TEŞEKKÜR. Sevgili aileme manevi hiçbir yardımı esirgemeden yanımda oldukları için tüm kalbimle teşekkür ederim.

Transkript

1 TEŞEKKÜR Bu çalışma, Dicle Üniversitesi DÜBAP 13:MF:82 numaralı proje kapsamında desteklenmiştir. Desteklerinden ötürü DÜ Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinatörlüğüne teşekkür ederim. Bu tez çalışmasının planlanmasında, araştırılmasında, yürütülmesinde ve oluşumunda ilgi ve desteğini esirgemeyen, Doç. Dr. Mehmet Siraç ÖZERDEM e sonsuz teşekkürlerimi sunarım. Sevgili aileme manevi hiçbir yardımı esirgemeden yanımda oldukları için tüm kalbimle teşekkür ederim. I

2 İÇİNDEKİLER TEŞEKKÜR... I İÇİNDEKİLER... II ÖZET... VI ABSTRACT... II ÇİZELGE LİSTESİ... VIII ŞEKİL LİSTESİ... VIII KISALTMA VE SİMGELER LİSTESİ... X 1. GİRİŞ SİSTEMİN YAPISI VE ÇALIŞMA PRENSİBİ Sistemin Yapısı Merkez Ünite... 4 a) Ekran ve Klavye... 4 b) Ağ iletişim modülü... 4 c) Merkez RF iletişim modülü Çevre (RF) Modüller Çalışma Prensibi HABERLEŞME RF Haberleşme Seri Haberleşme Network (Ağ) TCP/IP ve IP a) TCP Protokolü b) UDP Protokolü c) IP Protokolü DONANIMLARIN İNCELENMESİ Mikrodenetleyici Mikrodenetleyici Mimari Özellikleri PIC18F4550 ve Genel Özellikleri PIC16F88 ve Genel Özellikleri Merkez Ünite II

3 4.2.1 Ana Kart Ekran ve Klavye Ağ iletişim modülü Merkez RF iletişim Modülü Çevre (RF) Modüller YAZILIM VE ALGORİTMALAR Merkez ünite a) Ekran ve Klavye Sürme Algoritması b) Ağ iletişimi Algoritması c) Merkez Ünite Mikrodenetleyici Algoritması (RF Modül) Çevre (RF) Modül Mikrodenetleyici Algoritması Java Android İşletim Sistemi Evoto Yazılımı ve Algoritması SONUÇ KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ III

4 ÖZET GSM KONTROLLÜ AKILLI EV UYGULAMASI YÜKSEKLİSANS TEZİ YUSUF YALÇIN KARDAŞ DİCLE ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI 2014 Bu tez çalışmasında, Gsm (3G) üzerinden haberleşen bir Akıllı Ev uygulamasının gerçekleştirilmesi amaçlanmıştır. Bu uygulamada birden fazla haberleşme tekniği kullanılarak sensörler aracılığıyla evdeki durum bilgileri ve röleler aracılığıyla da elektriksel donanımların yönetilebilirliği sağlanmıştır. Çalışmada elektriksel donanımların konrolü için iki adet elektronik devre tasarlanmıştır. Bunlar merkez ünite ve çevre(rf) modülleridir. Çevre (rf) modülleri üzerindeki sensörler yardımıyla ortam bilgisini toplamaktadır. Bu tez çalışmasında örnek olarak sıcaklık, hareket ve yangın sensörleri kullanılmıştır. Herhangi bir elektriksel donanımın kontrolü röle üzerinden yapılmaktadır. Röleler de çevre (rf) modülleri kartında yer almaktadır. Bu üniteler merkez üniteye bilgileri Radyo Frekansı aracılığıyla iletmektedir. Bunun en büyük avantajı, merkez üniteden yaklaşık 100 metre mesafeye kadar çalışabilir olmasıdır. Aksi halde her üniteden merkez üniteye kablo aracılığıyla iletişim sağlanması gerekir ki bu da ev ortamı için istenen bir durum değildir. IV

5 Kablosuz(rf) haberleşme esnasında bir mesajın kime ait olduğunu belirlemek, çevre ünitelerin adlandırılması ile mümkündür. Bu çalışmada çevre modüllere Oda1, Kapı1, Kapı2 olarak adlandırılmıştır. Üniteler kendi isimlerini devrede kullanılan anahtarların(dip-switch) lojik durumlarını kontrol ederek hangi ismin kendisine ait olduğunu öğrenmektedir. Rf iletişiminde 16 byte lık bir mesaj paketi hazırlanarak gönderilmektedir. Bunun ilk iki byte ı mesajın hangi üniteye gittiğini, üç ve dördüncü byte ı ise kimden gönderildiği bilgisini taşımaktadır. Bu sayede mesajı alan çevre (rf) modülleri bu byte lara bakarak mesajın hangi ünite için gönderildiğini anlar, ortamdaki verileri gönderir veya kontrolündeki röleyi aktif/pasif durumuna alma işlemlerini yapar. Merkez ünitede internet üzerinden görüşmeyi sağlayan ağ iletişim modülü ve çevre(rf) modüllerden bilgi toplayan veya komut gönderen bir merkez rf iletişim modülü tasarlanmıştır. Merkez rf iletişim modülü belirli periyotlarda tüm rf ünitelere durum bilgilerini göndermeleri için mesaj gönderir. Gelen ortam bilgilerini merkez denetleyiciye bildirir. Merkez denetleyici bu bilgileri lcd ekranda görüntüler. Merkez ünite aynı zamanda ağ iletişim modülü sayesinde internetten gelen mesajları yorumlayabilmekte ve akıllı cep telefonundan gelen mesajlara cevap vermektedir. Ağ iletişim modülü IP(Internet Protokol) tabanlı olduğundan kendi IP bilgisinin klavye aracılığıyla kullanıcı tarafından girilebilmesi sağlanmıştır. Merkez denetleyici aldığı IP bilgisini ROM belleğine yazarak kalıcı olarak muhafaza etmektedir. Android işletim sisteminde yazılan ev otomasyon uygulaması, tasarlanan elektronik devre ile internet üzerinden haberleşmekte, konumdan bağımsız kontrol ve iletişim sağlamaktadır. Bu yazılım üç ayrı işlemi aynı anda yürütebilecek şekilde tasarlanmıştır. Dokunmatik ekrandan kullanıcı girişlerini yorumlama, internet üzerinden veri gönderme ve merkez üniteden gelecek verileri almak için sürekli ağı dinlemektedir. Böylelikle çift yönlü bir iletişim üzerine kurulu sistem başarıyla tasarlanmıştır. Sonuç olarak, son yıllarda hayatımızda tamamen yer edinmiş mini bilgisayarlar olan Akıllı Cep Telefonu ile Gsm (3G) üzerinden çift yönlü haberleşen, uzaktan bilgi alıp, kontrol edebilen, mikrodenetleyiciler ve sensörler ile tasarlanan Akıllı Ev Uygulaması başarıyla gerçekleştirilmiştir. V

