Projekt Regnbåge

Området för teknik och samhälle

Examensarbete

15 högskolepoäng, grundnivå

Projekt Regnbåge

Project Rainbow

Carl-Philip Olsson

Henrik Andersson

Examen: Högskoleingenjörsexamen i datateknik, 180hp Handledare: Ange handledare Datum för slutseminarium: 2012-06-01

Examninator: Gion Koch Svedberg Handledare: Jonas Forsberg

Abstract

In this thesis we further develop an existing prototype. The prototype is an interactive art project where two plates with water nozzles in the middle are placed at each end of an arc. These two plates can be controlled directly with a joystick. The plates are followingthe motion of the joystick using servo motors. Our main goal is to allow spectators of the art project to remotely control the plates and the water flow by using their own mobile phone.

Our goal has been achieved by creating an Android application that the user can download andinstall directly on their mobile phone. The application automatically sends information about the angular position of the phone to a server. Then the server forwards this information to a Wifi-module connected to an Arduino board which is moving the servo motors, attached to the plates, in the correct position.

This thesis describes the technique used within the project and also illustrates how the design and functionality of the prototypehas been changed to make a more striking impression onthe audience.

Keywords: Accelerometer, Android, Application, Arduino, Communication, Mobile phone, Servo motors, Server, Wireless, Wifi.

Sammanfattning

Det här examensarbetet bygger vidare på en tidigare konstruerad prototyp, ett interaktivt konstprojekt där två plattor, placerade på en båge, med vattenmunstycken i mitten styrs med en joystick. Plattorna följer joystickens rörelse med hjälp av servomotorer.

Målet i detta examensarbete var att koppla åskådarens smarta mobiltelefon till konstprojektet. Åskådaren ska kunna styra konstprojektet genom att vinkla sin mobiltelefon. Även vattenflödet ska kunna kontrolleras och all interaktion ska ske via trådlös kommunikation.

Målet har uppnåtts genom att användaren installerar en applikation som skapats för operativsystemet Android. Applikationen skickar information om mobiltelefonens aktuella vinkelposition till en server via ett trådlöst nätverk. Servern skickar i sin tur vidare denna information till en Wifi-modul kopplad på ett arduinokort som ställer in plattornas servomotorer i rätt läge. Rapporten beskriver hur tekniken för att nå målet fungerar och illustrerar även hur prototypens design och funktionalitet har förändrats för att få ett mer effektfullt intryck.

Nyckelord: Accelerometer, Android, Applikation, Arduino, Kommunikation, Mobiltelefon, Servomotor, Server, Trådlös, Wifi.

Innehåll

1. Introduktion... 1

1.1 Bakgrund ... 1

1.2 Syfte ... 2

1.3 Systemöversikt ... 2

1.4 Översikt över andras arbeten ... 3

2. Metod ... 4 2.1 Android ... 4 2.1.1 Applikationsutveckling för Android ... 5 2.1.2 Accelerometer ... 6 2.2 Server... 7 2.3 Arduino ... 8 2.3.1 Wifi-modulen ... 10 2.4 Servomotorer ... 11 2.5 Spänningskälla ... 12 3. Genomförande ... 13

3.1 Utveckling av vår applikation till Android ... 13

3.1.1 Behandling av accelerometerdata... 14

3.1.2 Uppkoppling och sändning av data ... 14

3.1.3 Nedladdning av applikationen ... 16

3.2 Serverns uppbyggnad ... 16

3.3 Utveckling av arduinokortets programvara ... 19

3.4 Ventiler ... 20 3.5 Nätaggregat ... 22 3.6 Design ... 24 3.6.1 Belysning ... 25 3.6.2 Vattenflöde ... 25 3.7 Test av systemet ... 26

4. Resultat och diskussion ... 27

5. Slutsats ... 29

Referenser ... 30

Bildreferens ... 32

Appendix A ... 33

Appendix C... 41 Appendix D ... 52 Appendix E ... 56 Appendix F ... 59 Appendix G ... 60 Appendix H ... 61 Appendix I ... 62

Lista över figurer

Figur 1. Systemöversikt över tidigare arbete. ... 1

Figur 2. Systemöversikt. ... 2

Figur 3. Androidarkitekturens större delar. [101] ... 4

Figur 4. Livscykeln för en aktivitet. [102] ... 5

Figur 5. Accelerometern kan ge värden i tre riktningar. [103] ... 6

Figur 6. Arkitektur för ett TCP/IP-paket. [109] ... 7

Figur 7. Arkitektur för ett UDP-segment. [110] ... 8

Figur 8. Arduinos IDE med en exempelskiss från standardbiblioteket. ... 9

Figur 9. Arduino Mega ADK. [104] ... 9

Figur 10. Wifi-modulen. [105] ... 10

Figur 11. Exempel på några pulsbreddsmodulerade signaler för att uppnå tre vinklar. [106] ... 11

Figur 12. Graupner Servo DES 708 BB, MG. [107] ... 12

Figur 13. Nätaggregat från en stationär dator. ... 12

Figur 14. Aktivitetens användargränssnitt. ... 13

Figur 15. Ikonen för vår applikation. ... 14

Figur 16. Utdrag ur manifestfilen. ... 14

Figur 17. Ett försök att ansluta till servern görs. ... 14

Figur 18. Metoden heartbeat. ... 15

Figur 19. Enheten är ansluten till servern. ... 15

Figur 20. Anslutningen till servern misslyckades. ... 15

Figur 21. Metoden ”sendPositions” som skickar data till servern. ... 16

Figur 22. QR-tagg för att komma direkt till applikationen. ... 16

Figur 23. Socket för UDP överföringen skapas och Wifi-modulens IP-adress sparas. ... 17

Figur 24. Utdrag från metoden newConnection. ... 17

Figur 25. Datainnehållet i ett TCP-paket från en androidenhet. ... 17

Figur 26. Värdets förhållande i de två intervallen. ... 18

Figur 27. Metoden som skapar och skickar datagram. ... 18

Figur 28. Datainnehållet i utgående UDP-paket. ... 19

Figur 29. Källkod för att styra vänster platta från Arduinokortet. ... 19

Figur 30. Kod för att öppna respektive sluta vattenventilerna. ... 20

Figur 31. 2/2-vägselektromagnetventil, VDW21-5G-3-01F-Q. [108] ... 20

Figur 32. Kretskoppling för ventiler. ... 21

Figur 33. Ventilkretsen på ett prototypkort. ... 21

Figur 34. Laborationskontakter fästa på nätaggregatet. ... 22

Figur 35. Nätaggregat med monterad apparatlåda. ... 22

Figur 36. Arduinokortet med WiFly-modulen och ventilkoppling, monterade i apparatlådan. ... 23

Figur 37. D-subminatyrs hankontakt som ska kopplas in i honkontakten på apparatlådan. ... 23

Figur 38. Bågen i tidigare röd design. ... 24

Figur 39. Bågen i vitt plexiglas med lock och botten. ... 24

Figur 40. LED-slingan och dess fjärrkontroll. ... 25

Figur 41. Belysning i vitt, rött, grönt och blått. ... 25

Figur 42. Munstycke som skapar vattenstrålen. ... 25

Figur 43. Vattnet leds genom ventilerna. ... 25

Lista över tabeller

Tabell 1. Egenskaper för TCP och UDP protokollen [18]. ... 8 Tabell 2. Lista över komponenter och deras matningsbehov. ... 12 Tabell 3. Lista över anslutningar hos nätaggregatet. ... 22

1

1. Introduktion

Att mobiltelefonen har en stor betydelse i dagens samhälle är ingen nyhet. Ett bevis på detta är en undersökning [1] om tekniska prylar där man visar att sju av tio svenskar skulle ha svårt att klara sig utan mobiltelefonen. Många har en ständig uppkoppling mot internet och andra enheter. Eftersom de flesta bär med sig mobiltelefonen var de än är och alltid är nåbara blir mobiltelefonen nästan som en del av kroppen. Så som vår kropp kan känna av exempelvis ljusförändringar eller hur vår hand är vinklad har också många av dagens mobiltelefoner, så kallade smartphones, olika sensorer för att känna av samma saker.

