Создание ошейника для домашних животных с GPS-навигацией на платформе Arduino

Курсовая работа

по специальности 230113 "Компьютерные системы и комплексы"

Содержание

Введение

1. Теоретическая часть

2.1 Применение устройства

2.2 Анализ доступных на рынке GPS навигаторов для животных

2.3 Использование плат и среды программирования Arduino

2.4 Использование микроконтроллеров

2.5 Классификация и структура микроконтроллеров

2.6 Структура процессорного ядра микроконтроллера

2.7 Преимущества миниатюрной платы Tiny Duino

2.8 Принцип действия GPS

3. Практическая часть

3.1 Необходимые платы для создания устройства

3.2 Подключение элементов

3.3 Подключение тестового образца к компьютеру

3.5 Тестирования устройства

4. Экономическая часть

5. Заключение

Введение

GPS - аббревиатура от английского Global Positioning System, проект был реализован и принадлежит военному ведомству США и первоначально задумывался только для военных целей. Основной задачей проекта является высокоточное позиционирование различных подвижных и статических объектов на местности. Основой системы являются 24 NAVSTAR База слежения за спутниками. (Navigation Satellite Timeand Ranging) спутника работающих в единой сети, находящихся на шести разных круговых орбитах расположенных под углом 60° друг к другу, таким образом, чтобы из любой точки земной поверхности были видны от четырех до двенадцати таких спутников. На каждой орбите находится по 4 спутника, высота орбит примерно равна 20200 км, а период обращения каждого спутника вокруг земли 12 часов. Система не полностью автономна, ее работоспособность контролируется станциями наблюдения с Земли.

Спутниковая Система Навигации (GPS) является американской системой, основанной на радионавигации местности, которая обеспечивает надежное расположение, навигацию, и выбор времени услуг гражданским пользователям на непрерывной международной основе - свободный доступ для всех. Для любого человека, имеющего приемник GPS, система обеспечит возможность определения местоположения и времени. GPS обеспечивает информацией относительно точного местоположения и любую информацию о времени для неограниченного количества людей независимо от погоды, времени суток, и в любом месте на планете.

Современные навигаторы отличаются от приборов прошлых лет. Когда-то помехой устройствам подобного рода могли быть, например, листья деревьев или же какие-нибудь иные, "несложные", преграды. Теперь инновационные приборы работают практически в любых условиях и им не мешают ни горы, ни городские сооружения, ни лесные массивы.

Для радионавигации у человека есть множество различных приборов и устройств позволяющих быстро и без особых проблем определять маршрут и пройденную дистанцию, но бывают ситуации когда человеку необходимо узнать о пройденном маршруте своего любимого домашнего питомца, например кота и от этого напрямую зависит жизнь животного.

Проанализировав рынок устройств GPS навигации было обнаружено что на нем практически нет устройств которые по доступной цене помогут в отслеживании маршрута передвижения домашнего любимца. В связи с проведенным анализом было принято решение о создании специального ошейника с GPS навигацией на платформе Arduino. Данная платформа была выбрана из-за низкой стоимости плат, высокой совместимости с различными ОС, простой и понятной системой программирования, аппаратной возможностью расширения и открытыми принципиальными схемами - микроконтроллеры ATMEGA8 и ATMEGA168 являются основой Arduino.

Целью данной дипломной работы будет создание ошейника для домашних животных с GPS навигацией на платформе Arduino, который позволит отслеживать маршрут проделанный животным и уведомить об этом пользователя при помощи считывания информации с microSDкарточки. В случае необходимости это поможет уберечь его от смертельной опасности.

В процессе достижения поставленной цели дипломной работы, решаются следующие задачи:

анализ технологии gps навигации;

выбор модели микроконтроллера Arduino;

выбор радиоэлементов и создание макетной платы;

написание программного кода для микроконтроллера,

создание экономически выгодного устройства на основе Arduino, которое будет обладать низкой себестоимостью благодаря открытой и доступной платформе и большими возможностями для модификаций.

1. Теоретическая часть

2.1 Применение устройства

В наше время забота о домашнем любимце бывает очень не простой, в условиях большого количества автомобилей, вредных соседей и прочих неприятностей. Данное устройство поможет хозяину животного, отслеживать маршрут передвижения и позволит решить стоит ли отпускать на улицу, в этот опасный мир, вашего пушистого зверька. Также при необоснованных претензиях вы сможете доказать что ваше животное не совершало то, в чем его обвиняют.

Данное устройство также может быть преобразовано например в GPS навигатор для велосипеда или автомобиля а значит оно может подойти широкому кругу пользователей.

2.2 Анализ доступных на рынке GPS навигаторов для животных

Проведя анализ доступных решений на рынке GPS навигаторов для домашних животных был сделан вывод о том что в данный момент на рынке присутствует монопольный производитель под названием "Где Мои", контролирующий порядка 80 процентов рынка подобных устройств. Для того чтобы продемонстрировать преимущество созданного проекта на базе Arduino был проведен обзор продукции компании "Где Мои".

