
    $('#light_image').attr('src', 'css/bulb_off.png');
    clearButtons();
    $("#button_off").addClass('btn-default')
    $("#button_on").addClass('btn-primary');
}

$(document).ready(function () {
    var onButton = $("#button_on");
    var offButton = $("#button_off");

    var socket = io.connect('http://192.168.1.12:3700', {
        'reconnection delay': 2000,
        'force new connection': true
    });
    
    socket.on('light', function (data) {
        console.log("Arduino response:", data);
        if (data.state) {
            lightOn();
        } else {
            lightOff();
        }
    });

    onButton.click(function () {
        lightOn();
        socket.emit('light', {state: true});
    });
    offButton.click(function () {
        lightOff();
        socket.emit('light', {state: false});
    });

});

function clearButtons() {

$("#button_on").removeClass('btn-primary');

$("#button_on").removeClass('btn-default');

$("#button_off").removeClass('btn-primary');

$("#button_off").removeClass('btn-default');

}

function lightOn() {

$('#light_image').attr('src', 'css/bulb_on.png');

clearButtons();

$("#button_on").addClass('btn-default');

$("#button_off").addClass('btn-primary');

}

function lightOff() {

$('#light_image').attr('src', 'css/bulb_off.png');

clearButtons();

$("#button_off").addClass('btn-default')

$("#button_on").addClass('btn-primary');

}

$(document).ready(function () {

var onButton = $("#button_on");

var offButton = $("#button_off");

var socket = io.connect('http://192.168.1.12:3700', {

'reconnection delay': 2000,

'force new connection': true

});

socket.on('light', function (data) {

console.log("Arduino response:", data);

if (data.state) {

lightOn();

} else {

lightOff();

}

});

onButton.click(function () {

lightOn();

socket.emit('light', {state: true});

});

offButton.click(function () {

lightOff();

socket.emit('light', {state: false});

});

Panel wyglada następująco:

Java – serwer WWW

Tworzymy nowy projekt Mavenowy (w Netbeans: File->New project->Maven->Web Application.

W dependencies dodajemy dwie zależności: netty-socketio 1.7.7 i org.rxtx

Ściągamy bibliotekę rxtx (w moim przypadku windows 65 bit) rozpakowujemy i plik rxtxSerial.dll kopiujemy do głównego katalogu Windowsa.

Klasa do przechowywania komend:

package net.krzysztofjelonek.arduinoremotepanel;

/**
 *
 * @author Krzysztof Jelonek
 */
public class Light {
    private boolean state;

    public Light() {
    }

    public boolean isState() {
        return state;
    }

    public void setState(boolean state) {
        this.state = state;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Light{" + "state=" + state + '}';
    }
}

package net.krzysztofjelonek.arduinoremotepanel;

/**

* @author Krzysztof Jelonek

public class Light {

private boolean state;

public Light() {

}

public boolean isState() {

return state;

}

public void setState(boolean state) {

this.state = state;

}

@Override

public String toString() {

return "Light{" + "state=" + state + '}';

}

Klasa do odbioru i wysyłki danych z portu szeregowego. Uwaga! Numer portu „COM5” należy zamienić na numer portu pod którym wpięty jest Arduino, a docelowo go sparametryzować

package net.krzysztofjelonek.arduinoremotepanel;


import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.OutputStream;
import gnu.io.CommPortIdentifier;
import gnu.io.SerialPort;
import gnu.io.SerialPortEvent;
import gnu.io.SerialPortEventListener;
import java.io.IOException;
import java.util.Enumeration;

/**
 * 
 * @author Krzysztof Jelonek
 */
public class SerialConnection implements SerialPortEventListener {

    SerialPort serialPort;
    private static final String PORT_NAMES[] = {
        "COM5"
    };
    private BufferedReader input;
    private OutputStream output;
    private static final int TIME_OUT = 2000;
    private static final int DATA_RATE = 9600;

    public void initialize() {
        CommPortIdentifier portId = null;
        Enumeration portEnum = CommPortIdentifier.getPortIdentifiers();