6 ABSTRACT GSM BASED SMART HOME APPLICATION M.Sc THESIS YUSUF YALÇIN KARDAŞ DİCLE UNİVERSITY INSTUTE OF SCIENCE DEPARTMENT OF ELEKTRIC-ELEKTRONICS ENGINEERING 2014 A smart home automation system which communicates with Smart Phones over 3G network, is developed in this Thesis study. More than one communication technique are used to receive status data from home, and electrical devices at home can be administrated by using relays. Two electronic circuits were designed to control electrical devices. These are central unit and environment units (RF modules). Sensors on environment (RF) modules collect information. Motion, temperature and fire sensors are used in this project. Any electrical device is being controlled over relays. Relays are on environment (RF) modules card. This units transmits information to central unit via radio frequency. The most important advantage is being able to work in 100 meters. Otherwise we have to use wires for connections from all units to central unit; this is not a desired solution for a home. Determining the sender of a message during wireless (RF) communication is possible by naming environmental units. This units are named as Oda1, Kapi1, Kapi2 in this work. Units VI

7 are determining their own name after checking logical status of dip-switches in circuit. 16 bytes message packages are prepared and sent. First two bytes carry target unit, third and fourth bytes carry sender information. The receiver environment (RF) modules can determine the target unit, they send the data or activate/deactivate the controlled relays. A network communication module for transmitting over internet, and a central RF communication module which can collect data and send commands are designed. Central RF communication module sends messages to all RF units periodically to make them send their status data. It sends received environment status data to central controller. Central controller displays this information on LCD screen. Central unit can also interpret received messages from Internet via network controller module and it can reply messages coming from mobile phones. User can adjust IP network settings and central controller can keep this information by writing it to ROM. Home automation software which is developed on Android environment, communicates with designed electronic board and let user receive information and manage devices via Internet. This software can conduct three separated processes at the same time; Interpreting entered data via touch screen, sending data over internet and listening network to receive data coming from central unit. Thus; a system working with two-way principle, is designed successfully. To conclude, the output of subject thesis is a Smart Home Automation System designed with sensors and microprocessors; which let users to receive information and manage home remotely. This project lets users to use their smart phones which are an important part of our daily life, to manage devices remotely and check their home s status. VII

8 ÇİZELGE LİSTESİ Çizelge 3.1 TCP protokolünün taşıma katmanında kullandığı kurallar Çizelge 5.1 Cihaz ismi belirleme tablosu VIII

9 ŞEKİL LİSTESİ Şekil 2.1 Tasarlanan Sistemin Yapısı... 4 Şekil 2.2 Durum sorgusu göndererek bilgi alma olayları... 7 Şekil 2.3 Komut gönderme olayları... 8 Şekil 3.1 Seri iletişim Şekil 3.2 TCP/IP ve OSI modellerinin karşılaştırılması[8] Şekil 4.1 PIC18F4550 PDIP görünümü[9] Şekil 4.2 PIC16F88 PDIP görünümü[9] Şekil 4.3 Merkez ünite görüntüsü Şekil 4.4 Merkez ünite devre şeması Şekil 4.5 Ekran ve Klavye devre şeması Şekil 4.6 a) Ağ iletişim modülü devre şeması b) ENC28J60 PDIP görünümü[9] Şekil 4.7 Merkez RF iletişim modülü devre şeması Şekil 4.8 Çevre RF modülü görüntüsü Şekil 4.9 Çevre RF modülü kutu içerisinde görüntüsü Şekil 4.10 Çevre RF modüller devre şeması Şekil 5.1 Merkez mikrodenetleyici algoritması akış diyagramı Şekil 5.2 Ekran ve klavye sürme algoritması akış diyagramı Şekil 5.3 Ağ iletişim algoritması akış diyagramı Şekil 5.4 Merkez ünite mikrodenetleyici algoritması (RF modül) akış diyagramı Şekil 5.5 Çevre RF modül algoritması akış diyagramı Şekil 5.6 Evoto uygulaması ekran görüntüleri IX

10 KISALTMA VE SİMGELER LİSTESİ BPS BD Mhz RF PIC ASCII IGMP HTML HTTP ARP ARPA HEX ATM DoD FSK OSI TCP/IP UDP USART SPI EEPROM CCPM DSP IR : Bit per second : Baudrate : Mega Hertz : Radio Frequency : Peripheral Interface Controller : American Standard Code for Information Interchange : Internet Group Management Protocol : Hypertext Markup Language : Hypertext Transfer Protocol : Address Resolution Protocol : Advanced Research Projects Agency : Hexadecimal Code : Asynchronous Transfer Mode : Department of Defence : Frequency-Shift Keying : Open Systems Interconnection : Transmission Control Protocol/Internet Protocol : User Datagram Protocol : Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter : Serial Peripheral Interface : Electrically Erasable Programmable Read Only Memory : Capture/Compare/PWM Module : Digital Signal Processor : Infrared X

