Classe 5I2 AS. 2013/14 Niccolò Bulla Giorgia Novelli

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1 Obiettivo: Implementare un sistema che consenta la trasmissione, puramente ottica, di un messaggio in codice Morse tramite una stazione di trasmissione (sorgente) e una di ricezione. Lo scopo finale è quello di verificare la possibilità di far comunicare a distanza due dispositivi in modalità wireless in modo unidirezionale. Cos è il codice Morse? La trasmissione mediante codice Morse fu oggetto di studio di Samuel Morse dal 1835, ma venne realizzata dal tecnico Alfred Vail, suo collaboratore. Il codice Morse originale consisteva in combinazioni di punti e linee ognuna corrispondente a un numero, a sua volta ogni numero corrispondeva a una parola. I numeri venivano trasmessi mediante l'uso del tasto telegrafico. Sebbene Morse fosse l'inventore del telegrafo, non eccellendo in perizia tecnica chiese la collaborazione di Alfred Vail, che sviluppò un sistema nel quale ogni lettera o simbolo veniva inviata singolarmente usando una combinazione di punti, linee e pause. I due convennero che fosse proprio il metodo di Vail il più adatto ad essere inserito nel brevetto che Morse avrebbe richiesto. Il codice Morse fu subito considerato lo standard per la codifica delle informazioni ed ebbe un così ampio e incontrastato successo che nessun altro sistema alternativo riuscì a soppiantarlo fino all invenzione del telescrivente. Cos è Arduino? Il progetto prese vita a Ivrea nel 2005 dal professor Massimo Banzi, con lo scopo di realizzare un dispositivo per il controllo che fosse più economico rispetto ai prototipi allora disponibili. I progettisti riuscirono a creare una piattaforma di semplice utilizzo ma che, al tempo stesso, permetteva una significativa riduzione dei costi rispetto ad altri prodotti. Arduino è una scheda elettronica di dimensioni ridotte composto da un circuito microcontrollore, utile per creare rapidamente prototipi e per scopi hobbistici e didattici. Arduino è fornito con un semplice ambiente di sviluppo integrato per la programmazione. Tutto le informazioni relative ad Arduino sono libere, sia gli schemi circuitali sia il software ad esso legato. Pag. 1

2 Arduino UNO: Per realizzare questo progetto abbiamo utilizzato un Arduino di tipo UNO. Può essere alimentato con un battery pack o collegandolo a un computer tramite cavo USB. Caratteristiche: Microcontrollore Tensione di alimentazione 5V Pin I/O digitale 14 ATmega328 Pin Input analogico 6 Memoria Flash 32 KB Frequenza di Clock 16 MHz Materiale utilizzato e costi: Componente Quantità Immagine Costo Arduino UNO 2 29,99 Breadboard 2 6,50 Foto-resistenza 1 2,60 Resistenza (330 Ω) 1 1,00 Speaker 1 2,82 Emettitore Laser (KY008) 1 2,07 Cavetti telefonici 9 2,99 Pag. 2

3 Principio di funzionamento: Il nostro progetto si basa sulla comunicazione wireless a distanza tra due computer tramite due circuiti microcontrollori (trasmissione e ricezione). La stazione trasmittente, mediante l utilizzo di un laser, invia un messaggio in linguaggio Morse usando l etere come mezzo trasmissivo; sulla stazione ricevente è montata una foto-resistenza che capta l intensità luminosa che arriva dall emettitore laser. L intervallo di tempo per il quale la fotoresistenza rimane colpita dal raggio laser ci permette di individuare se il carattere inviato è un punto(.) o una linea(-). I primi passi: Step1 Per prendere dimestichezza con Arduino e i diversi componenti, abbiamo usato un solo microcontrollore per ricezione e trasmissione e una sola basetta, in questa prima fase non c era ancora uno scambio di informazioni, ma osservavamo il comportamento della fotoresistenza irradiata dalla luce di un diodo-led. Non è presente ancora nessuna codifica del segnale ricevuto, ci siamo preoccupati solo di leggere i valori di tensione della fotoresistenza. Problemi riscontrati : il diodo-led forniva un intensità luminosa insufficiente perché ci fosse una variazione significativa all input analogico collegato alla foto-resistenza. Inoltre la foto-resistenza era sensibile alla luce dell ambiente, e questo contribuiva a peggiorare la lettura della misura. Step2 Per ovviare ai problemi riscontrati precedentemente abbiamo apportato alcune modifiche cercando di canalizzare il flusso luminoso generato dal diodo-led, tramite l utilizzo di un guida di luminosità (plastica trasparente). Per minimizzare il disturbo luminoso dell ambiente abbiamo posizionato sulla foto-resistenza una copertura oscurante di modo che la luce esterna non disturbi la trasmissione e aggiunto una resistenza creando un partitore di tensione, che aumentasse il range di valori di tensione in ingresso. Problemi riscontrati : sebbene ci siano stati dei miglioramenti, essi appaiono ancora troppo poco significativi, non siamo ancora in grado di garantire una variazione di segnale in ingresso alla foto-resistenza tale da trasmettere il messaggio senza errore. La luce emessa dal diodo-led risulta troppo dispersiva e insufficientemente intensa. Step3 Dato il rapido aumento dei componenti sulla breadboard abbiamo deciso di separare le due stazioni sue due differenti basette ognuna delle quali controllata da un Arduino UNO. A livello circuitale sono stati, inoltre, inseriti un diodo-laser in sostituzione delle diodo-led ed un bottone per il controllo dell accensione del laser. Con l inserimento del diodo-laser abbiamo potuto differenziare in maniera più precisa la presenza di un segnale in arrivo sulla foto-resistenza grazie alla maggiore intensità del raggio laser e alla sua facile Pag. 3