I det här examensarbetet beskrivs hur man genom att vinkla sin mobiltelefon trådlöst kan styra servomotorer och elektromagnetiska ventiler. Den praktiska delen i detta arbete är en interaktiv konstinstallation. Konstinstallationen är tänkt att illustrera sambandet mellan dagens mobilteknik och samhälle. Mobiltelefonen kopplar upp sig mot konstinstallationen och låter man telefonen ligga i handflatan så är det handens rörelse som kontrollerar plattornas läge precis som om de vore en del av ens egen kropp.

Det finns många praktiska tillämpningar baserade på den tekniska lösningen som beskrivs och diskuteras i rapporten, se kapitel 4.

1.1

Bakgrund

Höstterminen 2011 arbetade Martina Marti och Lorenz Rordorf från Schweiz med sitt examensarbete vid Malmö Högskola [21]. Examensarbetet handlade om att göra ett interaktivt konstprojekt där åskådaren själv kunde ta del av och skapa de visuella effekterna. De två studenterna designade och tillverkade en båge i röd plexiglas med en platta i vardera änden vilken kan vinklas med hjälp av två servomotorer på vardera platta. En vattenpump pumpar vatten genom en slang till munstycken på plattorna vilka ger en vattenstråle som kan vinklas och skapa olika intressanta mönster.

Den ursprungliga tanken var att åskådarna själva skulle kunna styra konstinstallationen med hjälp av sin mobiltelefon. Då deras arbete handlade om att konstruera den mekaniska delen av projektet så lämnades detta till utveckling för framtiden. Konstinstallationen styrdes med hjälp av en joystick som satt på ett Arduino Mega ADK (Android Development Kit) kort (se Figur 1).

2

1.2

Syfte

Syftet med det här examensarbetet är att vidareutveckla det tidigare examensarbetet. Tanken med slutprodukten är att användaren ska kunna installera en applikation på sin mobiltelefon som gör det möjligt att styra konstverket trådlöst genom att vinkla telefonen åt olika håll. Den vinkel mobiltelefonen befinner sig i ska efterliknas av bågens plattor. Även vattenflödet genom plattorna ska kunna styras genom applikationen. Problemet som ska lösas består av följande delar (se även förstudien i Appendix A):

 Hårdvara: hur kan Arduino användas tillsammans med trådlös kommunikation och hur kan strömförsörjningen för de olika komponenterna ske med en gemensam spänningskälla?  Server: vilka överföringsprotokoll är lämpligast att använda för kommunikationen mellan

mobiltelefon och server samt mellan server och Arduino? På vilket sätt behöver inkommande information bearbetas innan den skickas vidare?

 Android: hur gör man för att utveckla en androidapplikation? Vilket utseende ska applikationen ha och hur kan kommunikationen skötas?

 Design: vad kan förändras för att ge ett mer effektfullt intryck? Vad behövs för att skapa ett interaktivt vattenflöde? Kan flera användare styra konstprojektet samtidigt?

Då det finns stora möjligheter att vidareutveckla projektet är det tänkt att rapporten ska kunna ligga till grund för fortsatt utveckling.

1.3

Systemöversikt

För att göra det möjligt för användaren att interagera med konstprojektet har en applikation utvecklats för operativsystemet Android. Applikationen hämtar accelerometerdata från användarens mobiltelefon och skickar dessa tillsammans med värdet för vattenflödet, vidare till en server. Detta kommer att ske genom en trådlös kommunikation mellan användarens mobiltelefon och en server över Wifi. Servern skickar sedan vidare dessa data till en Wifi-modul som sitter på ett arduinokort (se Figur 2). Arduinokortet ställer in servomotorerna i den position som skickats från användarens mobiltelefon. På så vis kan användaren genom att vinkla sin mobiltelefon bestämma plattornas läge och via ett enkelt knapptryck på telefonen sätta på eller stänga av vattenflödet.

Figur 2. Systemöversikt.

Som figur 2 illustrerar kan i nuläget enbart en användare åt gången interagera med konstprojektet. Om konstprojektet redan används får personen som försöker ansluta sig ett meddelande om att systemet inte är tillgängligt (läs mer i kapitel 3.1).

3

1.4

Översikt över andras arbeten

Det finns en del tidigare arbeten som behandlar tre stora problemområden i vårt projekt. Hur man kan använda en Wifi-modul till ett arduinokort, kommunikation i Android samt hur en servomotor styrs trådlöst. Med hjälp av dessa arbeten fick vi en större inblick i problematiken som vårt projekt innefattar och exempel på hur dessa kan lösas. Följande arbeten har varit till hjälp:

 Ett övervakningssystem där en mobiltelefon med operativsystemet Android kan koppla upp sig mot en server för att hämta sensordata och video från en webbkamera [5].

 Implementering av en http server och klient på en WiFly RN-131 modul från Roving Network’s för att kunna hämta sensordata trådlöst [13].

 En väderstation som använder Arduino tillsammans med en Wifi-modul (WiFly-shield) för att samla in väderdata och komma åt denna genom att trådlöst koppla upp sig mot Wifi-modulen [24].

 Arduino som tillsammans med en Wifi-modul (WiFly-shield) trådlöst styr servomotorer genom en windowsapplikation [22].

4

2. Metod

För att lösa problemet började vi med att ta fram en problemformulering och systemöversikt. När problemet var formulerat fortsatte vi med en förstudie för att strukturera och avgränsa problemet (se förstudie Appendix A). Vi bröt ner huvudproblemet i mindre delproblem för att på så sätt få en klarare bild över vilka delproblem som projektet har och göra det enklare att hitta relevant information och bearbeta var problem för sig. Under förstudien sökte vi litteraturen som skulle kunna vara till hjälp för att lösa de olika delproblemen. Vi specificerade också kraven för systemet och gjorde en detaljplanering.

Rapporten är tänkt att kunna användas som grund för att fortsätta med utvecklingen av projektet och beskriver därför vissa delar mer detaljerat.

2.1 Android

Android är ett operativsystem utvecklat för mobila apparater med pekskärm. Många av dagens mobiltelefoner och surfplattor använder Android. Det är ett Linuxbaserat operativsystem som utvecklas av OHA (Open Handset Alliance) vilket leds av Google och består av 84 olika företag med inriktning mot teknik- och mobilbranschen. Eftersom Google släppt Android som öppen källkod kan vem som helst ladda ner och göra egna modifieringar i operativsystemets källkod [2] i motsats till Apple iOS1.

Antalet enheter med Android ökar snabbt. Enligt Andy Rubin, Senior Vice President of Mobile at Google och en av grundarna till Android, aktiveras över 850 000 androidenheter varje dag (februari 2012) [3].

Det är fritt fram för vem som helst att utveckla och sälja egna applikationer, även kallat ”appar”. Enligt Google fanns det i april 2012 över 450 000 applikationer och spel att ladda ner på Google Play som är portalen man använder för att hämta androidapplikationer [4]. För att utveckla applikationer för Android behöver man Android SDK (Software Development Kit) vilket innehåller verktyg och APIer (Application Programming Interface) för utveckling i programmeringsspråket Java. Jämfört med andra liknande operativsystem

har Android många fördelar så som öppenhet, behandlar applikationer lika, inga gränser mellan applikationer samt möjlighet till snabb och enkel applikationsutveckling. Dessa fördelar kan härledas från androidsystemets arkitektur [5].

1

iOS är Apples motsvarighet till Android.

5 Figur 4. Livscykeln för en aktivitet. [102]

Androidarkitekturens större beståndsdelar är (se Figur 3):

 Applications, de applikationer som finns i operativsystemet. T.ex. e-postklient och kalender.  Application framework, ramverket för att utvecklare enkelt ska kunna använda sig av

enhetens hårdvara.

 Libraries, vissa komponenter använder C/C++ bibliotek men funktionerna som utvecklare kan använda visas genom ovan nämnda applikationsramverk.

 Android runtime, för att få tillgång till den mesta funktionaliteten från kärnbiblioteken i Java samt Dalvik virtual machine vilken kör applikationerna på androidenheten.

 Linux kernel, Android bygger på Linux version 2.6 för de grundläggande tjänsterna så som t.ex. säkerhet och minneshantering [6].

2.1.1 Applikationsutveckling för Android

För utvecklingen av applikationen valde vi att använda oss av Eclipse IDE2 (Integrated Development Environment) tillsammans med två stycken insticksprogram3, JDT (Java Development Tools) med utvecklingsverktyg för Java samt ADT (Android Development Tools). ADT integrerar bland annat androidverktyg i Eclipse för att användaren snabbt och enkelt ska kunna skapa, bygga, packa, installera och felsöka sina androidprojekt. Det viktigaste är installationen av Android SDK som nämnts i föregående kapitel. Eftersom ovan nämnda insticksprogram fanns till Eclipse, samt att vi är vana att arbeta med det sedan tidigare, var inte valet av IDE svårt.