        //First, Find an instance of serial port as set in PORT_NAMES.
        while (portEnum.hasMoreElements()) {
            CommPortIdentifier currPortId = (CommPortIdentifier) portEnum.nextElement();
            System.out.println(currPortId.getName());
            for (String portName : PORT_NAMES) {
                if (currPortId.getName().equals(portName)) {
                    portId = currPortId;
                    break;
                }
            }
        }
        if (portId == null) {
            System.out.println("Could not find COM port.");
            return;
        }

        try {
            serialPort = (SerialPort) portId.open(this.getClass().getName(),
                    TIME_OUT);

            serialPort.setSerialPortParams(DATA_RATE,
                    SerialPort.DATABITS_8,
                    SerialPort.STOPBITS_1,
                    SerialPort.PARITY_NONE);

            input = new BufferedReader(new InputStreamReader(serialPort.getInputStream()));
            output = serialPort.getOutputStream();
            
            output.write("1\n".getBytes());

            serialPort.addEventListener(this);
            serialPort.notifyOnDataAvailable(true);
        } catch (Exception e) {
            System.err.println(e.toString());
        }
    }
    
    public void write(String command) throws IOException {
        output.write((command + "\n").getBytes());
    }

    public synchronized void close() {
        if (serialPort != null) {
            serialPort.removeEventListener();
            serialPort.close();
        }
    }

    public synchronized void serialEvent(SerialPortEvent oEvent) {
        if (oEvent.getEventType() == SerialPortEvent.DATA_AVAILABLE) {
            try {
                String inputLine = input.readLine();
                System.out.println(inputLine);
            } catch (Exception e) {
                System.err.println(e.toString());
            }
        }
    }
}

package net.krzysztofjelonek.arduinoremotepanel;

import java.io.BufferedReader;

import java.io.InputStreamReader;

import java.io.OutputStream;

import gnu.io.CommPortIdentifier;

import gnu.io.SerialPort;

import gnu.io.SerialPortEvent;

import gnu.io.SerialPortEventListener;

import java.io.IOException;

import java.util.Enumeration;

/**

* @author Krzysztof Jelonek

public class SerialConnection implements SerialPortEventListener {

SerialPort serialPort;

private static final String PORT_NAMES[] = {

"COM5"

};

private BufferedReader input;

private OutputStream output;

private static final int TIME_OUT = 2000;

private static final int DATA_RATE = 9600;

public void initialize() {

CommPortIdentifier portId = null;

Enumeration portEnum = CommPortIdentifier.getPortIdentifiers();

//First, Find an instance of serial port as set in PORT_NAMES.

while (portEnum.hasMoreElements()) {

CommPortIdentifier currPortId = (CommPortIdentifier) portEnum.nextElement();

System.out.println(currPortId.getName());

for (String portName : PORT_NAMES) {

if (currPortId.getName().equals(portName)) {

portId = currPortId;

break;

}

if (portId == null) {

System.out.println("Could not find COM port.");

return;

}

try {

serialPort = (SerialPort) portId.open(this.getClass().getName(),

TIME_OUT);

serialPort.setSerialPortParams(DATA_RATE,

SerialPort.DATABITS_8,

SerialPort.STOPBITS_1,

SerialPort.PARITY_NONE);

input = new BufferedReader(new InputStreamReader(serialPort.getInputStream()));

output = serialPort.getOutputStream();

output.write("1\n".getBytes());

serialPort.addEventListener(this);

serialPort.notifyOnDataAvailable(true);

} catch (Exception e) {

System.err.println(e.toString());

}

public void write(String command) throws IOException {

output.write((command + "\n").getBytes());

}

public synchronized void close() {

if (serialPort != null) {

serialPort.removeEventListener();

serialPort.close();

}

public synchronized void serialEvent(SerialPortEvent oEvent) {

if (oEvent.getEventType() == SerialPortEvent.DATA_AVAILABLE) {

try {

String inputLine = input.readLine();

System.out.println(inputLine);

} catch (Exception e) {

System.err.println(e.toString());