4 direzionalità. In ricezione abbiamo aggiunto uno speaker in modo tale da generare un segnale acustico quando il laser colpisce la foto-resistenza. Problemi riscontrati : al momento non è ancora presente l invio automatizzato del messaggio, per ora l informazione inviata è ancora controllata manualmente dalla pressione del bottone da parte dell operatore; ciò comporta una maggior probabilità di errore durante l invio dovuto ad una distrazione dell utilizzatore che inoltre deve essere presente per tutta la durata della trasmissione. Trasmissione definitiva Schema circuitale Dallo schema Al circuito Pag. 4

5 Il passo che ha portato alla conclusione della stazione trasmittente è stato quello di implementare l automatizzazione dell invio del messaggio tramite uno sketch caricato sull Arduino UNO trasmittente eliminando quindi il bottone. Inoltre per rendere l applicazione user-friendly abbiamo creato un interfaccia grafica in WindowsForm usando il linguaggio C#, che si collegasse allo sketch in esecuzione sul microcontrollore. Adesso andremo a spiegare più nello specifico e in maniera diversificata i due programmi, quello di Front-End (C#) e di Back-End (sketch Arduino). Front-End: Il programma C# offre una semplice interfaccia grafica nella quale si può digitare la parola o l insieme di parole che si vogliono inviare. La sua creazione oltre ad essere legata ad un aspetto estetico consente a chiunque di utilizzare l applicazione senza per forza possedere dimestichezza con il mondo della programmazione, perché grazie all utilizzo della WindowsForm non è più necessario aprire lo scketch ed andare a modificare la variabile che contiene la stringa da inviare, ma basta digitare le parole nella casella di testo dell applicazione. Una volta digitata la stringa sarà sufficiente aprire il canale comunicativo tramite il metodo SerialPort.Open() che è scatenato dalla pressione del tasto Apri Comunicazione e successivamente premere il tasto Trasmetti messaggio che svuoterà il Buffer di Output inviando il messaggio al microcontrollore che lo memorizzerà nel suo Buffer di Input per poi leggerlo carattere per carattere. Pag. 5

6 Note: le informazioni provenienti da computer non viaggio su cavo RS-232, ma su un cavo USB collegato ad una porta opportunamente virtualizzata che agisce da seriale. Proprietà porta seriale Valore SerialPort.Name COM7 SerialPort.BoudRate 9600 SerialPort.DataBits 8 SerialPort.Parity None SerialPort.StopBits One Back-End: L Arduino riceve le informazioni che gli vengono passate dal Front-End ed esegue la codifica. Lo sketch riceve in ingresso un carattere per volta e lo passa come parametro al metodo MorseDecode(). Quest ultimo tramite il costrutto switch identifica il parametro ricevuto in ingresso e memorizza in un array la corrispondente codifica in linguaggio morse. Successivamente ogni singolo elemento dell array viene fatto scorrere in un ciclo for che ne esamina il contenuto, se il carattere è un punto si accenderà il diodo-laser per un intervallo di tempo di 250 msec., se invece è una linea si accenderà per 1000 msec.. L accensione del diodo avviene portando ad HIGH l uscita digitale dell Arduino al quale è collegato, mentre il laser è mantenuto accesso dal metodo delay() che congela lo stato del programma per il tempo indicatogli, al suo scadere l uscita digitale viene riportata a livello LOW spegnendo così il diodo. Frammenti di listato: void MorseDecode (char c) // metodo che codifica il messaggio in codifica Morse switch (c) case 'a': //Memorizzazione della codifica del carattere nell array Morse[0]='.'; Morse[1]='-'; Morse[2]=' '; Morse[3]=' '; case 'b': Morse[0]='-'; Morse[1]='.'; Morse[2]='.'; Morse[3]='.'; case ' ': default: Morse[0]='?'; Pag. 6