Activities, services, content providers och broadcast receivers är de fyra komponenter som en applikation kan bestå av. Aktiviteten (Activity) kommer senare att användas i applikationen och beskrivs därför mer ingående.

Det finns tre tillstånd som en aktivitet kan befinna sig i:

 Återupptagen: aktiviteten har användarens fokus och är synlig på skärmen.

 Pausad: aktiviteten har förlorat fokus på skärmen.

 Stoppad: för användaren ser det ut som aktiviteten har avslutats. När en aktivitet befinner sig i tillstånden pausad eller stoppad ligger den fort-farande sparad i enhetens minne för att

2

Ett program för att utveckla programvara.

3

6 snabbt kunna återupptas men om systemet behöver det minne som aktiviteten tar upp så avslutas den.

En aktivitets livscykel består av ett antal metoder som anropas automatiskt vid olika skeden efter att applikationen startats (se Figur 4). Dessa generiska metoder är alltid implementerade men det räcker att anpassa de man kommer att använda sig av. De tre metoder som senare kommer att anpassas är onCreate, onResume samt onPause.

 onCreate anropas när aktiviteten startas och det är här alla statiska inställningar görs.  onResume anropas precis innan användaren kan interagera med aktiviteten.

 onPause anropas när aktiviteten inte längre kommer att vara i fokus. Det bör inte vara mycket kod som ska köras då detta kan fördröja tiden innan en annan aktivitet kan ta över fokus [8].

Vissa funktioner måste godkännas av användaren för att applikationen ska kunna använda dessa. Exempel på sådana funktioner är: använda kameran, tillgång till Bluetooth eller att använda Wifi. Funktioner som kräver användarens tillstånd måste anges i en manifestfil. Användaren godkänner att applikationen använder dessa funktioner i samband med nedladdningen från Google Play. Förutom att ange de funktioner som kräver användarens tillåtelse i manifestfilen kan den även innefatta saker som aktivitetens sökväg, namn på applikationen, vilka versioner av Android som är kompatibla, ikon och vilken orientering det ska vara på skärmen. Det krävs att varje applikation har en manifestfil och att denna ligger i rotkatalogen [6].

2.1.2 Accelerometer

En accelerometer är en sensortyp som kan mäta hastighetsförändring och känna av vilket läge den befinner sig i. Den använder tyngdkraften till sin hjälp att beräkna detta. Accelerometern i androidenheter ger värden i tre riktningar (se Figur 5). Dessa värden beräknas genom förhållandet: , där Eh är accelerationen enheten utsätts för, m/s2

är storleken på

gravitationskraften, F är kraften sensorn utsätts för och m är dess massa [20].

Figur 5. Accelerometern kan ge värden i tre riktningar. [103]

7

2.2 Server

Precis som androidapplikationen bygger även servern på programmeringsspråket Java. Kommunikationen mellan androidenhet och server sköts med TCP (Transmission Control Protocol)-protokoll, vilket gör det enklare att hantera inkommande anslutningsförfrågningar på servern och när anslutningen till en användare väl är etablerad är pålitligheten hög. Ett TCP-segment består av en huvud (header) som har en storlek på 20 bytes, som sedan inkapslas i ett datagram. IP-datagrammet innehåller informationen som behövs för att överföra paketet till rätt destination. I TCP-huvudet finns information om hur paketet ska behandlas och vilka regler som ska följas vid sändning och mottagning. Data som ska skickas från en androidenhet till servern läggs in under TCP-segmentets datafält (se figur 6) [25].

Figur 6. Arkitektur för ett TCP/IP-paket. [109]

Datatransmissionen mellan en androidenhet och servern görs via TCP-sockets som är strömbaserade. Där blir inkapslingsprocedur, sändning och mottagning av data automatiserad i en ström.

UDP (User Datagram Protocol)-protokoll används för kommunikationen mellan server och arduinokortet. Eftersom gammal parameterdata inte är aktuell att få återsänd utan enbart det senast sända paketet är relevant så passar UDP utmärkt som kommunikationsprotokoll mellan servern och arduinokortet. Till skillnad från en TCP-socket har en UDP-socket ingen anslutning och kan därför inte vara strömbaserad utan är istället baserad på datagram. Data både läggs i och läses ur utifrån datagram [9].

UDP-segmentet består av ett UDP-huvud som är inkapslat i ett IP-datagram. Till skillnad från TCP-huvudet är storleken på UDP-TCP-huvudet endast 8 bytes då den saknar funktioner som till exempel sekvens- och bekräftelsenummer (se figur 7).

8 Figur 7. Arkitektur för ett UDP-segment. [110]

Med ett UDP-protokoll får man ingen garanti att paketen mottagits i rätt ordning och den stödjer ingen avancerad felhantering eller återsändning av förlorade eller korrupta paket [17]. Allt detta stödjer TCP-protokollet men detta medför att transmissionshastigheten minskar (se Tabell 1).

TCP

UDP

Pålitlighet:

Garanterar att paketen tas emot i

samma ordning som de skickades.

Sändaren tar emot en bekräftelse

efter varje mottaget paket.

Garanterar inte att paketen

mottags i rätt ordning, eller

över huvud taget.

Flödeskontroll:

Har flödeskontroll, kräver tre paket

för att etablera en socketanslutning

innan data kan skickas.

Saknar flödeskontroll.

Användningsområde:

Applikationer som kräver pålitlig

dataöverföring.

Applikationer som kräver

hög transmissionshastighet.

Header-storlek:

20 bytes.

8 bytes.

Felkontroll:

Ja.

Nej.

Paketsändning:

Delar upp paketen i mindre paket

om så krävs och skickar dem efter

en specificerad ordning.

Skickar paketen var för sig.

Hastighet:

Hög.

Väldigt hög.

Tabell 1. Egenskaper för TCP och UDP protokollen [18].

2.3 Arduino

Arduino är en open-source plattform för elektronikprototyper. Plattformen består av två huvuddelar: arduinokorten (hårdvara) och Arduinos IDE. Med hjälp av Arduinos IDE skriver man programmet som ska köras på arduinokortet och enheterna som är kopplade till det [10]. Detta kallas för skiss (se Figur 8). Skissen skriver man på ett programmeringsspråk som är en blandning mellan C och C++. När skissen ska programmeras in på arduinokortet genomgår den en smärre förändring, som kontrollerar koden, och förs sedan till en C/C++ -kompilator. Här förändras koden till maskinkodsinstruktioner.

9 Därefter länkas koden till arduinobiblioteken som innehåller en del standardfunktioner. Slutresultatet blir en enda fil som ska överföras till arduinokortets programminne via USB kontakt [11].

Figur 8. Arduinos IDE med en exempelskiss från standardbiblioteket.

Arduinos plattform är tänkt att användas av designers, artister, hobbyister och alla som är intresserade av att skapa ett interaktivt objekt eller miljö. Fördelarna med Arduino är att kretskorten är billigare och lättare att använda än andra mikroprocessorplattformar. Utvecklingsverktyget är även plattformsoberoende och ger en enkel programmeringsmiljö.

Det finns många olika typer av arduinokort men det som passade detta projekt bäst var Arduino Mega ADK (se Figur 9). Kortet har ett USB-gränssnitt som är kompatibelt med androidenheter vilket passade utmärkt för vårt ändamål. Detta gjorde att en androidenhet kunde anslutas till kortet och vi kunde då börja laborera med accelerometervärden redan under förstudien. Kortet har dessutom 54 digitala in/utgångar varav 14 kan användas som PWM4(Pulse Width Modulation)-utgångar, 16 analoga ingångar och 4 UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)5 [12]. För fullständiga specifikationer se Appendix F.

