Progettazione e sviluppo di una infrastruttura hardware e software per un sistema di supporto integrato in ambiente d

1. Progettazione e sviluppo di una infrastruttura hardware e software per un sistema di supporto integrato in ambiente domestico Primo Relatore: Luca Fanucci Secondo Relatore: Pierfrancesco Foglia Terzo Relatore: Simone Perini Candidato: Francesco Sechi

2. L’azienda: Amic s.r.l. La domotica Definizione La situazione del mercato Lo stato dell’arte Il progetto ELIK Il modulo sviluppato: la Control Board L’architettura hardware Scelta del microcontrollore Schemi a blocchi e elettrici Il firmware Gli ambienti di sviluppo I protocolli Testing Integrazione Conclusioni e sviluppi futuri Indice degli argomenti Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica

3. L’azienda: Amic S.r.l. • Società del gruppo Microtel • Costituito da diverse società europee • Opera nel settore dell'Electronic Manufacturing Services • Progettazione, sviluppo e produzione di schede elettroniche, moduli e sistemi • Realizza dispositivi e sistemi elettronici partendo dalle specifiche del cliente • Spin-Off della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica

4. La domotica (1) • Disciplina che integra le tecnologie dell’impiantistica domestica tradizionale con tecnologie innovative, per ottenere funzionalità complesse • Integrazione: condivisione dell’informazione fra i singoli impianti installati • Separazione dell’evento dall’azione • Per il trasporto dell’informazione vanno definiti: • Protocolli (proprietari o aperti) • Mezzi trasmissivi Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica

5. La domotica (2) • Vantaggi: • Componenti più funzionali ed efficienti • Risparmio energetico • Miglioramento della qualità della vita delle persone in condizioni di svantaggio rispetto alla maggioranza della popolazione • Sicurezza edifici • Security (antifurto e controllo degli accessi) • Safety (antincendio, rilevatori di fughe di gas, e così via) Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica

6. La situazione del mercato • Mercato europeo della domotica fortemente in crescita • Divergenza fra l’Europa del nord e quella dell’area mediterranea • In Italia, il mercato presenta un importante trend evolutivo • Sono ancora poche le aziendein grado di offrire soluzioni integrate e integrabili Fonte: Sistema Casa, 2003 Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica

7. Lo stato dell’arte (1) • Diverse soluzioni per l’home automation: • MyHome della BTicino • ByMe di Vimar • Chorus della Gewiss • Atmosphera di BM S.p.A. • … • Soluzioni eterogenee e non sempre compatibili Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica

8. Lo stato dell’arte (2) • Cosa offrono: • Controllo dei servizi connessi al sistema e gestone dell’impianto di sicurezza • Dotati di interfaccia a menù: • LCD • Touchscreen • Controllo da remoto: • Internet • Telefono (cellulare o fisso) • Cosa manca: • Nessun grado di specializzazione • Spesso soluzioni proprietarie • Costi elevati Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica

9. Frigorifero Sensori generici Piano cottura Interface board Control board Interface board Control board Control board Bus standard Connessione Wireless Multistandard Board Master Board Modulo acquisizione Archivio Internet Dispositivo di interfaccia portatile 0080145 Il progetto ELIK (1) • Sistema integrato in grado di rendere sicuro, intelligente e maggiormente usabile il sistema cucina domestica • Integra una nuova generazione di elettrodomestici dotati di intelligenza superiore che permette un utilizzo efficiente e sicuro Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica

10. Il progetto ELIK (2) • Offre: • Supporto alle attività dell’utente della cucina per mezzo di sistemi esperti, permettendo: • Creazione di ricette idealiin funzione del contenuto della base di conoscenza (dati clinici, gusti, disponibilità in dispensa, ecc.) • Impostazione automatica degli attuatori(temperatura e tipologia di cottura del forno, selezione del lavaggio più indicato per la lavatrice, ecc.). • Aumento del livello di sicurezza in cucina, segnalando: • Presenza di eventuali anomalie(fughe di gas o acqua, variazioni anomale delle temperature) • Malfunzionamenti(notifica di guasti e log degli eventi con segnalazione remota) Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica

11. Il progetto ELIK (3) • Vantaggi rispetto alle soluzioni esistenti: • Controllo dell’ambiente cucina in tutta la sua complessità • Interfacciamento con la maggior parte delle soluzioni in commercio • Infrastruttura su cui è possibile impostare una serie di future applicazioni • Basata su protocolli aperti • Costi ridotti, grazie all’utilizzo di soluzioni opensource Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica

12. Il progetto ELIK (4) • Ulteriori vantaggi: • Maggior tutela della salute dei lavoratori e maggiore sicurezza dei luoghi di lavoro:mediante rilevatori di anomalie e malfunzionamenti • Strumento di perseguimento delle pari opportunità:consente una migliore gestione dei lavori domestici, tuttora quasi esclusivo appannaggio del sesso femminile • Risparmio energetico:politiche di gestione delle utenze in modo da: • Ridurre l’impatto ambientale • Ottimizzare i consumi Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica

13. Progettazione e sviluppo schede controllo Progettazione e sviluppo protocollo Modbus Il diagramma di Gantt Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica

14. Il modulo sviluppato: la Control Board • Scheda che consente il controllo di un singolo elettrodomestico • Hardware: • Microcontrollore LPC2378 della Philips basato su microprocessori ARM7TDMI-S • Interfacce RS232, RS485, Ethernet e USB • Firmware: • Protocollo industriale ModBus • Protocollo AmicLan • Protocollo TCP/IP • Protocollo USB Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica

15. Il modulo sviluppato: la Control Board • Scheda che consente il controllo di un singolo elettrodomestico • Hardware: • Microcontrollore LPC2378 della Philips basato su microprocessori ARM7TDMI-S • Interfacce RS232, RS485, Ethernet e USB • Firmware: • Protocollo industriale ModBus • Protocollo AmicLan • Protocollo TCP/IP • Protocollo USB Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica

16. Scelta del microcontrollore • Confronto fra LPC2148 e LPC2378 Philips Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica

17. Scelta del microcontrollore • Confronto fra LPC2148 e LPC2378 Philips Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica

18. Triac Latch Ethernet PHY RS232 RS485 IsolatedProbes Thermo Schemi a blocchi e elettrici (1) • Schema a blocchi PowerSupply LPC2378 Memoria Esterna 128K x 8 SSP USB IsolatedDigital Input BloccoInterfaccia Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica

19. USB Memoriaesterna Oscillatori JTAG Schemi a blocchi e elettrici (2) • Schema elettrico Microcontrollore Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica

20. Schemi a blocchi e elettrici (3) • Schema elettrico Latch dei Triac Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica

21. Schemi a blocchi e elettrici (4) • Schema elettricoPower Supply Lineare Switching Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica

22. Schemi a blocchi e elettrici (5) • Schema elettrico InterfacceSeriali Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica

23. Schemi a blocchi e elettrici (6) • Schema elettrico PHY - Ethernet Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica

24. Il modulo sviluppato: la Control Board • Scheda che consente il controllo di un singolo elettrodomestico • Hardware: • Microcontrollore LPC2378 della Philips basato su microprocessori ARM7TDMI-S • Interfacce RS232, RS485, Ethernet e USB • Firmware: • Protocollo industriale ModBus • Protocollo AmicLan • Protocollo TCP/IP • Protocollo USB Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica

25. Il modulo sviluppato: la Control Board • Scheda che consente il controllo di un singolo elettrodomestico • Hardware: • Microcontrollore LPC2378 della Philips basato su microprocessori ARM7TDMI-S • Interfacce RS232, RS485, Ethernet e USB • Firmware: • Protocollo industriale ModBus • Protocollo AmicLan • Protocollo TCP/IP • Protocollo USB Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica

26. Gli ambienti di sviluppo • Provati tre ambienti di sviluppo diversi: Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica

27. PDU serial link ModBus Campo Indirizzo Codice Funzione Dati CRC (o LRC) PDU ModBus Il protocollo ModBus (1) • Protocollo a scambio di messaggi master/multislave di tipo richiesta/risposta • Due layer: • ModBus Application Protocol • ModBus Data Link Protocol • Formato pacchetto: • Campo Indirizzo: ID dello slave destinatario o broadcast • Codice Funzione: codifica l’operazione richiesta dal master • Dati: contiene informazioni aggiuntive • CRC: controllo dell’errore Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica

28. Attesa richiesta ModBus [Ricezione PDU] Convalida Codice funzione Codice Eccezione 1 [NonValido] [Valido] Convalida Indirizzi dati Codice Eccezione 2 [NonValidi] [Validi] Convalida Valore dei dati Codice Eccezione 3 [NonValidi] [Validi] Esecuzione Funzione ModBus Codice Eccezione 4/5/6 [NonValida] [Valida] Invio Eccezione ModBus Invio Risposta ModBus Commento Se frame OK  Elabora frame Se frame NOK  Cancella intero frame Commento Controlla frame:  flag = frame OK o NOK Carattere ricevuto / flag=frame NOK /avvio t3.5 Carattere ricevuto / inizializzaz. e avvio t3.5 Controllo e attesa Stato iniziale t3.5 scaduto t1.5 scaduto t3.5 scaduto Primo car. ricevuto / iniz. e avvio t1.5 e t3.5 Carattere ricevuto / inizializzaz. e avvio t3.5, t1.5 Idle(pronto a ricevere o trasmettere) Ricezione Richiesta di emissione t3.5 scaduto Legenda t1.5, t3.5 : timer t1.5 : 1.5 tempi di carattere t3.5 : 3.5 tempi di carattere Emissione Carattere emesso [se già emesso l’ultimo car.] / iniz. e avvio t3.5 Il protocollo ModBus (2) Application Layer • FlowChart Data Link Layer Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica

29. Il protocollo ModBus (3) • Implementazione: • Due moduli: ALSlave e DLSlave • Una routine di interrupt per la ricezione su UART • Un timer con granularità 0.1 ms per la gestione dei timeout t1.5 e t3.5 • Un insieme di funzioni per la gestione dei Codici Funzione • Una funzione per la gestione delle eccezioni • Polling sull’interfaccia UART e sul timer Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica

30. Il protocollo AmicLAN • Protocollo a scambio di messaggi master/multislave di tipo richiesta/risposta su linea seriale • Tre classi di dispositivi: • Classe Master (M0) • Classe Controller (M1) • Classe Device (M2) • PDU di richiesta: • Indirizzo del dispositivo slave a cui è destinato il PDU • Indirizzo del dispositivo che trasmette il PDU • Classe di appartenenza del mittente e del destinatario • Codice del comando che si vuole eseguire • Dati associati alla funzione da eseguire • Checksum • Tipi di risposta: • Richiesta espletata completamente • Richiesta non eseguita (errore generico) • Slave busy • Richiesta posticipata • Errore durante l’elaborazione • Funzione non implementata Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica

31. Il protocollo TCP/IP lwIP (1) • Porting di un protocollo esistente: • Garantita la presenza di un minor numero di bug • Risparmio di mesi-uomo necessari per un’implementazione ad hoc • Implementazione opensource sviluppata da Adam Dunkels dello Swedish Institute of Computer Science • Ottimo rapporto prestazioni / consumo di memoria Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica

32. Il protocollo TCP/IP lwIP (2) • Implementazione di AmicLAN over TCP/IP: • Timer con granularità 1 ms per la gestione dei timeout tcp_timer_coarse e tcp_timer_fine • Funzioni di gestione dell’interfaccia Ethernet • Struttura dati per la comunicazione fra layer • Connessione TCP in stato LISTEN sulla porta 12000 • Funzioni di callback: • amiclan_accept_callback • amiclan_recv_callback • amiclan_sent_callback • amiclan_poll_callback • Modifica dell’interfaccia AmicLAN over Serial Line Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica

33. Il protocollo USB (1) • Firmware come porta COM virtuale, secondo il modello CDCAbstract Control Model Serial Emulation • Non necessita di implementazione dei driver del master (< NRE) • Si è potuto utilizzare da subito il software di testing del protocollo AmicLan Heron Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica

34. Il protocollo USB (2) • Communication Class (Abstract Control Model): • Pipe di gestione (bidirezionale) di tipo Control su Endpoint 0 • Call Management Functional Descriptor • Pipe di notifica (ingresso) di tipo Interrupt su Endpoint 1 • ACM Functional Descriptor • Data Class: • Pipe di tipo Bulk (ingresso) per la trasmissione dei dati (EP 2) • Pipe di tipo Bulk (uscita) per la ricezione dei dati (EP 5) Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica

35. Il protocollo USB (3) • Implementazione: • Handler dell’endpoint 0, per richieste di controllo e di trasferimenti relativi all’ACM • Handler dell’endpoint 1, richiamato su richiesta di tipo classe dall’endpoint 0 • Polling sulla funzione di gestione degli interrupt • Implementazione di AmicLAN over USB: • Handler per la gestione delle pipe di tipo Bulk • Stessa interfaccia di AmicLan over Serial Line Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica

36. Testing • Utilizzato software freeware o shareware • ModBus: • Modpoll Modbus® Polling Tool: simulatore da riga di comando • Modbus Poll: simulatore shareware • MODBUS Serial RTU + TCP/IP Simulator (Conrad Braam): simulatore freeware scritto in Visual C++ 6.0 • TCP/IP lwIP: • Ethereal: monitor del traffico su reti ethernet • AmicLAN: • Heron 4: simulatore prodotto da Amic S.r.l. • Footograph 1.8: simulatore di master che pilota una fotocamera Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica

37. Integrazione • Necessario rendere compatibili i prototipi di interfaccia dei protocolli AmicLAN over TCP/IP e AmicLAN over USB • interfaccia unica con entrambe le tipologie di parametri formali • Scelta del protocollo mittente da analisi dei parametri • Nessuna implementazione si deve bloccare in attesa di un dato • Modificato il protocollo ModBus affinché non fosse bloccante Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica

38. Conclusioni e sviluppi futuri • Ampliamento della gamma dei servizi offerti in funzione delle esigenze dell’utente e delle richieste del mercato • diverse categorie di prodotti che, pur basate sulla stessa infrastruttura, offrano servizi differenti • Affiancamentodi ulteriori protocolli aperti di livello applicazione al protocollo proprietario AmicLan(ModBus over TCP/IP) • Infrastruttura di base per lo sviluppo di architetture distribuite non necessariamente legate al vano cucina o all’automazione domestica stessa: • in ambito industriale, per il controllo di forni industriali o per la supervisione dell’intero impianto • Implementazione di altri protocolli industriali(ProfiBus, FieldBus, Etercat, ecc.) Università degli studi di Pisa Corso di laurea specialistica in Ingegneria Informatica