Informe de desarrollo aplicación de control de un aire acondicionado usando FreeRTOS

Materia: MICROCONTROLADORES – SISTEMAS EMBEBIDOS - 2021

Alumno: Mérida Renny, Julián

Introducción

Como proyecto final para la materia de Microcontroladores y Sistemas Embebidos, se desarrolló una aplicación utilizando FreeRTOS para manejar el control de un aire acondicionado (AC). Se definió previamente una API de control del AC y en base a esta se desarrolló la aplicación.

El principal objetivo de la aplicación es permitir, mediante la medición constante cada 3 segundos de la temperatura y la humedad, enviar los comandos de control a través de una UART para mantener los valores en un rango específico, o bien en un solo valor. Además, cada 15 segundos las mediciones son enviadas a la página web ThingSpeak para llevar un control de las variaciones de los valores aprovechando los gráficos que la web realiza. Por último, posibilita programar comandos para que sean ejecutados en el futuro especificando el tiempo en segundos, minutos, horas y/o días.

Recursos de hardware

Los recursos de hardware utilizados son:

• Sensor Dht11 para la medición de la temperatura y la humedad.

• Placa NodeMCU V3 LoLin que implementa el microchip ESP8266.

• (Opcional) Adaptador UART a Usb para conectar la interfaz de salida de los comandos a la PC.

Diagrama de conexiones de los bloques de hardware

En el siguiente gráfico se muestra la interacción entre los distintos recursos de hardware. La placa Discovery se comunica mediante un pin GPIO con el sensor dht11 para comenzar y sincronizar la medición. Con el microchip Esp8266 se comunica por la primera interfaz UART para recibir los comandos que el usuario ingresa mediante la página web, y envía el html para ser renderizado por el navegador, junto con las últimas mediciones que realizó el sensor para mostrarlas. También transmite al servidor thingSpeak las últimas mediciones para realizar los gráficos. En última instancia, envía a la segunda interfaz UART los comandos de control que correspondan.

En el siguiente grafico, se puede ver la disposición de las conexiones reales:

Comandos posibles de la API:

Prender aire:

do=turnOn.

Apagar aire:

do=turnOff.

Seleccionar un valor de temperatura específica:

do=setTemp,x.

donde x es un valor entre 0 y 50.

En caso de introducir la palabra clear se dejará de controlar el valor.

Seleccionar un valor de humedad específica:

do=setHum,x.

donde x es un valor entre 5 y 90.

En caso de introducir la palabra clear se dejará de controlar el valor.

Seleccionar un rango de temperatura específico:

do=setRangeTemp,x,y.

donde x es el valor mínimo e y es el valor máximo.

En este caso se conseguirá que la temperatura siempre se mantenga dentro de ese rango. También, al introducir la palabra clear como alguno de los argumentos, se reinicia el control.

Seleccionar un rango de humedad específico:

do=setRangeHum,x,y.

donde x es el valor mínimo e y es el valor máximo.

En este caso se conseguirá que la humedad siempre se mantenga dentro de ese rango. Igual que en el caso anterior, al introducir clear en alguno de los argumentos, se reincia el control.

Enviar 3 posibles comandos especiales:

do=specialx,y,z.

en donde x es un valor entre {1,2,3}, y es el argumento 1 y z es el argumento 2.

La funcionalidad de estos comandos es permitir la implementación de algún comando especial extra que posea el control o el aire acondicionado.

Programar alguno de los comandos anteriores para que se ejecute en el futuro:

Aquí se elige de la lista uno de los comandos descriptos anteriormente, se seleccionan los días, horas, minutos y/o segundos correspondientes junto a los parámetros, en caso de que sean necesarios, y se envía el comando.

Diagrama tareas FreeRTOS

La aplicación FreeRTOS desarrollada consta de 5 tareas:

• vTaskGetDataDHT es la tarea que se encarga de realizar las mediciones al sensor Dht11, se ejecuta cada 3 segundos y luego envía, por la cola xDhtQueue, los valores obtenidos a la tarea de control vTaskControlTempHum.

• vTaskSendDataThingSpeak es la tarea que lee el dato de memoria que vTaskControlTempHum actualizó y los envía a la web thingSpeak. Tiene un periodo de 15 segundos, ya que este es el tiempo mínimo que admite la web para enviar datos.

• vTaskControlTempHum esta tarea se desbloquea una vez que obtiene las mediciones de vTaskGetDataDHT a través de la cola xDhtQueue, revisa el modo actual, si se está controlando un valor o un rango específico de mediciones (tanto para la temperatura, como para la humedad), y envía el comando correspondiente para aumentar o disminuir dicho valor. Si el modo actual es el control de un rango, cuando la medida está por debajo del mínimo se comanda aumentar el valor hasta pasar el máximo, y viceversa para el caso por arriba del máximo.

• vTaskRefreshWebserver el trabajo de esta tarea es manejar el servidor web que permite la interacción del usuario con la aplicación mediante una conexión wifi. Se ejecuta cada 100 ms y tiene la prioridad más baja de todas, ya que es importante que siempre que se pueda se esté ejecutando para proveerle al usuario una buena interacción. No obstante, se deja un tiempo libre para que la idleTask pueda ejecutarse. Además, esta tarea maneja los pedidos del usuario para realizar los cambios de temperatura o humedad, y la petición para ejecutar una tarea dentro de un tiempo determinado, recibiendo los parámetros y otorgando el semáforo xSemaphoreOneShotTask. También muestra en la página las últimas mediciones realizadas.

• vTaskDelayedCommand esta tarea se desbloquea con el semáforo xSemaphoreOneShotTask, recibe los datos (el comando, los argumentos y el tiempo a esperar) actualizados por vTaskRefreshWebserver y crea una tarea. Nuevamente, vuelve a bloquearse esperando el semáforo. La tarea creada se bloquea hasta que el tiempo solicitado haya transcurrido, luego envía la orden y se autodestruye.

Esquema de prioridades

La tarea con la prioridad 5, la más alta de todas, es vTaskGetDataDHT, ya que se ejecuta por muy poco tiempo, es importante para mantener actualizadas las mediciones y se necesita que la tarea no sea interrumpida durante el proceso de comunicación con el sensor DHT11 que maneja tiempos pequeños pero críticos.

La siguiente tarea en el orden de prioridad es vTaskControlTempHum con un valor de 4. Esto permite que la tarea se ejecute justo después de que vTaskGetDataDHT realice las mediciones y envié los datos por xDhtQueue. Así, apenas las nuevas mediciones estén disponibles, pueden enviarse los comandos de control y actualizar las variables en memoria global que las tareas vTaskSendDataThingSpeak y vTaskRefreshWebserver van a leer.

Después sigue vTaskSendDataThingSpeak con una prioridad de 3, ya que al tener un periodo bastante alto de 15 segundos y como solo envía los dos datos a la thingSpeak, se ejecuta por muy poco tiempo y luego vuelve a bloquearse hasta cumplir su periodo.

Luego sigue vTaskDelayedCommand con prioridad 2 ya que la ejecución de esta tarea puede realizarse luego de que las acciones anteriores. En el peor de los casos, se retrasará la programación de la tarea par de segundos.

Y por último, vTaskRefreshWebserver tiene la menor prioridad de 1, solo por encima de la idleTask. De esta forma, se permite que esta tarea se ejecute solo cuando las demás están bloqueadas y se ejecuta en un periodo de 100 ms para permitir la ejecución de la idleTask.