Figur 9. Arduino Mega ADK. [104]

4

PWM är en teknik för att reglera och styra elektroniska komponenter

5

10 2.3.1 Wifi-modulen

Eftersom Arduino Mega ADK inte stödjer trådlös kommunikation som standard så måste en modul för detta implementeras. Det finns olika alternativ för att skapa en trådlös kommunikation som skulle kunna tillämpas. Exempel på dessa är Bluetooth, IR (Infraröd Strålning), Xbee och Wifi. För att Xbee ska fungera krävs det att både servern och arduinokortet är utrustade med en Xbee-modul. IR uteslöts då ett krav är fri sikt mellan sändare och mottagare eftersom det är infrarött ljus som används. Bluetooth valdes också bort eftersom vi ville ha möjligheten att ha servern på en annan plats än konstprojektet. Kvar fanns möjligheten att använda Wifi för kommunikation. Eftersom mobiltelefonen kommer att använda sig av Wifi-uppkoppling till servern så valde vi att utnyttja samma teknik genom hela projektet. Wifi passade även utmärkt på grund av att ingen modifiering av serverns hårdvara krävs.

Efter en del sökande hittades en smidig tilläggsmodul som kan lösa problemet (se Figur 10). Modulen möjliggör uppkoppling mot ett 2.4Ghz 802.11b/g-nätverk, som är en WLAN standard, och på så sätt göra kommunikationen mellan servern och arduinokortet trådlös. WiFly som modulen heter, bygger på en trådlös Roving Network's RN-131G modul (specifikationer se Appendix G) och ett SC16IS750 SPI (Serial Peripheral Interface Bus)6 till UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) chip. En SPI till UART brygga används för att öka transmissionshastigheten och för att frigöra arduinokortets egna UART. RN-131G-modulen stödjer även SDIO (Source Digital Input Output)7, RFID (Radio

Frequency Identification)8 och tillhandahåller tio programmerbara in/utgångar samt åtta analoga sensorgränssnitt. Modulen har en inbyggd keramisk chippantenn med möjlighet att ansluta en extern antenn [13].

Figur 10. Wifi-modulen. [105]

Strömförsörjningen av Wifi-modulen sker från utgången märkt ”Vin” från Arduino Mega ADK, den är reglerad till 3.3V och försörjer både RN-131G-modulen och SC16IS750 chippet. Kommunikationen mellan modulen och arduinokortet sker över SPI på de digitala utgångarna 50-52 (MISO, MISO, SCK, SS) [14]. Modulen innehåller även en liten prototyparea med 0.1 tums hål där man kan göra egna kopplingar eller fästa diverse komponenter [15].

För att konfigurera Wifi-modulen kopplar man upp sig med ett terminalprogram, t.ex. Terra Term, via USB-kontakten till arduinokortet. Standardinställningarna för att få kontakt seriellt är 9600 bitars hastighet, 8 bitars data, ingen paritet, 1 stoppbit och att flödeskontrollen är avstängd. Man kan även koppla upp sig via telnet9 över Wifi för att konfigurera modulen. Det senare alternativet kräver dock att man redan konfigurerat Wifi-modulen och har kontakt med den.

6

SPI är en synkron seriell datalänksstandard som arbetar i full duplex

7

SDIO tillåter kortplatsen för SD-kort att användas för ett annat ändamål

8 _{RFID är en teknik som möjliggör att information kan läsas på avstånd från transpondrar och minnen som kallas}

för ”taggar”

9

11 När anslutningen är upprättad skriver man tre tecken, ”$$$” för att komma in i modulens konfigureringsläge. När kommandot är skickat får man tillbaka ”CMD” som bekräftelse på att man är inne i konfigureringsläget. Väl inne i konfigureringsläget kan man definiera parametrar för hur modulen ska bete sig, som t.ex. vilket nätverk den ska ansluta sig till, lösenord för nätverket, IP-adress, kanal och protokoll. När konfigurationen är klar kan man välja att spara de aktuella inställningarna i minnet genom att skriva ”save”. Detta gör att varje gång Wifi-modulen startar kommer dessa parametrar läsas in från minnet och användas. För att avsluta konfigureringsläget skickar man ”exit” [16].

2.4 Servomotorer

En servomotor är en DC (direct current)-motor som är utrustad med en servomekanism för att kunna uppnå ett visst vinkelläge och är den komponent som kommer vinkla plattorna. Utöver en DC-motor består den även av ett växelsystem, ett positioneringssystem (som oftast består av en potentiometer) och styrelektronik. Motorn är ansluten till växelmekaniken som ger feedback från en positioneringssensor. Från växellådan styr motorns utsignal servoarmen. Potentiometern ändrar positionen som motsvarar den nuvarande positionen hos motorn, så att förändringen i resistans ger en ekvivalent förändring i spänning från potentiometern. En servomotor brukar oftast kunna rotera 90⁰ eller 180⁰, det finns även vissa servomotorer som kan rotera 360⁰ eller mer. Rotationen är begränsad mellan vissa vinklar och för att styra en servomotor använder man pulsbreddsmodulering, en så kallad PWM - signal.

En puls vars bredd varierar mellan 1 – 2 millisekunder skickas upprepade gånger till servomotorn, cirka 50 gånger per sekund. Då servomotorn tar emot en puls behålls värdet i 20-millisekunder, fram tills en ny puls tas emot. Bredden på pulsen bestämmer vinkelläget som servomotorn ska ställa in sig på [19].

T.ex. om pulsbredden är 1 millisekund så rör sig servoarmen mot 0⁰ och 2 millisekunders pulsbredd rör sig mot 180⁰. Då skulle 1.5 millisekunders pulsbredd motsvara en vinkel på 90⁰ (se Figur 11). Dessa värden är ungefärliga och beteendet på servomotorerna skiljer sig baserat på tillverkare.

12 Servomotorerna som används i projektet är typiska servomotorer för modellbyggen, fyra stycken Graupner Servo DES 708 BB, MG (se Figur 12). Dessa servomotorer drivs med 4.8V – 6V och kräver en ström på cirka 1800mA. Eftersom detta är mer än arduinokortet klarar av att driva krävs en extern spänningskälla som kan tillhandhålla tillräckligt hög ström.

Figur 12. Graupner Servo DES 708 BB, MG. [107]

2.5 Spänningskälla

De olika komponenterna som kommer att användas i projektet behöver matas med olika spänning och drar olika mycket ström (se Tabell 2) blir det enklare att ha en enda spänningskälla som kan försörja alla komponenter istället för att varje komponent har sin individuella adapter.

Antal Komponent Spänning Ström

2 Ventiler VDW21-5G-3-01F-Q 12V 0.25A

4 Graupner Servo DES 708 BB,MG 4.8-6V 1.63-1.84A

1 Arduino Mega ADK 12V Max 1.5A

1 LED Slinga för belysning 12V 2A

Tabell 2. Lista över komponenter och deras matningsbehov.

Då ett vanligt nätaggregat för stationära datorer (se Figur 13) kan ge dessa spänningar och klarar av att lämna tillräckligt hög ström gjordes valet att använda detta som spänningskälla. Nätaggregatet behöver dock modifieras för att tillfredsställa komponenternas behov. Ytterligare information om detta finns i kapitel 3.5.

13

3. Genomförande

I detta kapitel beskrivs genomförandet av arbetsprocessen. Kapitlet är uppbyggt i den ordning kommunikationen sker, Android → Server → Arduino. Efter det beskrivs konstruktionen av spänningskällan och sist de förändringar vi gjort i den ursprungliga designen. Fullständig källkod för androidapplikationen finns i Appendix C, koden för servern i Appendix D och arduinokoden i Appendix E.

3.1 Utveckling av vår applikation till Android

Applikationen ska vara så enkel och användarvänlig som möjligt och därför består den av endast en aktivitet. Aktiviteten representeras av en skärmsida med ett användargränssnitt [7]. Användargränssnittet består av en svart bakgrund, för att ge ett starkt konstnärligt intryck, och tre stycken växlingsknappar (se Figur 14).

När applikationen startar anropas ”onCreate” metoden. Där skapas ett objekt som kommer att sköta TCP-kommunikationen samt en sensorhanterare som hanterar accelerometern. Växlingsknapparna (Connect, Controlling Off och Water Off) kopplas till ”lyssnare” som känner av om en knapptryckning sker. Då anropas en metod som kontrollerar vilken knapp det är och beroende på detta hanterar knapptryckningen på rätt sätt. Igångsättning eller byte av nätverk görs också i ”onCreate” metoden. Efter att ”onCreate” metoden anropats eller när applikationen återfår användarens fokus anropas metoden ”onResume”. Här registrerar sensorhanteraren accelerometern så att den sätts igång och kan användas. Växlingsknapparna ställs in i de lägen de ska ha vid uppstart då enbart knappen ”Connect” ska kunna tryckas på.