11 1. GİRİŞ Günümüzde, ev ve iş yaşantısını kolaylaştırmak ve günlük hayattaki faaliyetleri daha kolay yapabilmek için teknoloji daha fazla kullanılır hale gelmiştir. Gelişen teknolojiye bağlı olarak, işlerin gerçekleştirilme süresi de kısalmış ve işlemlerin yerine getirilmesi daha kolay hale gelmiştir. Günümüzde otomasyon alanında çok önemli uygulamalar gerçekleştirilmekte olup, evlerde kullanılan cihazların kontrol edilebilmesi için tasarlanan sistemler akıllı bina otomasyon sistemlerini ortaya çıkarmıştır [1]. Otomasyon; bir sistemin hazırlanan belirli bir senaryoya göre herhangi bir operatöre gerek duymadan istenilen işlemleri gerçekleştirmesi olarak tanımlanabilir. Ev otomasyonu ise ev teknolojilerinin kişiye özel ihtiyaç ve isteklere göre uygulanmasıdır. Bir başka deyişle kişinin yaşam biçimini geliştirmesini sağlayan, bir evi daha rahat, güvenli ve kullanışlı kılan bir işlem ya da sistem olarak tanımlanabilir. Evimiz artık pasif bir yapıda değildir. Bunun yerine kendi kendini çalıştıran, güvenliğimizi sağlayan, enerji faturalarımızı düşüren bir araç haline dönüşür. Bu konuda yapılan çalışmalar, akıllı ev teknolojisi olarak nitelendirilmektedir. Akıllı ev teknolojisi ile insanların, günlük yaşamlarında veya iş hayatlarında modern teknolojiler kullanılarak oluşturulan otomasyon sistemleri sayesinde güvenlik, iletişim, konfor, tasarruf, kontrol vb. birçok alanda hizmet almaları mümkündür [2]. Bu tez çalışmasında, Gsm (3G) üzerinden haberleşen bir Akıllı Ev uygulamasının gerçekleştirilmesi amaçlanmıştır. Uzaktan kontrollü akıllı bir sistemin tasarımını üç kısımda incelenebilir. - Kontrol edilecek sistem, - Kontrolü sağlanacak terminal, - Terminal ve sistem arasındaki iletişim. Bu üç aşama ve bunların çalıştığı platformlar göz önünde bulundurularak, bu tez çalışmasında tasarlanan sistemde tercih edilen donanımlar ve gerekçeleri aşağıda anlatılmıştır. - Kontrol edeceğiniz sistemi bir çok gömülü (embedded) devre ile yapılabilir ancak çok yaygın kullanım alanı olan Mikrochip firmasının ürettiği PIC(Programmable Inherited Circuit) mikrodenetleyicileri tercih edilerek sistem tasarlanmıştır. - Kontrolü sağlayacağımız terminal günümüz teknolojisi ile hemen hemen herkeste bulunan akıllı cep telefonu tercih edilmiştir. Bu sayede lokasyon bağımlılığı ortadan kaldırılarak, heryerden kontrol sağlanmaktadır. Akıllı cep telefonları için birden 1

12 fazla işletim sistemi mevcut ancak Java tabanlı Android işletim sistemi, uygulama geliştiriciler için rahat bir platform olması vede yaygın olması sebebiyle tercih edilmiştir. - Terminal ve sistem arasındaki iletişim için en geniş ağ olarak tabir edilen internet tercih edilmiştir. Buna bağlı olarak kontrol edilecek sistem tarafında internet protokollerinden anlayacak şekilde tasarlanmıştır. Bu doğrultuda yapılan çalışma dört ana başlık altında incelenmiştir. 1. Sistemin Yapısı ve Çalışma Prensibi: Sistemin nasıl çalıştığı konusunda bilgi verilmiştir. 2. Haberleşme: Sistemin kullandığı tüm haberleşme teknikleri için bilgi verilmiştir. 3. Donanımların İncelenmesi: Sistemde kullanılan devreler ve bu devrelerde kullanılan ekipmanlar (PIC,ENC28J60,RF12B vs..) hakkında bilgi verilmiştir. 4. Yazılım ve Algoritmalar: Sistemde kullanılan tüm mikrodenetleyiciler için yazılan programların algoritma şemaları verilerek anlatılmıştır. 2

13 2. SİSTEMİN YAPISI VE ÇALIŞMA PRENSİBİ 2.1 Sistemin Yapısı Bu tez çalışmasında amaç internetin olduğu heryerden kontrol edilebilen uzaktan kontrollü akıllı bir ev uygulaması gerçekleştirmektir. Bu amaca yönelik bir sistem tasarlanmıştır. Sistemin özelliği çift taraflı bilgi alışverişi yaparak anlık olarak evin izlenebilmesi ve kontrol edilebilmesidir. Bu bölümde sistemin temel yapısı ve işlevi hakkında bilgi verilecektir. Sistem, merkez ünite ve çevre modüller olmak üzere iki kısımdan oluşmaktadır. Merkez ünitenin içerdiği bileşenler; lcd ekran-klavye, rf iletişim modülü ve ağ iletişim modülüdür. Sistemin genel yapısı ve çalışması Şekil 2.1 de verilmiştir. Şekilde görüldüğü üzere merkez ünite, salon ve odalarda yer alan çevre modüller ile haberleşebilmektedir. Çevre modüllerin içerdiği bileşenlerden biri uzaktan konrolü sağlanacak donanımlar için tasarlanan röle devresidir. Diğer bileşen ise modülün kullanım amacına bağlı olarak farklı işlevlere sahip donanımlardan oluşmaktadır. Örneğin bu çalışmada oda için kullanılan modülde hareket sensörü kullanırken, kapılar için kullanılan modüllerde bunun yerine kapının açık/kapalı durumunu anlamak için anahtarlar kullanılmıştır. 3

14 Şekil 2.1 Tasarlanan sistemin yapısı 2.2 Merkez Ünite Merkez ünite kapsamında yer alan donanımlar ve fonksiyonları aşağıda anlatılmıştır. a) Ekran ve Klavye Sistem durum değişikliklerinde aldığı veriyi ağ üzerinden sorgu gelip göndermeden önce LCD ekrana yansıtmaktadır. Ağ iletişimi için gerekli olan IP, ağ maskesi ve ağ geçidi gibi bilgilerin girilebileceği klavye(keypad) bulunmaktadır. Ayar butonuna basılması durumunda lcd ekran ve keypad aracılığıyla tüm bu bilgilerin kullanıcı tarafından girilebilmesi sağlanmıştır. b) Ağ iletişim modülü Akıllı telefon tarafından internet üzerinden gelen durum sorguları veya ana işlemci tarafından gönderilen dataları ağ iletişimine uygun hale getiren modüldür. Burada Microchip 4