) X-Pet #1 весом всего 35 г, легко закрепить на ошейник даже небольшой собаки или кошки (от 7 кг). Конструктивно состоит из двух частей: на ошейнике постоянно находится крепление, на которое перед прогулкой легко устанавливается само устройство. Это обеспечивает удобную зарядку, которой хватает на несколько суток. Он автоматически обновляет местонахождение и настраивается пользователем дистанционно.

навигация ошейник микроконтроллер платформа

Благодаря сенсору движения заряд аккумулятора емкостью 500 mAh не расходуется, если устройство снято или животное спит. Кроме того, о низком заряде аккумулятора пользователь предупреждается заранее.

Среднее время автономной работы в состоянии постоянного движения: в режиме LBS - до 50 часов, в режиме GPS - до 15 часов. Время зависит от уровня радиосигналов и уличной температуры. Цена данного решения 5000 рублей.

Также маячок X-Pet #2 можно использовать для животных, имеющих хозяйственное значение: овец, коров, лошадей, когда достаточно автономной работы на протяжении 5-7 дней.

Защищенный от воды и грязи маячок (IP65) крепится на ошейник с использованием чехла, поставляемого в комплекте.

Маячок имеет два режима слежения, которые можно переключать дистанционно. Цена решения 7100 рублей.

) PET Tracker MPS-340 B. Устройство обладает надежной GPS-связью и наличием специальных программ для IPhone и Android, которые позволят быть в курсе передвижений вашего питомца. Обладает множеством дополнительных функций, вроде сигнала "SOS" или запоминания маршрутов, делают GPS-ошейник еще более практичным. Цена решения 5000 рублей.

В результате обзора можно сделать вывод о том что представленные на рынке устройства очень дороги для большинства покупателей, т.к. по данным Федеральной службы государственной статистики, в 2015 году средняя заработная плата составляет всего 30 тысяч рублей. Из чего следует что покупка подобных устройств финансово невыгодна.

Однако устройство GPS созданное на базе Arduino значительно превосходит конкурентов в ценовой политике и обойдется пользователю в 3000 - 3500 рублей, при этом данное устройство обладает широкой гибкостью в модернизации. Это означает что при желании пользователь сможет самостоятельно установить более объемную батарею или поставить дополнительные платы Arduino позволяющие расширить функционал устройства.

2.3 Использование плат и среды программирования Arduino

Свою бешеную популярность Arduino приобрела благодаря простоте и дружелюбности. Этому способствуют тысячи публикаций, учебников, заметок в интернете и различных печатных и видео пособий по работе.

Программы для Arduino пишутся на обычном C++, дополненным простыми и понятными функциями для управления вводом/выводом на контактах. Для удобства работы с Arduino существует бесплатная официальная среда программирования "Arduino IDE", работающая под Windows, Mac OS и Linux. С помощью неё загрузка новой программы в Arduino не составит труда, для этого нужно лишь подключить плату к компьютеру через USB [2].

Для создания нужных устройств не нужно специальное оборудование. Полноценные устройства можно собирать, используя специальную макетную доску, перемычки и провода.

Ещё одной отличительной особенностью Arduino является наличие плат расширения, так называемых shields или просто "шилдов". Это дополнительные платы, которые ставятся подобно слоям бутерброда поверх Arduino, чтобы дать ему новые возможности. Так например, существуют платы расширения для подключения к локальной сети и интернету, для управления мощными моторами для получения координат и времени со спутников GPS и многие другие.

2.4 Использование микроконтроллеров

Микроконтроллер (рис 2.1) - компьютер на одной микросхеме. Предназначен для управления различными электронными устройствами и осуществления взаимодействия между ними в соответствии с заложенной в микроконтроллер программой. В отличие от микропроцессоров, используемых в персональных компьютерах, микроконтроллеры содержат встроенные дополнительные устройства. Эти устройства выполняют свои задачи под управлением микропроцессорного ядра микроконтроллера [9].

В отличие от микроконтроллера контроллером обычно называют плату, построенную на основе микроконтроллера, но достаточно часто при использовании понятия "микроконтроллер" применяют сокращенное название этого устройства, отбрасывая приставку "микро" для простоты. Также при упоминании микроконтроллеров можно встретить слова "чип" или "микрочип", "кристалл" (большинство микроконтроллеров изготавливают на едином кристалле кремния), сокращения МК или от английского microcontroller - MC.

Микроконтроллеры можно встретить в огромном количестве современных промышленных и бытовых приборов: станках, автомобилях, телефонах, телевизорах, холодильниках, стиральных машинах и даже современных кофеварках. Среди производителей микроконтроллеров можно назвать Intel, Motorola, Hitachi, Microchip, Atmel, Philips, Texas Instruments, InfineonTechnologies (бывшая Siemens Semiconductor Group) и многих других.

Рисунок 2.1 Стандартный микроконтроллер

2.5 Классификация и структура микроконтроллеров

В настоящее время выпускается целый ряд типов МК. Все эти приборы можно условно разделить на три основных класса:

§  8-разрядные МК для встраиваемых приложений;

§  16 - и 32-разрядные МК;

§  цифровые сигнальные процессоры (DSP).