7 for(int i=0;i<4;i++) if (Morse[i]== '.') //controlla se il carattere è un punto e imposta lo stato del laser (HIGH/LOW) digitalwrite(laserstate,high); delay(100); digitalwrite(laserstate,low); Morse[i]= ' '; delay(1000); if (Morse[i]== '-') //controlla se il carattere è una linea e imposta lo stato del laser (HIGH/LOW) digitalwrite(laserstate,high); delay(1000); digitalwrite(laserstate,low); Morse[i]= ' '; Ricezione definitiva Schema circuitale Dallo schema Al circuito Pag. 7

8 Per implementare la ricezione del sistema, abbiamo realizzato uno sketch, che in base alla durata degli impulsi luminosi rilevati dalla foto-resistenza, distinguesse punti e linee, che in seguito verranno tradotte nella parola inviata dalla stazione trasmittente. Abbiamo controllato inoltre l accensione del segnale acustico. Nello sketch è presente un contatore, che ha la funzione di tenere memoria del tempo durante la quale la foto-resistenza è stata esposta al raggio del laser. Lo spazio tra una parola e l altra è pari a un periodo di tempo impostato (1000 msec.) in cui non ci sono comunicazioni da parte della stazione trasmittente. Una volta memorizzata la combinazione di punti e linee in un array abbiamo implementato un metodo (TConvertMorseToChar) in modo tale da riconvertire il messaggio in codice morse in una parola e visualizzarla sul monitor seriale. Sketch trasmissione: char m; //variabile in cui inserisco il messaggio da inviare int LaserState=8; //pin a cui collego il laser char Morse [] ="$$$$"; //char array che contiene la codifica void setup() Serial.begin(1200, SERIAL_8N1); //impostazioni della porta pinmode(laserstate, OUTPUT); //imposto il pin 8 (laser) come output pin digitalwrite(laserstate,low); //imposto lo stato iniziale del pin 8 a LOW (basso) void loop() // Loop forever... m=(char)serial.read(); //Leggo il messaggio inviato da programma in C# if(m!=' ') //controllo contenuto stringa MorseDecode(m); // richiamo del metodo che codifica il messaggio in codifica Morse for(int i=0;i<4;i++) if (Morse[i]=='.') //controlla se il carattere è un punto e imposta lo stato del laser (HIGH/LOW) digitalwrite(laserstate,high); delay(100); digitalwrite(laserstate,low); Morse[i]=' '; Pag. 8

9 delay(1000); if (Morse[i]=='-') //controlla se il carattere è una linea e imposta lo stato del laser (HIGH/LOW) digitalwrite(laserstate,high); delay(1000); digitalwrite(laserstate,low); Morse[i]=' '; m=' '; else digitalwrite(laserstate,low); delay(250); void MorseDecode (char c) // metodo che codifica il messaggio in codifica Morse switch (c) case 's': Morse[0]='.'; Morse[1]='.'; Morse[2]='.'; Morse[3]=' '; case 'o': Morse[0]='-'; Morse[1]='-'; Morse[2]='-'; Morse[3]=' '; default: Morse[0]='?'; Sketch ricezione: //dichiarazione costanti #define LIGHT 0 #define DARK 1 #define DOT 250 #define LINE 500 #define TIME_BETWEEN_CHARS 1000 // 1000 msec. int FotoResistor = 8; //pin a cui viene collegata la foto-resistenza int Speaker=7; //pin a cui viene collegato lo speaker int FotoResistorState=0; //Variabile che contiene lo stato della foto-resistenza (HIGH/LOW) int FotoResistorValue=0; //Variabile che contiene il valore della foto-resistenza int DotLineCounter=0; //contatore per identificare se il carattere ricevuto è un punto o una linea bool DetectedLight = false; //variabile usata per identificare il cambiamento di stato sulla foto-resistenza char Messaggio[] = "$$$$"; //array in cui viene memorizzato il messaggio ricevuto int i=0; int IdleTimeCounter=0; //contatore che descrive la durata dell'impulso luminoso // Initialize conditions... void setup() Serial.begin(9600); pinmode(fotoresistor, INPUT); //imposta il pin 8 come pin di Input pinmode(speaker, OUTPUT); //imposta il pin 7 come pin di Input Pag. 9