15 firmasının ürettiği tcp/ip stack kullanılmıştır. Donanımsal olarak Donanımların İncelenmesi başlığı altında daha ayrıntılı incelenmiştir. c) Merkez RF iletişim modülü Çevre modüllerdeki durum bilgilerini toplamak için, hope firmasının rf12b ürünü ile dizayn edilen modüldür. Donanımsal olarak Donanımların incelenmesi başlığı altında daha ayrıntılı incelenmiştir. Yazılım ve Algoritmalar başlığı altında mikrodenetleyicideki çalışan programın şema ve anlatımı yapılmıştır. 2.3 Çevre (RF) Modüller Çevre modüller üzerinde bulunan sıcaklık, hareket ve yangın sensörlerinden alınan değerleri ve anahtar durumunu, merkez üniteye bağlı rf modülünden gelen istekler doğrultusunda göndermektedir. Aynı zamanda kullanıcının kontrolünde, kartın üzerinde bulunan anahtarın(rölenin) açılıp kapanmasını sağlamaktadır. Modül üzerinde yer alan devre elemanları Donanımların İncelenmesi başlığı altında daha ayrıntılı incelenmiştir. Yazılım ve Algoritmalar başlığı altında mikrodenetleyicideki çalışan programın şema ve anlatımı yapılmıştır. 2.4 Çalışma Prensibi Çalışmada elektriksel donanımların konrolü için iki adet elektronik devre tasarlanmıştır. Bunlar merkez ünite ve çevre(rf) modülleridir. Çevre (rf) modülleri üzerindeki sensörler yardımıyla ortam bilgisini toplamaktadır. Bu tez çalışmasında örnek olarak sıcaklık, hareket ve yangın sensörleri kullanılmıştır. Herhangi bir elektriksel donanımın kontrolü röle üzerinden yapılmaktadır. Röleler de çevre (rf) modülleri kartında yer almaktadır. Bu modüller merkez üniteye bilgileri Radyo Frekansı aracılığıyla iletmektedir. Bunun en büyük avantajı, merkez üniteden yaklaşık 100 metre mesafeye kadar çalışabilir olmasıdır. Aksi halde her üniteden merkez üniteye kablo aracılığıyla iletişim sağlanması gerekir ki bu da ev ortamı için istenen bir durum değildir. Kablosuz(rf) haberleşme esnasında bir mesajın kime ait olduğunu belirlemek, çevre ünitelerin adlandırılması ile mümkündür. Bu çalışmada çevre modüllere Oda1, Kapı1, Kapı2 olarak adlandırılmıştır. Üniteler kendi isimlerini devrede kullanılan anahtarların (dip-switch) lojik durumlarını kontrol ederek hangi ismin kendisine ait olduğunu öğrenmektedir. Rf iletişiminde 16 byte lık bir mesaj paketi hazırlanarak gönderilmektedir. Bunun ilk iki byte ı 5

16 mesajın hangi üniteye gittiğini, üç ve dördüncü byte ı ise kimden gönderildiği bilgisini taşımaktadır. AA BB CC DD EE FF GG II (16 Byte lık mesaj paketi) AA : Mesajın hangi üniteye gittiği bilgisi (2 Byte) BB : Mesajın kimden gönderildiği bilgisi (2 Byte) CC DD EE FF GG II : Gönderilmek istenen mesaj (12 Byte) Durum sorgusu göndererek bilgi alma olayları Şekil 2.2 de gösterilmiştir. Bu sayede mesajı alan çevre (rf) modülleri bu byte lara bakarak mesajın hangi ünite için gönderildiğini anlar, ortamdaki verileri gönderir veya kontrolündeki röleyi aktif/pasif durumuna alma işlemlerini yapar. Şekil 2.2 de örnek bir iletişim incelenecek olunursa, birinci adımda Android Evoto yazılımı ile durum ne mesajı merkez üniteye iletilir. İkinci adımda, merkez ünite çevre modüllerinden ODA1 e O1M1ORDAMISIN mesajını iletir. Üçüncü adımda ODA1 modülü M1O1BURDAYIM şeklindeki mesajı merkez üniteye iletir. Dördünü adımda, merkez ünite yine aynı modüle O1M1DURUM mesajını iletir. Son olarak ODA1 durumu hakkında bilgi verir. Şekildeki örnekte ODA1, merkez üniteye M1O123HYYYOFF mesajını iletir. Buradaki mesajda M1 mesajın gittiği modülün ismi, O1 mesajı gönderen modülün ismi, 23 Sıcaklık bilgisi, HY hareket olmadığını, YY yangın olmadığını, OFF ise rölenin kapalı olduğunu belirtmektedir. Buna benzer bir yapıda çeşitli mesajlar aktarılabilir. Merkez ünitede internet üzerinden görüşmeyi sağlayan ağ iletişim modülü ve çevre(rf) modüllerden bilgi toplayan veya komut gönderen bir merkez rf iletişim modülü tasarlanmıştır. Merkez rf iletişim modülü belirli periyotlarda tüm rf ünitelere durum bilgilerini göndermeleri için mesaj gönderir. Gelen ortam bilgilerini merkez denetleyiciye bildirir. Merkez denetleyici bu bilgileri lcd ekranda görüntüler. Merkez ünite aynı zamanda ağ iletişim modülü sayesinde internetten gelen mesajları yorumlayabilmekte ve akıllı cep telefonundan gelen mesajlara cevap verebilmektedir. Ağ iletişim modülü IP(Internet Protokol) tabanlı olduğundan kendi IP bilgisinin klavye aracılığıyla kullanıcı tarafından girilebilmesi sağlanmıştır. Merkez denetleyici aldığı IP bilgisini ROM belleğine yazarak kalıcı olarak muhafaza etmektedir. Android işletim sisteminde yazılan ev otomasyon uygulaması, tasarlanan elektronik devre ile internet üzerinden haberleşmekte, konumdan bağımsız kontrol ve iletişim 6

17 sağlamaktadır. Bu yazılım üç ayrı işlemi aynı anda yürütebilecek şekilde tasarlanmıştır. Dokunmatik ekrandan kullanıcı girişlerini yorumlama, internet üzerinden veri gönderme ve merkez üniteden gelecek verileri almak için sürekli ağı dinlemektedir. Böylelikle çift yönlü bir iletişim üzerine kurulu sistem başarıyla tasarlanmıştır. Sistemde bahsedilen durum sorgusu gönderek bilgi alma ve komut gönderme olayları Şekil 2.2 ve Şekil 2.3 te verilmiştir. Şekil 2.2 Durum sorgusu göndererek bilgi alma olayları 7

18 Şekil 2.3 Komut gönderme olayları Şekil 2.2 de örnek bir komut gönderme esnasındaki iletişim incelenecek olunursa, birinci adımda Android Evoto yazılımı ile Merkez üniteye O1SWITCHAC şeklindeki mesajını gönderir. Bu mesajda O1 röle durumunun değiştirileceği modül ismini, SWITCHAC röleye enerji verileceğini göstermektedir. İkinci adımda, merkez ünite ilgili çevre modüllerinden ODA1 e O1M1SWITCHAC mesajını iletir ve son olarak ODA1 modülündeki röleye enerji verilir. Aynı şekilde kapatmak istenilen röle için ise K1SWITCHKA şeklinde bir komut gönderilir. Bu mesajda KAPI1 modülünün röle enerjisinin kesileceğini göstermektedir. 8