Metoden ”onPause” anropas när applikationen försvinner ur användarens fokus. Applikationen kopplar då ner anslutningen till servern och sensorhanteraren avregistrerar användandet av accelerometern så att den inte ligger igång och drar ström från batteriet i användarens mobiltelefon. Se Appendix B för sekvensdiagram över ovan nämnda metoder samt klassdiagram för applikationen.

14 Knapparnas funktioner är följande: försöka koppla upp sig mot servern, sätta

igång styrningen av plattorna samt sätta igång vattenflödet. Det krävs att androidenheten är uppkopplad mot samma trådlösa nätverk som servern men för att användaren inte ska behöva tänka på detta så sköter applikationen det automatiskt vid uppstart. För att få tillåtelse att använda dessa funktioner, som innefattar igångsättning av nätverkskortet och/eller byte av trådlöst nätverk, måste detta anges i applikationens manifestfil (se Figur 16). I denna fil har även sökvägen som hänvisar till applikationens ikon (se Figur 15) lagts till.

3.1.1 Behandling av accelerometerdata

För att ha möjlighet att styra plattorna efter androidenheten behövs tillgång till data från accelerometern som anger enhetens läge. Dessa data kan fås genom att skapa en sensorhanterare som hanterar accelerometern. Då accelerometerns värde ändras (enhetens vinkel ändras) ska dessa skickas till servern. Som tidigare nämnt kan accelerometern ge värden i tre riktningar, x-, y- och z-led. Det är enbart förändringen i x- och y-led som applikationen skickar till servern eftersom det är i dessa riktningar användaren kan vinkla plattorna. Innan dessa värden skickas kontrolleras om enheten skakas genom att se om det skett en snabb accelerationsförändring i någon av riktningarna och i så fall skickas inga värden. Detta för att skydda servomotorerna mot plötsliga förändringar.

3.1.2 Uppkoppling och sändning av data Som nämnts tidigare behöver

användarens androidenhet vara uppkopplad mot samma trådlösa nätverk som servern för att enheten ska kunna ansluta till servern. Genom att trycka på knappen ”Connect” kan användaren försöka ansluta till servern (se Figur 17).

Figur 16. Utdrag ur manifestfilen.

Figur 15. Ikonen för vår applikation.

15 För att anslutningen ska lyckas måste servern vara tillgänglig. Det sker också en kontroll att ingen annan enhet är uppkopplad mot servern genom att ett kontrolltecken skickas från enheten och väntar på ett svar i tre sekunder. Metoden som sköter detta heter ”heartbeat” (se Figur 18) och används även för att kontrollera att uppkopplingen mellan androidenhet och server är aktiv. Detta görs var femte sekund. Mottags inget svar tre sekunder efter att tecknet skickats kopplas anslutningen till servern ner.

Lyckas enheten ansluta sig till servern blir användaren medveten om detta genom att knappen blir grön och visar texten ”Connected”. Växlingsknappen som sätter på och av styrningen blir då tillgänglig (se Figur 19). Är servern däremot upptagen eller inte går att ansluta sig till, visas ett meddelande om detta på enhetens skärm (se Figur 20).

Figur 18. Metoden heartbeat.

16 När styrningen är aktiverad skickas accelerometerdatan och ett värde för ventilerna som bestämmer om de ska öppnas eller stängas. Ska det vara möjligt att kontrollera vattenflödet måste styrningen vara aktiv. För att servern ska veta att det är styrningsdata som kommer så skickas först ett ”A” och sedan styrningsdata. Metoden ”sendPositions” (se Figur 21) sköter sändningen av dessa data.

3.1.3 Nedladdning av applikationen

Applikationen finns tillgänglig på Google Play och heter Project Rainbow. Den kan laddas ner av användaren antingen genom att söka efter ”Project Rainbow” på Google Play eller med hjälp av en QR (Quick Response)-tagg som kommer att finnas tillgänglig vid utställning av projektet (se Figur 22). QR-taggen scannas med en applikation som kan läsa av streckkoder och skickar användaren direkt till applikationen i Google Play.

3.2 Serverns uppbyggnad

Servern tillhandahåller och sköter kommunikationen mellan androidenheten och arduinokortet, som styr konstinstallationen. När konstinstallationen är utställd ska servern vara igång hela tiden och vänta på att någon ska koppla upp sig mot den med sin androidenhet. När en enhet är uppkopplad kan ingen annan enhet koppla upp sig.

På servern används både en TCP-socket10 och en UDP-socket. När servern startar börjar den med att skapa en socket för datagrammen (se Figur 23) som ska skickas till arduinokortet.

10

Socket är en anslutningspunkt som uppkopplad mot en annan socket kan överföra data mellan varandra. Figur 21. Metoden ”sendPositions” som skickar data till servern.

17 Figur 23. Socket för UDP överföringen skapas och Wifi-modulens IP-adress sparas.

För att en klient, i detta fall en androidenhet, ska kunna koppla upp sig mot servern skapas en serversocket vilken ligger och väntar på att en klient ska försöka ansluta på en specifik port11 (se Figur 24 rad 4). I samband med att en klientuppkoppling accepteras skapas två strömmar (se Figur 24 rad 16 och 18) som har hand om in- och utgående data mellan klient och server.

Figur 24. Utdrag från metoden newConnection.

När servern tar emot TCP-paketet från androidenheten så läses datainnehållet in rad för rad. Första raden är ett A, andra är x-värdet, tredje y-värdet och fjärde är värdet för vattnet. När servern känner av att första tecknet är ett A så vet den att nästkommande värden är accelerometerdata och vattenvärde. Varje rad avslutas med en punkt. Ett exempel på hur dessa data från paketet kan se ut visas i Figur 25. Övre raden visar datainnehållet i hexadecimal form och raden under dess motsvarighet i decimalform. Storleken på datadelen i TCP-paketet kan variera något beroende på hur många decimaler som de sända värdena innehåller men ofta ligger storleken på 43 bytes.

Figur 25. Datainnehållet i ett TCP-paket från en androidenhet.

Innan dessa data skickas till Wifi-modulen räknas x- och y-värdet om till ett nytt intervall. Intervallet på accelerometerdatan från androidenheten är mellan cirka -10 och 10. Det värde arduinokortet kan skicka till servomotorerna ska ha ett intervall på 0 till 180 som motsvarar grader.

11

18 Följande formel används för att få värdet inom det nya intervallet:

.

 newValue är värdet som ska vara inom intervallet 0 till 180.

 oldValue är värdet från accelerometern som är inom intervallet -10 till 10.

 a1 är det gamla intervallets minimum värde (-10).  a2 är det gamla intervallets maximum värde (10).

 b1 är det nya intervallets minimum värde (0).

 b2 är det nya intervallets maximum värde (180).

Figur 26 visar värdets förhållande i de två intervallen.

Figur 26. Värdets förhållande i de två intervallen.

Efter att värdena räknats om till det nya intervallet avrundas de till ett heltal och får då plats i varsin byte. Dessa tre bytes läggs i datagrampaketet (se Figur 27) och skickas till Wifi-modulen via den UDP-socket som tidigare skapats.

Figur 27. Metoden som skapar och skickar datagram. 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 R e su ltat e t p å vär d e t i in te rv al le t 0 -180

Aaccelerometervärdet i det gamla intervallet (-10) - 10

19 UDP-paketets datainnehåll som skickas från servern visas i Figur 28. Här har det inkommande TCP-paketets datainnehåll från Figur 25 räknats om till grader. Värdet i x-led är 81 grader, y-led 132 grader och värdet för vattnet är 0 vilket indikerar att det ska vara avstängt.

Figur 28. Datainnehållet i utgående UDP-paket.

Det sker en kontroll av värdena innan de skickas vilket innebär att klienten ses som inaktiv om accelerometerdatan inte är ändrad efter 150 mottagningar, i tid innebär detta cirka 30 sekunder. Kontrollen görs genom att jämföra de senast inkommande värdena med föregående värden. Är det samma värden adderas en etta till räknaren som kopplar ner anslutningen när den når 150. Räknaren nollställs när det är nya värden som kommer.

Om klienten önskar att uppkopplingen ska avbrytas skickas ett ”X” i dataströmmen till servern vilket sker i bakgrunden när användaren trycker på knappen för att koppla ifrån. Strömmarna stängs då ner och det gör även socketanslutningarna. Servern börjar sedan om med att skapa nya sockets och återigen väntar den på att en ny klient ska ansluta sig.