}

Klasa do obsługi socket.io w celu komunikacji z javascript przeglądarek klientów. Uwaga! Adres 192.168.1.12 należy zamienić na adres ip serwera na którym będzie uruchomiony program, a docelowo go sparametryzować:

package net.krzysztofjelonek.arduinoremotepanel;

import com.corundumstudio.socketio.AckRequest;
import com.corundumstudio.socketio.Configuration;
import com.corundumstudio.socketio.SocketIOClient;
import com.corundumstudio.socketio.SocketIOServer;
import com.corundumstudio.socketio.listener.ConnectListener;
import com.corundumstudio.socketio.listener.DataListener;
import com.corundumstudio.socketio.listener.DisconnectListener;

/**
 *
 * @author Krzysztof Jelonek
 */
public class PanelSocketSerwer {
    private SocketIOServer server;
    
    public static PanelSocketSerwer getInstance() {
        return PanelSocketSerwerHolder.INSTANCE;
    }
    
    private static class PanelSocketSerwerHolder {

        private static final PanelSocketSerwer INSTANCE = new PanelSocketSerwer();
    }
    
    public void start() {
        final SerialConnection serialConnection = new SerialConnection();
        serialConnection.initialize();
        
        Configuration config = new Configuration();
        config.setHostname("192.168.1.12");
        config.setPort(3700);
        server = new SocketIOServer(config);
        server.addConnectListener(new ConnectListener() {
            @Override
            public void onConnect(SocketIOClient client) {
                System.out.println("onConnected");
            }
        });
        server.addDisconnectListener(new DisconnectListener() {
            @Override
            public void onDisconnect(SocketIOClient client) {
                System.out.println("onDisconnected");
            }
        });
        server.addEventListener("light", Light.class, new DataListener<Light>() {
 
            @Override
            public void onData(SocketIOClient client, Light data, AckRequest ackSender) throws Exception {
                serialConnection.write(data.isState() ? "1" : "0");
                System.out.println("onLight: " + data.toString());
                server.getBroadcastOperations().sendEvent("light", data);
            }
        });
        System.out.println("Starting server...");
        server.start();
        System.out.println("Server started");
    }
    
    public void stop() {
        if (server != null) {
            server.stop();   
        }
    }
}

package net.krzysztofjelonek.arduinoremotepanel;

import com.corundumstudio.socketio.AckRequest;

import com.corundumstudio.socketio.Configuration;

import com.corundumstudio.socketio.SocketIOClient;

import com.corundumstudio.socketio.SocketIOServer;

import com.corundumstudio.socketio.listener.ConnectListener;

import com.corundumstudio.socketio.listener.DataListener;

import com.corundumstudio.socketio.listener.DisconnectListener;

/**

* @author Krzysztof Jelonek

public class PanelSocketSerwer {

private SocketIOServer server;

public static PanelSocketSerwer getInstance() {

return PanelSocketSerwerHolder.INSTANCE;

}

private static class PanelSocketSerwerHolder {

private static final PanelSocketSerwer INSTANCE = new PanelSocketSerwer();

}

public void start() {

final SerialConnection serialConnection = new SerialConnection();

serialConnection.initialize();

Configuration config = new Configuration();

config.setHostname("192.168.1.12");

config.setPort(3700);

server = new SocketIOServer(config);

server.addConnectListener(new ConnectListener() {

@Override

public void onConnect(SocketIOClient client) {

System.out.println("onConnected");

}

});

server.addDisconnectListener(new DisconnectListener() {

@Override

public void onDisconnect(SocketIOClient client) {

System.out.println("onDisconnected");

}

});

server.addEventListener("light", Light.class, new DataListener<Light>() {

@Override

public void onData(SocketIOClient client, Light data, AckRequest ackSender) throws Exception {

serialConnection.write(data.isState() ? "1" : "0");

System.out.println("onLight: " + data.toString());

server.getBroadcastOperations().sendEvent("light", data);

}

});

System.out.println("Starting server...");

server.start();

System.out.println("Server started");

}

public void stop() {

if (server != null) {

server.stop();

}

Klasa inicjująca połączenie szeregowe w momencie startu serwera:

package net.krzysztofjelonek.arduinoremotepanel;

import javax.servlet.ServletContextEvent;
import javax.servlet.ServletContextListener;