19 3. HABERLEŞME Bu tez çalışmasında, Gsm (3G) üzerinden haberleşen bir Akıllı Ev uygulamasının gerçekleştirilmesi amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda çeşitli haberleşme teknikleri kullanılmıştır. Bu bölümde sistemin kullandığı haberleşme teknikleri anlatılmıştır. Veri haberleşmesi kablolu veya kablosuz olmak üzere iki farklı şekilde yapılmaktadır. Kablosuz haberleşme denince akla ilk gelen RF (radyo-frekans) haberleşmedir. Uzun mesafeli kablosuz veri iletişimi RF haberleşme ile yapılmaktadır. Kızılötesi (IR) haberleşmedeki gibi alıcı ve vericinin biri birini doğrusal olarak görme zorunluluğu olmadığından bu tez çalışmasında tasarlanan sistemde çevre modüllerden üretilen verilerin merkez üniteye ulaştırılmasında RF haberleşme tekniği kullanılmıştır. Kablolu iletişim işlemcilerin birbiriyle olan iletişiminde seri haberleşme tekniği ile kullanılmıştır. Network iletişimi ise UDP protokolü ile sağlanmıştır[7] RF Haberleşme RF haberleşmesi, elektromanyetik dalgalar yoluyla gerçekleştirilir. Haberleşme yapılan frekans bandı, telekomünikasyon kurumunun belirlediği frekans tahsis tablosuna göre seçilir. Rastgele bir frekansta (örneğin FM bandı içerisinde), RF kontrol işlemi gerçekleştirmek uygun olmaz. Telekomünikasyon kurumu tarafından yayınlanan "kısa mesafe erişimli telsiz cihazlarını kurma ve kullanma esasları" hakkındaki yönetmelikte, kurumun kabul ettiği standart ve teknik özelliklere uygun olmak kaydıyla hangi frekans bantlarında ruhsatsız ve izinsiz olarak yayın yapılabileceği belirtilmiştir. Buna göre, UHF bandının MHz ile MHz frekansları arasında 10mW verici gücünü aşmamak koşuluyla RF haberleşme yapılabilir[7]. Frekans Kaydırmalı Anahtarlama (FSK-Frequency Shift Keying), sayısal modülasyon tekniklerinden biridir. Oldukça yaygın kullanılan bir tekniktir, bunun sebebi analog tekniklerle, veya Dijital Sinyal İşlemci (Digital Signal Processor-DSP) teknikleri ile işaretlerin kolayca modülasyonu ve demodülasyonunun gerçekleştirilebilmesidir. 3.2 Seri Haberleşme Seri haberleşme, bir datanın bir cihazdan başka bir cihaza seri yöntem ile bilgi transferidir. Seri haberleşme, veriyi oluşturan bitlerin, bir zaman diliminde tek tek sırayla karşı tarafa taşımaktadır. Eğer veri, bir zaman diliminde sadece bir yönde aktarılıyorsa half-duplex, aynı zaman diliminde her iki yönde aktarılıyorsa full-duplex olarak adlandırılır [6]. 9

20 Şekil 3.1 Seri iletişim Seri iletişim, haberleşen taraflar arasında, protokol olarak adlandırılan kurallar çerçevesinde gerçekleştirilmektedir. Verinin nasıl paketleneceği, bir karakterdeki bit sayısını verinin ne zaman başlayıp biteceği gibi bilgiler, protokol ile belirler. Asenkron ve senkron olmak üzere iki tür seri haberleşme protokolü bulunmaktadır. Senkron haberleşmede, haberleşen cihazlar aynı saat sinyali darbelerini kullanır. Saatin frekansı sabit ya da düzensiz aralıklarla değişken olabilir. İletilen her bit, bir saat darbesi geçişinden sonraki belirli bir zamanda geçerli olur. Asenkron haberleşmede iletimi başlatan start ve iletimin bittiğini belirten stop bitleri haberleşme anlaşmasını sağlar. Bu yüzden belli bir clock sinyali, asenkron seri iletişimde gerekmemektedir. ASCII A (41h) karakterinin senkron ve asenkron iletimine ilişkin örnek işaret değişimi Şekil 3.1 de gösterilmiştir. Uzak mesafeli iletişimlerde asenkron, kısa mesafeli iletişimlerde senkron seri iletişim tercih edilmektedir. Seri haberleşmede veri aktarım hızı, saniyedeki bit sayısı (bps) olarak belirtilir ve veri aktarım hızını belirlemede yaygın olarak kullanılan terim ise baud rate tir [6]. 10

21 Sayısal sistemlerde kullanılan -süreksiz değerler- ikili kodlar 1 Bd = 1 bit/s'dir. Tasarlanan merkez ünitedeki ana işlemci ve merkez rf iletişim modülündeki işlemci arasındaki haberleşmede bd veri aktarım hızı kullanılmıştır. Bu denetleyicilerin birbirine olan yakın mesafesi sebebiyle senkron iletişim tekniği kullanılmıştır. 3.3 Network (Ağ) TCP/IP ve IP Uzaktan kontrollü ve ağ ortamını kullanan tasarımların kullanabileceği network iletişim protokolleri bu tez kapsamında yer almaktadır ve bu bölümde anlatılmıştır. Protokol, belli bir işin yapılışını düzenleyen kurallar bütünü olarak tanımlanabilir. TCP/IP de internet üzerinden sağlanan bağlantıların kurallarını içeren ve bu kurallar çerçevesinde bağlantı kurulması esasına dayanan bir protokoldür. Bütün networkler için geliştirilmiştir. Bilindiği üzere en geniş ağlardan biri de internettir. Bunun gibi büyük ağların yönetilebilmesi dikkat istemektedir. Bundan dolayı geniş ve farklı özelliklerdeki ağların bağımsız olarak yönetilmesi ve geliştirilmesi gerekmektedir. TCP/IP buna uygun bir protokoldür. TCP/IP protokolünün temelleri, A.B.D Savunma Bakanlığı ARPA projesi olarak 1970'lerde atılmıştır. Bu nedenle bazen dört katmanlı DoD modeli olarak da adlandırılmaktadır. Diğer bir model olan OSI modelde ise TCP/IP modele karşılık yedi katmandan bahsedilir. Aslında TCP/IP protokolü diye adlandırmak çok doğru değildir. Bunun nedeni; TCP/IP çok sayıda protokol ve yardımcı programlardan oluşan bir protokol kümesidir[3]. Şekil 3.2 deki şemadan TCP/IP model ile OSI model katmanları ve bu katmanlara karşılık gelen protokoller gösterilmiştir [6]. 11