3.3 Utveckling av arduinokortets programvara

När arduinokortet startas börjar Wifi-modulen skapa en anslutning till ett angivet nätverk med hjälp av de sparade parametrar som förprogrammerats, så som nätverksnamn och lösenord. Även vilket protokoll som ska användas för kommunikationen finns sparat i minnet på modulen. Protokollet som används mellan Wifi-modulen och servern är UDP.

Efter att Wifi-modulen anslutit till nätverket börjar den lyssna efter trafik på en viss port, i vårt fall portnummer 8888. Servern skickar ut paketen med aktuella accelerometervärden till Wifi-modulens IP-adress på port 8888. Paketet som tas emot innehåller tre bytes, första byten innehåller x-värdet och andra byten innehåller y-värdet. Sista byten innehåller värdet för ventilerna till vattenflödet.

Vid uppstart skapas även en kommunikationslänk över SPI mellan Wifi-modulen och arduinokortet samt initiering av servomotorerna till PWM-utgång 2,3,4 och 5. Även utgång 22 aktiveras för att göra det möjligt att öppna eller sluta ventilerna för vattenflödet. Efter detta körs en loop för att se om data sänds från Wifi-modulen. Pågår ingen kommunikation mellan korten stängs servomotorerna av i väntan på att data ska tas emot. Är det däremot en datatrafik mellan korten, så kontrolleras x- och y-värdena med hjälp av koden som visas i Figur 29. Där ”income[0]” är det inkomna x-värdet och ”income[1]” är y-värdet. Viss kalibrering behöver programmeras eftersom servomotorerna inte ska röra sig över vissa vinklar för att förhindra skada på konstprojektet. Därför krävs det en Figur 29. Källkod för att styra vänster platta från

20 kontroll av de mottagna värdena innan de skickas till respektive servomotor.

Detta görs i de två övre satserna enligt Figur 29 som visar koden för styrningen av vänster platta, styrningen för höger platta fungerar på samma sätt. Är det inkomna x-värdet mindre än eller lika med 24 ska värdet 24 skickas till ”servo[0]”. Är x-värdet större än eller lika med 160 ska 160 skickas som värde till ”servo[0]”. Alla x-värden mellan 24 och 160 kan skickas direkt till ”servo[0]”.

För y-värdet krävs en liknande kontroll förutom att y-värdet skickas till ”servo[1]”. Eftersom servomotorerna är spegelvända behövs även en formel för att också spegla värdena, t.ex. blir 0 = 180 och 160 = 20. Denna formel kan ses i de två nedre satserna i figuren.

När Arduinokortet sänder värdet med hjälp av write()-funktionen, så skickas en PWM-signal till servomotorerna som ställer in plattorna i rätt läge. Efter varje sänd signal anropas även funktionen detach() vilken kopplar från servomotorerna i väntan på att nya värden ska skickas.

Inkommande värde för ventilerna är antingen 1 för att öppna eller 0 för att sluta. Är det inkomna värdet 1 så skickas 5 V till utgång 22 som är ansluten till ett kretskort för att öppna ventilerna (se Kapitel 3.4). Är värdet istället 0 så skickas ingen spänning till utgång 22 vilket gör att ventilerna är slutna (se Figur 30).

Figur 30. Kod för att öppna respektive sluta vattenventilerna.

3.4 Ventiler

För att ha möjlighet att stänga av och sätta på vattenflödet genom munstycket i plattorna behövs ett par elektriskt kontrollerbara ventiler. De som passade projektet bäst var 2/2-vägselektromagnetventil, VDW21-5G-3-01F-Q (se Figur 31). Ventilerna klarar att släppa genom ett vattenflöde på 0.43 l/min och kräver en arbetsspänning på minst 12 V. De öppnas eller sluts beroende på vad de tar emot för spänning.

Matas de med låg spänning stängs ventilerna och när spänningen blir hög öppnas ventilerna så att vattnet kan flöda fritt genom kopplingen.

21 Eftersom all information från användaren kommer till arduinokortet måste därför ventilerna även kunna styras genom detta. Vi har tillverkat ett eget kretskort som gör det möjligt för arduinokortet att slå på respektive av den externa spänningen på 12V till ventilerna. Detta kretskort består av ett motstånd på 1kΩ, en NPN transistor BD241C och en 1N4002 diod. Motståndet kopplas mellan utgång 22 på arduinokortet till basen på transistorn. Ventilernas jord kopplas till kollektorn på transistorn, och arduinokortets jord kopplas till emittern på transistorn. Dioden kopplas från kollektorn med katoden riktad till spänningskällans pluspol. Den förhindrar att bakslagsspänning skadar kretsen. Spänningskällans jord kopplas slutligen till emittern (se Figur 32).

Figur 32. Kretskoppling för ventiler.

När användaren har tryckt på knappen ”Water On” skickas en etta i tredje byten i paketet till arduinokortet som i sin tur skickar ut en hög spänning på utgång 22 vilket öppnar kretsen. Med hjälp av ovanstående koppling kan kretsen (se Figur 33) styras för att mata ventilerna med den externa spänningskällan på 12 V.

22

3.5 Nätaggregat

Som spänningskälla använde vi ett gammalt nätaggregat till en dator. Nätaggregatet är tillverkat av Macron Technologies och ansluts till ett vanligt 230V uttag. Nätaggregatet kan förse önskade komponenter med spänning och ström enligt tabell 3.

Kabelfärg Spänning Ström Röd +5 V 30A Gul +12V 15A Vit -5V 0.5A Blå -12V 0.8A Svart GND GND

Tabell 3. Lista över anslutningar hos nätaggregatet.

För att skapa en enkel kontakt för utgångarna fästes laborationsutgångar på framsidan av nätaggregatet. Totalt är det tre kontakter, två kontakter för +5 respektive +12 V samt en för jord (se Figur 34).

Figur 34. Laborationskontakter fästa på nätaggregatet.

För att utgångarna skall fungera optimalt krävs det att all kablage för en viss spänning fästs tillsammans med respektive laborationsutgång. Kablagen med färgmarkeringen vit, blå och orange isolerades eftersom de inte behöver användas.

För att minimera kablagen och göra systemet smidigare fästes även en apparatlåda till nätaggregatet. På apparatlådan monterades en strömbrytare för nätaggregatet och en 25-utgångars D-subminatyrs honkontakt (se Figur 35).

23 När apparatlådan monterats på nätaggregatet placeras arduinokortet, Wifi-modulen och kretskortet för att styra ventilerna inuti apparatlådan (se Figur 36). Alla kablar som ska anslutas klämdes fast i en D-subminatyrs honkontakt, och ett litet hål för att kunna ansluta till arduinokortet via USB-kontakten sågades ut.

Figur 36. Arduinokortet med WiFly-modulen och ventilkoppling, monterade i apparatlådan.

Från bågen där ventiler, servomotorer och belysning är installerat, går en 1ledarkabel och en 2-ledarkabel. Kablagen går i andra änden till en D-subminatyrs hankontakt (se Figur 37) som kopplas in i apparatlådan.

24

3.6 Design

För att öka den visuella effekten för användaren valde vi att göra förändringar på designen. Bågen som tidigare var tillverkad i rött plexiglas (se Figur 38) förändrades så att den nu består av vitt plexiglas (se Figur 39). Med hjälp av en laserskärare och ritningarna som användes för det röda plexiglaset skars de olika delarna till sidorna på bågen ut. Vi valde även att tillverka ett lock och en botten på bågen för att kunna dölja kablage och vattenslang samt fånga den nymonterade LED-slingans effekt. Eftersom laserskäraren inte klarar av delar som är längre än 60 cm så fick lock och botten tillverkas i delar om tre. För dessa delar fanns inga tidigare ritningar utan dessa skapades efter de mått som bågen har (se Appendix H). Kanterna på locket och botten fasades ut för att få en bättre passform. För att få delarna formade efter bågens form värmdes de upp med hjälp av en värmepistol. Delarna hålls på plats med hjälp av bultar som fästs med en mutter under bottendelarna.

Figur 39. Bågen i vitt plexiglas med lock och botten. Figur 38. Bågen i tidigare röd design.