10 digitalwrite(speaker, LOW); //imposta lo stato sul pin 7 a LOW // Loop forever... void loop() FotoResistorState=digitalRead(FotoResistor); // assegnazione dello stato della foto-resistenza FotoResistorValue=analogRead(0); //assegnazione del valore analogico sulla foto-resistenza if(fotoresistorvalue<200) //accensione dello speaker digitalwrite(speaker,high); else digitalwrite(speaker, LOW); // Transizione DARK -> LIGHT ================================ if (FotoResistorState==LIGHT && DetectedLight==false) IdleTimeCounter=0; DetectedLight=true; DotLineCounter++; // Serial.println("LUCE"); // Transizione LIGHT -> LIGHT ============================= if (FotoResistorState==LIGHT && DetectedLight==true) IdleTimeCounter=0; DetectedLight=true; DotLineCounter++; // Transizione LIGHT --> DARK ============================== if (FotoResistorState==DARK && DetectedLight==true) IdleTimeCounter=0; if (DotLineCounter <= DOT ) Messaggio[i]='.'; i++; digitalwrite(speaker, HIGH); if (DotLineCounter > LINE) // Serial.println("-"); Messaggio[i]='-'; i++; digitalwrite(speaker, HIGH); //Serial.println(DotLineCounter); DetectedLight=false; DotLineCounter=0; // Transizione DARK --> DARK ============================= if (FotoResistorState==DARK && DetectedLight==false) IdleTimeCounter++; //Serial.println(FotoResistorValue); if (IdleTimeCounter==TIME_BETWEEN_CHARS && i!=0) Serial.print(TConvertMorseToChar(Messaggio)); i=0; // reset number of.- acquired IdleTimeCounter=0; // reset idle time delay(1); // wait for a millisecond second // VLMSD - Variable Length Morse Sequence Decoder Pag. 10

11 // Alphabet recognized : a,e,g,i,k,m,o,s,u,w,d,n,r,t char TConvertMorseToChar(char * s) //metodo per convertire il messaggio in codifica Morse ricevuto switch (i) // i = Morse sequence length case 1: if (s[0]=='.') return 'e'; if (s[0]=='-') return 't'; case 2: if (s[0]=='.' && s[1]=='-') return 'a'; if (s[0]=='.' && s[1]=='.') return 'i'; if (s[0]=='-' && s[1]=='.') return 'n'; case 3: if (s[0]=='-' && s[1]=='-' && s[2]=='.') return 'g'; if (s[0]=='-' && s[1]=='.' && s[2]=='-') return 'k'; if (s[0]=='-' && s[1]=='-' && s[2]=='-') return 'o'; if (s[0]=='.' && s[1]=='.' && s[2]=='.') return 's'; if (s[0]=='.' && s[1]=='.' && s[2]=='-') return 'u'; case 4: if (s[0]=='.' && s[1]=='.' && s[2]=='.' && s[3]=='.') return 'h'; if(s[0]=='.' && s[1]=='.' && s[2]=='-' && s[3]=='.') return 'f'; if(s[0]=='.' && s[1]=='-' && s[2]=='-' && s[3]=='-') return 'j'; if(s[0]=='.' && s[1]=='-' && s[2]=='.' && s[3]=='.') return 'l'; if (s[0]=='.' && s[1]=='-' && s[2]=='-' && s[3]=='.') return 'p'; if(s[0]=='-' && s[1]=='-' && s[2]=='.' && s[3]=='-') return 'q'; if(s[0]=='.' && s[1]=='.' && s[2]=='.' && s[3]=='-') return 'v'; if(s[0]=='-' && s[1]=='.' && s[2]=='.' && s[3]=='-') return 'x'; if(s[0]=='-' && s[1]=='.' && s[2]=='-' && s[3]=='-') return 'y'; if(s[0]=='-' && s[1]=='-' && s[2]=='.' && s[3]=='.') return 'z'; default : return '?'; return '?'; // Morse code not recognized Pag. 11