22 OSI Modeli DoD Modeli Protokoller Şekil 3.2 TCP/IP ve OSI modellerinin karşılaştırılması [8] TCP/IP'de, yollanan veriler katmanlara göre paketlenerek yollanır ve alıcıda bu paketler teker teker açılıp veri ulaştırılır. Bu yöntem, yollanan veri, yollama şekli ve yollama yolunu birbirinden ayırarak birlikte çalışmayı kolaylaştırır. Katmanlar, OSI ve DoD standardına göre dört veya yedi şekilde açılabilir. TCP/IP, DoD modeli temelinde geliştirildiğinden dört katmana kısaca aşağıda değinilmiştir. Uygulama katmanında, veriyi göndermek isteyen uygulama ve kullandığı dosya formatı bulunur. HTTP üzerinden HTML formatında yazılmış bir web sayfası bu katmana örnek verilebilir.taşıma katmanında, verinin ne şekilde gönderildiği gösterilir. TCP veya UDP gibi protokoller bu katmandadır.diğer bir katman olan ağ katmanı bazen IP katmanı olarakta anılır. IP katmanı olarak da anılan ağ katmanı, IP adreslerinin veriye eklendiği noktadır. Bu katmandaki uygulamalar IP veya IPv6 gibi iletişim protokolleri olabileceği gibi ICMP, IGMP veya ARP gibi durum bildirme ve katmanlar arası bağ protokolleri de olabilir. En alt katman olan fiziksel katmanda ethernet, modem, ATM gibi protokoller bulunur [6]. Tez kapsamıyla ilişkili kullanılan protokoller aşağıda anlatılmıştır. a) TCP Protokolü TCP protokolü, iki bilgisayar arasında veri transferi yapılmadan önce bağlantının kurulması ve veri iletiminin garantili olarak yapıldığı connection-oriented olarak adlandırılan bir protokoldür. TCP iletişiminde veri paketleri kullanılır. Ayrıca gönderen ve alan uygulamalarda 12

23 da paketlere port bilgisi eklenir. Paketlerde bulunan port, kaynak ve hedef ip bilgileri ile uygulamanın iletişimi sağlanır [6]. TCP protokolünün veri iletişim esnasında kullandığı kurallar bütünü, Çizelge 3.1 de verilmiştir. Verinin gönderildiği hedef bilgisayarın port numarasını destination port belirtir. Datanın segmentlere bölünüp gönderilmesinden sonra, tekrar birleştirilmesi için ihtiyaç duyulan numara sequnce number olarak tanımlanır. Bir sonraki hangi TCP soktetinin beklendiğini ackknowlegment number kuralı belirler. Başlık bilgisi içerisinde yer alan 32 bitlik kelimeleri head lenght ifade eder. Reserved kuralı her zaman 0 değerini alır. Bir oturumun kurulması ve bitirilebilmesi için kullanılan code bits fonksiyonudur. Window, octet cinsinden gönderici bilgisayarın kabul ettiği pencere büyüklüğü olarak tanımlanmaktadır. Checksum, CRC header ve data alanlarını kontrol eden iletişim kuralıdır. Acil veri sorununu urgent pointer belirler. Options kuralı ise maksimum TCP segment büyüklüğüne 0 ile 32 arası bir değer atar [6]. Çizelge 3.1 TCP protokolünün taşıma katmanında kullandığı kurallar Source port (16) Destination port (16) Sequence number (32) Ackknowledgement number (32) Header lenght (4) Reserved (6) Code bits(6) Window (16) Checksum (16) Urgent (16) Options (0 veya 32) Data b) UDP Protokolü UDP de TCP gibi bir taşıma katmanı protokolüdür. Ancak UDP iletiminde verinin alınıp alınmadığına dair doğrulama (authentication) yapılmadığı için gönderim garantisi olmaz. Gelişmiş bilgisayar ağlarında paket anahtarlamalı bilgisayar iletişiminde bir datagram modu oluşturabilmek için UDP protokolü yazılmıştır. Bu protokol minimum protokol mekanizmasıyla bir uygulama programından diğerine mesaj göndermek için bir prosedür içerir. Bu protokol 'transaction' yönlendirmelidir. Paketin teslim garantisini isteyen uygulamalar TCP protokolünü kullanır [6]. 13

24 c) IP Protokolü IP, hedef bilgisayarın network üzerindeki yerini bulur. Paketlerin adreslenmesi ve network üzerindeki bilgisayarlar arasında yönlendirilmesini sağlar. IP iletimi de UDP gibi gönderimin garanti edilmediği türde bir iletişim kurar. IP, iki bilgisayar paketlerinin de yönlendirilmesini sağlayan bağlantısız bir protokoldür. Bağlantısız (connectionless) olması oturumun iletişimden önce kurulmamasıyla ilgilidir. Bununla birlikte veri iletimindeki başarı da garantili olmaz. İletimin garantisi daha üst düzey protokol olan TCP ile sağlanır. IP adresi, belli bir ağa bağlı cihazların, ağ üzerinden birbirlerine veri yollamak için kullandıkları adrestir. İnternet'e bağlanan her bilgisayara bir IP adresi atanır, diğer bilgisayarlar bu bilgisayara bu adres ile ulaşırlar. Bu sayede; iki farklı cihaz aynı yerel ağda olmasa dahi, IP adresi birbirleri ile iletişim imkanı sağlar. IP adresleri şu anda yaygın kullanımda olan IPv4 için 32 bit boyunda olup, noktalarla ayrılmış 4 adet 8 bitlik sayıyla gösterilirler. Örnek bir IP adresi gösterimi şeklindedir. Burada nokta ile ayrılmış her gruba oktet denir. Bu IP adresi, ikili biçimde şeklinde gösterilebilir. IP adreslerinde iki adres saklıdır. Birincisi ağ (network) adresi, ikincisi ise bilgisayar (host) adresidir. IP adresleri dinamik ve statik olmak üzere iki türlüdür. Statik IP adresleri zaman içerisinde değişmez, her zaman aynı kalır. Bu tip adresleri daha çok sunucu türde çalışan bilgisayarlar kullanmaktadır. Bu sayede istemci bilgisayarlar, sunucu bilgisayarı her zaman tanımlar ve ulaşabilirler. Dinamik IP adresleri ise bağlantı kopup tekrar internete bağlanıldığında veya periyodik olarak değişebilir. Kontrollü sistemlerde pek tercih edilmemektedir [6]. 14