25 3.6.1 Belysning

För att få ett mer effektfullt intryck monterades en 5 meter lång LED-ljusslinga inuti bågen(se Figur 33). Man kan med hjälp av en fjärrkontroll (se Figur 40) ändra färg och intensitet på ljusslingan eller låta den automatiskt skifta mellan olika färger. Användaren bjuds på en härlig visuell effekt när ljusslingan lyser genom det vita plexiglaset (se Figur 41)

3.6.2 Vattenflöde

En annan funktion som ökar upplevelsen är vattenflödet. Varje platta har ett munstycke(se Figur 42) där vatten forcerar genom när ventilerna är öppna. För att pumpa upp vattnet används en länspump som drivs av 12 volt, vattnet går från plastdammen upp genom vattenslangen som ligger inuti bågen, ut till varje platta (se Figur 43). Länspumpen klarar att leverera ett vattenflöde på 32 l/min vilket ger ett tillräckligt bra tryck för att producera en tunn stråle vatten från varje platta. När användaren styr plattorna med sin mobiltelefon följer vattenstrålarna telefonens rörelser och tillåter användaren att sätta på eller stänga av vattenflödet under tiden.

Figur 40.

LED-slingan och dess fjärrkontroll.

Figur 41. Belysning i vitt, rött, grönt och blått.

26

3.7 Test av systemet

En testdag gjorde det möjligt att se hur besökare kunde interagera med projektet och samtidigt testa hur väl applikationen fungerade på mobiltelefoner med olika version av Android (se Figur 44). Besökaren följde den användarbeskrivning (se Appendix I) som fanns intill konstprojektet. Applikationen testades på olika versioner av Android (från 2.2 och uppåt) med framgång. Men vid ett test på den senaste versionen (Android 4.0.3, API 15) kraschade applikationen. Efter felsökning kunde felet lokaliseras. Applikationens krasch berodde på att kommunikationen till servern skedde i programmets huvudtråd vilket inte är tillåtet i denna version av Android. Detta löstes genom att vid applikationens uppstart kontrollera vilken version som körs. Om det är en senare version än 2.2, sätts en mindre strikt policy för applikationen som tillåter denna typ av uppgift i huvudtråden. En annan lösning på problemet är att skapa en asynkron uppgift för att sköta kommunikationen till servern. Det är en uppgift som körs i en egen tråd i bakgrunden av huvudtråden och på så sätt inte riskerar att låsa den.

27

4. Resultat och diskussion

I den här rapporten har vi beskrivit hur man trådlöst kan styra ett elektromekaniskt system med hjälp av en mobiltelefon. En prototyp för systemet har konstruerats och fungerar enligt de avgränsningar och kriterier som skulle uppfyllas enligt förstudien (se Appendix A). Applikationen finns lättillgänglig via Google Play. En användare åt gången kan koppla upp sig mot konstprojektet och styra det trådlöst med hjälp av en androidenhet. Den separata spänningskällan som tillverkades blev också lyckad. Med hjälp av den behövs enbart två kablar för att strömförsörja hela installationen, en kabel från bågen till apparatlådan och en kabel från nätaggregatet till ett eluttag.

Ett av problemen som uppstod under projektet var att LED-belysningen flimrade till när servomotorerna ändrade läge. Detta berodde på den höga ström som servomotorerna drar under små tidsintervaller, vilket gjorde att strömmen till belysningen inte var tillräcklig. Detta löstes genom att byta ut nätaggregatet från originalkonstruktion till ett annat med högre effekt. Det blev även problem med att ventilerna inte kunde öppnas eller slutas när vattenpumpen kördes. Detta berodde också på att nätaggregatet inte kunde ge den spänning som krävdes för att styra ventilerna när de utsattes för trycket från vattnet. Även detta löstes när nätaggregatet blev utbytt.

Vi stötte även på problem när vi implementerade en kontroll på servern för att hålla reda på att uppkopplingen mellan en androidenhet och servern är aktiv. Tanken var att använda javaspråkets fördefinierade funktioner för denna kontroll så som isConnected() och isBound(). Då detta inte fungerade som tänkt, skapade vi en egen funktion vilken meddelar användaren om att kontakten med servern brutits och servern återgår då till sitt startläge för att låta en ny användare ansluta. En annan svårighet var att hitta relevant information för att skapa en bra kommunikationslänk mellan Roving Network's WiFly-modul och servern. Tack vare olika utvecklarforum på internet och de tidigare arbeten som tas upp i kapitel 1.4 fick vi en del tips som kunde lösa våra problem med modulen.

I grundkonstruktionen på bågen kan servomotorernas rörelsemönster inte utnyttjas fullt ut eftersom den mekaniska konstruktionen som plattorna är fästa med begränsar plattornas rörelse. Men konstruktionen är ändå tillräckligt bra för att användaren tydligt ska se vinkelförändringar på plattorna. Servomotorernas hastighet är i teorin ca 0.1 s/40° vilken dock minskas något på grund av plattornas vikt men är ändå så pass starka, med ett vridmoment på ca 100 N/cm, att tidsökningen blir marginell och påverkar inte upplevelsen.

Vi utförde även ett pilotprojekt där vi ställde ut konstinstallationen för en dag tillsammans med instruktioner för hur besökare skulle kunna interagera med den. Servern hade en fast IP-adress som även gick att nå via det mobila nätverket. Detta gjorde det möjligt att styra konstinstallationen utan att befinna sig på samma trådlösa nätverk som servern. Tyvärr var det mobila nätverket inte tillräckligt snabbt för att ge användaren en bra responstid vid styrningen. Det tog cirka 5 sekunder från det att användaren vinklat sin telefon tills plattorna ändrade läge. Responstiden försämrade helhetsintrycket markant vilket gjorde att vi enbart tillät uppkoppling via ett eget trådlöst nätverk. Där var responstiden cirka ½ sekund.

28 Reaktionen från användarna var mycket positiv och installationen väckte stort intresse bland de förbipasserande. Detta var en utmärkt möjlighet för oss att testa systemet som helhet och även kunna testa applikationen på många olika mobiltelefoner. Det enda problemet som uppstod under dagen var att telefonmodellen Xperia Arc S tillverkad av Sony Ericsson skickade accelerometervärden för ofta för att plattorna skulle hinna ändra läge. Till skillnad från mobiltelefoner av andra tillverkare, skickade Sony Ericssons modell tre gånger mer information under en minuts tidsintervall. Detta beror förmodligen på att accelerometerchippet i den modellen har en högre samplingsfrekvens.

29

5. Slutsats

Projektet har gått bra och vi har följt tidsplaneringen. Vi har uppfyllt delmål och milstolpar som upprättades under förstudien. Samarbetet i gruppen har gått bra och varje individ har slutfört de delar som den ansvarat för (se ansvarsområden samt uppgiftsuppdelning i förstudien, appendix A). Eftersom en server används som länk i kommunikationsflödet är möjligheterna för framtida utveckling stor. De tankar och idéer vi har om framtida utveckling är:

 Möjliggöra kommunikation via mobilt nätverk, till exempel 3G-nätet. Förutsatt att servern har ett fast IP-nummer som går att nå externt så fungerar det att kommunicera över det mobila nätverket. Detta betyder att användaren inte behöver vara uppkopplad mot ett specifikt trådlöst nätverk utan det räcker att personen har internetuppkoppling via sin mobiloperatör.

 Eftersom all information som styr installation skickas via en server finns möjlighet att styra den via ett webbgränssnitt också. Tanken är då att man skulle kunna se konstprojektet via en webbkamera och kunna interagera med det från en annan plats i världen.

 Ändra den mekaniska grundkonstruktionen så att plattorna kan få ett större rörelsemönster.

 Systemet skulle kunna vidareutvecklas för att tillåta två användare att vara uppkopplade mot konstprojektet samtidigt och styra varsin platta. För att detta ska fungera krävs det att applikationen, servern samt arduinokortet omprogrammeras.

 Systemet öppnar eller sluter båda ventilerna samtidigt. I framtiden skulle man även kunna ha möjlighet att sluta eller öppna var ventil för sig. För att möjligöra detta behöver applikationen innehålla en knapp till samt att servern ska skicka ytterligare ett värde till Arduinokortet. Även ett extra kretskort (se Figur 25) för att styra ventilen behöver byggas.

 Möjliggöra styrning av ljusslingan genom mobilapplikationen. För att detta ska fungera krävs det att arduinokortet utrustas med en IR-sändare och att androidapplikationen sänder ett extra värde för färgvalet till servern. Arduinokortet skickar sedan en signal via IR-sändaren till konstprojektets IR-mottagare som ställer om färgen.