Наиболее распространенным представителем семейства МК являются 8-разрядные приборы, широко используемые в промышленности, бытовой и компьютерной технике. Они прошли в своем развитии путь от простейших приборов с относительно слаборазвитой периферией до современных многофункциональных контроллеров, обеспечивающих реализацию сложных алгоритмов управления в реальном масштабе времени. Причиной жизнеспособности 8-разрядных МК является использование их для управления реальными объектами, где применяются, в основном, алгоритмы с преобладанием логических операций, скорость обработки которых практически не зависит от разрядности процессора.

§  модульная организация, при которой на базе одного процессорного ядра (центрального процессора) проектируется ряд (линейка) МК, различающихся объемом и типом памяти программ, объемом памяти данных, набором периферийных модулей, частотой синхронизации;

§  использование закрытой архитектуры МК, которая характеризуется отсутствием линий магистралей адреса и данных на выводах корпуса МК. Таким образом, МК представляет собой законченную систему обработки данных, наращивание возможностей которой с использованием параллельных магистралей адреса и данных не предполагается;

§  использование типовых функциональных периферийных модулей (таймеры, процессоры событий, контроллеры последовательных интерфейсов, аналого-цифровые преобразователи и др.), имеющих незначительные отличия в алгоритмах работы в МК различных производителей;

§  расширение числа режимов работы периферийных модулей, которые задаются в процессе инициализации регистров специальных функций МК.

При модульном принципе построения все МК одного семейства содержат процессорное ядро, одинаковое для всех МК данного семейства, и изменяемый функциональный блок, который отличает МК разных моделей. Процессорное ядро включает в себя:

§  центральный процессор;

§  внутреннюю контроллерную магистраль (ВКМ) в составе шин адреса, данных и управления;

§  схему синхронизации МК;

§  схему управления режимами работы МК, включая поддержку режимов пониженного энергопотребления, начального запуска (сброса) и т.д.

Изменяемый функциональный блок включает в себя модули памяти различного типа и объема, порты ввода/вывода, модули тактовых генераторов (Г), таймеры. В относительно простых МК модуль обработки прерываний входит в состав процессорного ядра. В более сложных МК он представляет собой отдельный модуль с развитыми важными возможностями. В состав изменяемого функционального блока могут входить и такие дополнительные модули как компараторы напряжения, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и другие. Каждый модуль проектируется для работы в составе МК с учетом протокола ВКМ. Данный подход позволяет создавать разнообразные по структуре МК в пределах одного семейства.

2.6 Структура процессорного ядра микроконтроллера

Самыми главными и определяющими характеристиками, производительности процессорного ядра МК, являются:

§  набор регистров для хранения промежуточных данных;

§  система команд процессора;

§  способы адресации операндов в пространстве памяти;

§  организация процессов выборки и исполнения команды.

С точки зрения системы команд и способов адресации операндов процессорное ядро современных 8-разрядных МК реализует один из двух принципов построения процессоров:

§  процессоры с CISC-архитектурой, реализующие так называемую полную систему команд (Complicated Instruction Set Computer);

§  процессоры с RISC-архитектурой, реализующие сокращенную систему команд (Reduced Instruction Set Computer).

CISC-процессоры выполняют большой набор команд с развитыми возможностями адресации, давая разработчику возможность выбрать наиболее подходящую команду для выполнения необходимой операции. В применении к 8-разрядным МК процессор с CISC-архитектурой может иметь однобайтовый, двухбайтовый и трехбайтовый (редко четырехбайтовый) формат команд. Время выполнения команды может составлять от 1 до 12 циклов. К МК с CISC-архитектурой относятся МК фирмы Intel с ядром MCS-51, которые поддерживаются в настоящее время целым рядом производителей, МК семейств НС05, НС08 и НС11 фирмы Motorola и ряд других. [12]

В процессорах с RISC-архитектурой набор исполняемых команд сокращен до минимума. Для реализации более сложных операций приходится комбинировать команды. При этом все команды имеют формат фиксированной длины (например, 12, 14 или 16 бит), выборка команды из памяти и ее исполнение осуществляется за один цикл (такт) синхронизации. Система команд RISC-процессора предполагает возможность равноправного использования всех регистров процессора. Это обеспечивает дополнительную гибкость при выполнении ряда операций. К МК с RISC-процессором относятся МК AVR фирмы Atmel, МК PIC16 и PIC17 фирмы Microchip и другие.

С точки зрения организации процессов выборки и исполнения команды в современных 8-разрядных МК применяется одна из двух уже упоминавшихся архитектур МПС: фон-неймановская (принстонская) или гарвардская.

Основное преимущество архитектуры Фон-Неймана - упрощение устройства МПС, так как реализуется обращение только к одной общей памяти. Кроме того, использование единой области памяти позволяло оперативно перераспределять ресурсы между областями программ и данных, что существенно повышало гибкость МПС с точки зрения разработчика программного обеспечения.