25 4. DONANIMLARIN İNCELENMESİ Akıllı bir ev uygulaması gerçekleştirilmesi hedeflenen bu tez kapsamında tasasrlanan sistemlerin donanımsal birimleri bu bölümde anlatılmıştır. Tasarımda kullanılan iki çeşit mikrodenetleyici, üç çeşit sensör (sıcaklık, yangın, hareket) ve bir adet internet üzerinden haberleşmeyi sağlayan entegre bulunmaktadır. Bu donanımları, devre şemaları ile birlikte modül başlıkları altında incelenmiştir. 4.1 Mikrodenetleyici Mikrodenetleyici, bir bilgisayarın temel özelliklerini içeren tek bir silikon kılıf içerisinde toplanmış bir tümdevre olarak düşünülebilir. Genel olarak bir mikrodenetleyici, bir mikroişlemci çekirdeği, program ve veri belleği, giriş/çıkış birimleri, saat darbesi üreteçleri, zamanlayıcı/sayıcı birimleri, kesme kontrol birimi, analog-dijital ve dijital-analog çeviriciler, darbe genişlik üreteci, seri haberleşme birimi ve daha özel uygulamalar için kullanılan diğer çevresel birimlerden meydana gelmektedir. Mikrodenetleyici temel olarak dört bileşenden oluşmaktadır. Bunlar mikroişlemci, bellek, giriş/çıkış birimi ve saat darbe üretecidir [4] Mikrodenetleyici Mimari Özellikleri Mikroişlemci ve mikrodenetleyiciler bellek kullanımı açısından Von Neuman ve Harvard; komut işleme açısından ise RISC ve CISC olarak adlandırılan mimariler baz alınarak tasarlanırlar. Program belleği, program çalışırken kullanılacak kodun saklı tutulduğu bellek alanıdır. Veri belleği, çalışma esnasında saklanması gereken verilerin tutulduğu bellek alanıdır. Von Neuman mimaride, program ve veri bellekleri aynı yapının içindedir. Harvard mimarisinde ise program ve veri bellekleri ayrı yapılar olarak tasarlanmıştır. Başlangıçta Von Neuman mimari yapısı kullanılmasına rağmen, günümüzde Harvard mimarisi yaygınlık kazanmıştır. Karmaşık komut kümeli bilgisayar anlamına gelen CISC(Complex Instruction Set Computer) mimaride donanımın, her zaman yazılımdan daha hızlı çalıştığı gerçeği temel alınmıştır. CISC mimarisinde her işlem için farklı bir komut oluşturulmuştur. Bu, programlayıcı açısından daha kısa programlar yazarak sonuca ulaşmak anlamı taşısa da karmaşık donanımsal yapısı, mimarinin dezavantajı olmaktadır. Azaltılmış komut kümeli bilgisayar anlamına gelen RISC(Reduced Instruction Set Computer) mimaride ise daha basit ve az sayıda komutlar kullanarak tümdevre karmaşıklığı azalmıştır. RISC mimaride kullanılan daha az, basit ve hızlı komutlar, uzun, karmaşık ve daha yavaş CISC komutlarından daha verimlidir [5]. 15

26 4.1.2 PIC18F4550 ve Genel Özellikleri PIC18F Giriş/Çıkışa sahiptir. Geri kalan ayaklar besleme gerilimi, osilatör, reset(mclr) gibi mikrodenetleyicinin çalışması için gerekli donanıma ayrılmıştır. PIC18F4550 nin bir çok değişik hızda çalışan tipleri vardır. Bu üretilen farklı tipleri arasında en yüksek hızlı olanı 20Mhz kristal ile çalışabilmektedir. Bu da bir program çevriminin en az 200 ns olmasına olanak sağlamaktadır. Bunun dışında 4 Mhz, 8Mhz gibi seçeneklerde mevcuttur. 32k x 8bit flash program belleğine sahiptir. Flash belleğe kez üst üste yazma silme işlemi yapılabilir. RAM olarak tanımladığımız, değişkenlerin bulunduğu veri belleği 2048x8bit tir.bu, 2048 adet değişken tanımlayabileceğimiz anlamına gelir. PIC18F4550 nin, 256x8 bit EEPROM veri belleği vardır. EEPROM belleği, RAM veri belleğinden farklı elektrik olmadan da kayıt ettiğiniz veriyi saklayabilir. Veri EEPROM belleğine defa üst üste yazma silme işlemi uygulanabilir. Veri EEPROM unda saklanan bilgiler en az 40 yıl boyunca silmeden bellekte kalır [5]. PIC18F4550 de 4 adet zamanlayıcı-sayıcı(timer) vardır. Bu zamanlayıcılardan TMR0 8bit bir sayıcıdır. TMR1 uyuma (sleep) durumunda bile dışardan bağlanan bir kristalle arttırabilecek 16-bit lik bir sayaçtır. TMR2 ise TMR0 gibi 8 bit lik bir sayıcıdır. TMR2 mikrodenetleyicideki CCPM modülü için zamanlayıcı olarak kullanılır. TMR3 ise yine TMR1 gibi 16-bit lik bir sayıcı veya zamanlayıcı olarak kullanılabilmektedir. İki adet Capture, Compare, PWM(CCPM) modülü ile 6,25 ns hassasiyetinde yakalama (capture), 100 ns hassasiyetinde karşılaştırma(compare), 10 bit lik çözünürlükte PWM sinyali uygulama özelliklerine sahiptir [5]. Bir adet Enhanced Capture/Compare/PWM (ECCP) modülüne sahip olan mikrodenetleyicimiz otomatik kapanma ve otomatik yeniden başlatma(restart) özelliklerine sahiptir. Senkron Seri İletişim (MSSP) portu ile SPI (master) ve I2C (master/slave) protokollerinde seri iletişim özelliğine sahiptir. (Enhanced USART) portu ile Universal Senkron Asenkron Alıcı Verici özelliğine sahiptir. RD (okuma), WR (yazma), CS (kanal seçme) kontrol özellikleriyle birlikte USB port girişinden aldığı yüksek hız da veriyi donanımsal paralel iletişim portuna SPP<7:0> aktarma özelliğine sahiptir [5]. 16