/**
 *
 * @author Krzysztof Jelonek
 */
public class ApplicationContextListener implements ServletContextListener {
    
    @Override
    public void contextInitialized(ServletContextEvent sce) {
        PanelSocketSerwer.getInstance().start();
    }

    @Override
    public void contextDestroyed(ServletContextEvent sce) {
        PanelSocketSerwer.getInstance().stop();
    }

}

package net.krzysztofjelonek.arduinoremotepanel;

import javax.servlet.ServletContextEvent;

import javax.servlet.ServletContextListener;

/**

* @author Krzysztof Jelonek

public class ApplicationContextListener implements ServletContextListener {

@Override

public void contextInitialized(ServletContextEvent sce) {

PanelSocketSerwer.getInstance().start();

}

@Override

public void contextDestroyed(ServletContextEvent sce) {

PanelSocketSerwer.getInstance().stop();

}

Na sam koniec tworzymy plik web.xml w katalogu WEB-INF:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<web-app version="3.1" xmlns="http://xmlns.jcp.org/xml/ns/javaee" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xsi:schemaLocation="http://xmlns.jcp.org/xml/ns/javaee http://xmlns.jcp.org/xml/ns/javaee/web-app_3_1.xsd">
    <listener>
        <listener-class>net.krzysztofjelonek.arduinoremotepanel.ApplicationContextListener</listener-class>
    </listener>
</web-app>

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>

<web-app version="3.1" xmlns="http://xmlns.jcp.org/xml/ns/javaee" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xsi:schemaLocation="http://xmlns.jcp.org/xml/ns/javaee http://xmlns.jcp.org/xml/ns/javaee/web-app_3_1.xsd">

<listener-class>net.krzysztofjelonek.arduinoremotepanel.ApplicationContextListener</listener-class>

</listener>

</web-app>

To tyle. Wystarczy podłączyć nasz przygotowany przewód do zasilania i do niego lampkę.
Aplikacja jest gotowa do builda i uruchomienia np. przez Apache Tomcat czy np. Jetty.

Uwaga! Zarówno po stronie javascript i serwera java jest sporo parametrów do sparametryzowania której obsługi powyżej nie ma:

adres ip serwera www
numer portu serwera sockiet.io
konfiguracja połączenia szeregowego
itd.

Artykuł na majsterkowo.pl

Ponieważ dodałem ten artykuł na majsterkowo.pl będzie mi niezmiernie miło jeśli zagłosujecie na niego 🙂

To również może Cię zainteresować:

Czat z socket.io i Java Cel: Oprogramowanie w javie chatu działającego w czasie rzeczywistym bez komunikacji asynchronicznej. Biblioteki: socket.io netty-socketio Efekt […]
Adafruit Flora – wstęp do inteligentnej odzieży Zaopatrzyłem się w ostatnim czasie w powyższy zestaw Adafruit Flora, którego chciałbym wykorzystać do kilku projektów związanych z "inteligentną odzieżą". Lecz tym razem Was, czytelników […]
Javascript jako serwer, czyli czat z wykorzystaniem Node.js Node.js jest środowiskiem do tworzenia aplikacji po stronie serwera w języku javascript. Wykorzystuje silnik javascript V8 od Google. Wykonanie oprogramowania serwera chatu z node.js […]
KAmduino UNO – polskie Arduino za 50 zł! Dzięki uprzejmości firmy Kamami.pl miałem okazję przed chwilą przetestować polskie Arduino - KAmduino UNO. Przyznam, że uruchomienie układu z przykładowym programem zajęło mi dosłownie […]
Arduino – sterowanie za pomocą aktywności mięśni dzięki Muscle Sensor 3 Dotarła do mnie w tym tygodniu paczka z zamówionym SparkFun Muscle Sensor 3, za pomocą którego chciałem przetestować możliwość sterowania wyjściem Arduino poprzez sygnały odczytywane na […]
Arduino – flagi bitowe Pamiętacie jak miesiąc temu wspominałem o flagach bitowych w javie? Arduino jest właśnie świetnym przykładem możliwości ich wykorzystania. Mamy tutaj ograniczoną pamięć, dlatego w prosty […]