Tekniken som används i projektet kan även appliceras på andra användningsområden. Exempelvis skulle mobiltelefonens accelerometer och gyroskopiska sensorer kunna användas för att kontrollera en Segway PT12 där telefonen skulle kunna kopplas in i styret och tillhandahålla styrning och balansfunktionerna.

Styrningen för svensktillverkade övervakningsroboten Rotundus [23] skulle även kunna bygga på samma teknik. Roboten har formen av en sfär och tar sig fram genom att en pendel inuti roboten vinklas åt det håll den ska färdas.

Framförallt kan tekniken användas för att skapa billiga prototyper till olika projekt eller för att skapa egna interaktiva miljöer där bara fantasin sätter gränser för vad som är möjligt.

12

Segway PT är ett tvåhjuligt fordon som själv håller balansen. Styrs genom att personen lutar sig åt det håll den vill färdas.

30

Referenser

[1] ”Tekniska prylar”, Undersökning utförd av: Silentium, april 2011,

http://www.silentium.se/wp-content/uploads/Tekniska-prylar-var-2011.pdf, 2012-05-04 [2] FAQ, Open Handset Alliance,

http://www.openhandsetalliance.com/oha_faq.html, 2012-04-12 [3] Andy Rubin Google+ post, 27 februari 2012, Andy Rubin,

https://plus.google.com/u/0/112599748506977857728/posts/Btey7rJBaLF, 2012-04-12 [4] Om Google Play, Google,

https://play.google.com/about/features/, 2012-04-11

[5] Heming Pang, Linying Jiang, Liu Yang och Kun Yue. ”Research of android smart phone surveillance system” in Computer Design and Applications (ICCDA), Qinhuangdao, China. 2010, s. V2-373 - V2-376

[6] Adam M. Dutko, "Domo Arigato Mr Androidato—An Introduction to the New Google Mobile Linux Framework, Android", Linux Journal, Vol. 2008, nr. 167, s. 48-80.

[7] Application Fundamentals, Android Developers,

http://developer.android.com/guide/topics/fundamentals.html, 2012-04-12 [8] Activities, Android Developers,

http://developer.android.com/guide/topics/fundamentals/activities.html, 2012-04-13

[9] Greg Gagne, ”To java.net and beyond: teaching networking concepts using the Java networking API”. In Proceedings of the 33rd SIGCSE technical symposium on Computer science education (SIGCSE '02), mars 2002. ACM, New York, NY, USA, s. 406-410.

[10] Amit Saha. ”Learning to program the Arduino”. Linux Journal. Vol. 2011, nr. 211. [11] Arduino Build Process, Arduino,

http://arduino.cc/en/Hacking/BuildProcess, 2012-04-10 [12] Arduino ADK, Arduino,

http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardADK, 2012-04-10

[13] Benedikt Ostermaier, Matthias Kovatsch och Silvia Santini, ”Connecting things to the web using programmable low-power Wifi modules”. In Proceedings of the Second International Workshop on Web of Things (WoT '11), 2011. ACM, New York, NY, USA.

[14] SPI Library, Arduino,

http://arduino.cc/en/Reference/SPI, 2012-04-10 [15] WiFly Shield, Sparkfun Electronics,

31 [16] WiFly GSX - User Manual and Command Reference, Roving Networks,

http://www.sparkfun.com/datasheets/Wireless/Wifi/WiFlyGSX-um2.pdf, 2012-04-11

[17] Min Zhang, Maurizio Dusi, Wolfgang John and Changjia Chen, ” Analysis of UDP Traffic Usage on Internet Backbone Links”. Ninth Annual International Symposium on Applications and the Internet (20 - 24 juli 2009), Seattle, USA.

[18] A. Malhotra, V. Sharma, P. Gandhi, N. Purohit, "UDP based chat application," 2nd International Conference on Computer Engineering and Technology, Chengdu, China, 16-18 April 2010, pp.V6-374-V6-377.

[19] Servo Motor, EngineersGarage,

http://www.engineersgarage.com/articles/servo-motor, 2012-04-11 [20] SensorEvent, Android Developers,

http://developer.android.com/reference/android/hardware/SensorEvent.html, 2012-05-07 [21] Martina Marti, Lorenz Rordorf, ”Interactive art installation”, 2011, bachelor thesis, Malmö

Högskola, Institutionen för datavetenskap.

[22] Jakub Wójcik, ”The conception and the implementation of control system for servomotor with application of wireless network”, Krakow, Polen, 2011, master thesis, AGH University of Science and Technology, Electrical Engineering.

[23] Rotundus,

http://www.rotundus.se/, 2012-05-11

[24] Danial Bin Mohd Ruslan,Ezreen Aida Bintikamarulzaman, “Build a wireless weather station”, 2011, Report for diploma: Engineering Technology in Telecommunication,University Kuala Lumpur, Malaysia.

[25] TCP - How it works, The ISP Column, Geoff Huston

32

Bildreferens

[101] http://developer.android.com/guide/basics/what-is-android.html, 2012-04-11 [102] http://developer.android.com/images/activity_lifecycle.png, 2012-04-13 [103] http://developer.android.com/reference/android/hardware/SensorEvent.html, 2012-05-07 [104] http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardADK, 2012-04-13 [105] http://dlnmh9ip6v2uc.cloudfront.net/images/products/09954-01b.jpg, 2012-04-14 [106] http://www.engineersgarage.com/articles/servo-motor?page=3, 2012-04-14 [107] http://www.graupner.de/en/products/7946/product.aspx, 2012-04-16 [108] https://www.elfa.se/elfa3~se_sv/elfa/init.do?item=54-229-10&toc=0, 2012-04-16 [109] http://www.potaroo.net/ispcol/2004-07/2004-07-isp.htm, 2012-06-26 [110] http://book.javanb.com/java-network-programming-3rd/javanp3-CHP-13-SECT-2.html, 2012-06-26

33

Appendix A

Projekt Rainbow - Förstudie

Bakgrund

Höstterminen 2011 gjorde två studenter från Schweiz sitt examensarbete vid Malmö högskola. Examensarbetet handlade om att göra ett interaktivt konstprojekt där åskådaren själv kunde skapa de visuella effekterna. De två studenterna designade och tillverkade en arm i plexiglas som har en platta i vardera ända som kan vinklas med hjälp av två servomotorer. En vattenpump förser dessa två plattor med en vattenstråle som på så vis kan vinklas och skapa olika intressanta mönster.

Deras tanke var att åskådarna själva skulle kunna styra konstinstallationen med hjälp av sin mobiltelefon, då detta moment inte ingick i deras utbildning så lämnade de detta till framtida utveckling. Istället styrdes konstinstallationen med hjälp av en joystick som sitter på ett Arduino Mega ADK (se Figur 1).

Figur 1. Hur Användaren interagerar idag.

Avgränsning av forskningsfrågan eller huvudproblemet, förtydligande

av kravspecifikationer

Syftet med det här examensarbetet är att vidareutveckla ett tidigare examensarbete gjort av två studenter, och att bygga vidare på den produkt som existerar idag. Tanken med slutprodukten är att man ska kunna styra ett konstprojekt via sin mobiltelefon genom en applikation som hämtar accelerometerdata från telefonen. Detta kommer att ske genom en kommunikation mellan användarens telefon och en webbserver via TCP/IP över Wifi. Webbservern skickar sedan vidare den bearbetade datan till Arduino-kortet med UPD över WIFI (se Figur 2). Konstinstallationen ska använda sig av ett Arduino Mega ADK-kort, som ständigt hämtar data från webbservern och ändrar de styrbara plattornas läge beroende på accelerometerdatan från användarens mobiltelefon. På så vis kan användaren genom att vinkla sin mobiltelefon bestämma plattans läge. Applikationen kommer att utvecklas för mobiltelefoner med operativsystemet Android, på grund av de enkla utvecklingsmöjligheterna och stora antalet användare.

34 Figur 2. Systemöversikt

För att få en klar bild över projektets problematik och genomförbarhet, har vi valt att bryta ner huvudproblemet i mindre delproblem (se Figur 3). På detta sätt får vi en klar bild över vilka delproblem som projektet har och det blir enklare att börja leta efter relevant information och bearbeta var problem för sig.