27 10 bit lik, 13 kanallı Analog/Digital çevirici ye sahiptir. Referans değerleri olarak PIC i besleyen Vdd ve Vcc dışında değer seçmek istediğimizde, RA2 ve RA3 portlarından farklı üst ve alt referans gerilimleri seçme imkanı vardır. Cihaz uyuma (sleep) durumunda olsa bile PIC in içinde bulunan A/D çevrim RC saati ile çevrime devam edilebilir. PIC18F4550, iki adet karşılaştırıcıya sahiptir. Karşılaştırıcının referans gerilim değerleri, çıkış ve girişler portları yönlendirilebilir yapıdadır. Yukarıda bahsedilen tüm uygulamalar için birer kesme (interrupt) özelliği bulunur. PIC18F4550 de kesme 20 farklı özel olaydan tetiklenebilir. PIC18F4550, 31 katlı bir yığın (stack) yapısına sahiptir. Bu iç içe otuz bir alt program çağırabilmeniz anlamına gelir. Buna kesmelerde dahildir [5]. Şekil 4.1 de söz konusu entegrenin pin bacak dağılımı entegre üzerinde gösterilmiştir. Şekil 4.1 PIC18F4550 PDIP görünümü [9] Bu entegre merkez denetleyici ve merkeze bağlı rf iletişim modülünde kullanılmıştır. Ekran-klavye sürme, ağ iletişimi, rf iletişimini bu denetleyiciler ile sağlanmıştır. 17

28 4.1.3 PIC16F88 ve Genel Özellikleri PIC16F88 18 Giriş/Çıkışa sahiptir. Geri kalan ayaklar besleme gerilimi, osilatör, reset(mclr) gibi mikrodenetleyicinin çalışması için gerekli donanıma ayrılmıştır. 8k x 8bit flash program belleğine sahiptir. Flash belleğe kez üst üste yazma silme işlemi yapılabilir. RAM olarak tanımladığımız, değişkenlerin bulunduğu veri belleği 368x8bit tir. Bu, 368 adet değişken tanımlayabileceğimiz anlamına gelir. PIC16F88 nin, 256x8 bit EEPROM veri belleği vardır. EEPROM belleği, RAM veri belleğinden farklı elektrik olmadan da kayıt ettiğiniz veriyi saklayabilir. Veri EEPROM belleğine defa üst üste yazma silme işlemi uygulanabilir. Veri EEPROM unda saklanan bilgiler en az 40 yıl boyunca silmeden bellekte kalır. PIC16F88 3 adet zamanlayıcı-sayıcı (timer) vardır. Bu zamanlayıcılardan TMR0 8bit bir sayıcıdır. TMR1 uyuma (sleep) durumunda bile dışardan bağlanan bir kristalle arttırabilecek 16-bit lik bir sayaçtır.tmr2 ise TMR0 gibi 8 bit lik bir sayıcıdır. TMR2 mikrodenetleyicideki CCP modülü için zamanlayıcı olarak kullanılır. İki adet Capture, Compare, PWM(CCPM) modülü ile 12,5ns hassasiyetinde yakalama (capture), 200 ns hassasiyetinde karşılaştırma (compare), 10 bit lik çözünürlükte PWM sinyali uygulama özelliklerine sahiptir. Senkron Seri İletişim (MSSP) portu ile SPI(master) ve I2C (master/slave) protokollerinde seri iletişim özelliğine sahiptir. 10 bit lik, 7 kanallı Analog/Digital çevirici ye sahiptir. Referans değerleri olarak PIC i besleyen Vdd ve Vcc dışında değer seçmek istediğimizde, RA2 ve RA3 portlarından farklı üst ve alt referans gerilimleri seçme imkanı vardır. Cihaz uyuma (sleep) durumunda olsa bile PIC in içinde bulunan A/D çevrim RC saati ile çevrime devam edilebilir. Bunların dışında PIC16F88, iki adet karşılaştırıcıya sahiptir. Karşılaştırıcının referans gerilim değerleri, çıkış ve girişler portları yönlendirilebilir yapıdadır. Yukarıda bahsedilen tüm uygulamalar için birer kesme(interrupt) özelliği bulunur. PIC16F88, 8 katlı bir yığın (stack) yapısına sahiptir. Bu iç içe 8 alt program çağırabilmeniz anlamına gelir. Buna kesmelerde dahildir. 18

29 NanoWatt teknolojisine sahip olduğundan çok düşük enerji harcamaktadır. Şekil 4.2 de PIC16F88 entegresinin pin şeması gösterilmiştir. Bu entegre çevre (rf) moduüllerinde kullanılmıştır. Çevre modüllerdeki bilgilerin toplanması ve merkez üniteye gönderilmesi vede üzerinde bulunan röle ile istenen elektriksel donanımın kontrolü sağlanmıştır. 4.2 Merkez Ünite Akıllı ev uygulamasında, ekran-klavye sürme, ağ iletişimi, rf ile modüllerden bilgi toplama gibi tüm işlemlerin koordine edildiği ünitedir. Bir adet mikrodenetleyici ile ekranklavye sürme ve ağ iletişim kontrolü, ve diğer denetleyici ile çevre (rf) modüllerle iletişime geçen merkez rf ünitesi için olmak üzere iki adet PIC18f4550 mikrodenetleyici kullanılmıştır. Şekil 4.2 PIC16F88 PDIP görünümü [9] Ana Kart Tasarlanan ana kartın (merkez modül) devre elemanları ile birlikte lehimli baskı kartı Şekil 4.3 te gösterilmiştir. Şekil 4.4 te ise ana kartın devre şeması verilmiştir. Şekilsel olarak 19

30 kartın karmaşık olması nedeniyle, ana kartı oluşturan bölümler ayrı ayrı bir sonraki bölümde açıklanmıştır. Bu bölümler; ekran-klavye, ağ iletişim modülü ve merkez rf iletişim modülüdür. Şekil 4.3 Merkez ünite görüntüsü 20

31 Şekil 4.4 Merkez ünite devre şeması 21

32 4.2.2 Ekran ve Klavye Sistemdeki durum değişikliklerini ve kullanıcıya ip konfigrasyonu yapabilmesini sağlayan donanımdır. Merkez mikrodenetleyiciye bağlı bir adet keypad ve bir adet TC2004A mavi lcd ekran kullanılmıştır. Şekil 4.5 te bağlantı şemaları gösterilmiştir. Kullanıcı kontrolünde olan iki adet button bulunmaktadır. Bunlardan biri sistemi yeniden başlatmak için diğeri ise ayarlar menüsüne girmek içindir. Şekil 4.5 Ekran ve Klavye devre şeması 22

33 4.2.3 Ağ iletişim modülü Sistemin ağ(network) üzerinden akıllı telefon yazılımı ile haberleşmesini sağlayan donanımdır. Bu işlem için Şekil 4.6b de gösterilen Microchip firmasının üretimi olan ENC28J60 SPI arayüzlü Ethernet Controller entegresi kullanılmıştır. Bir adet RJ45 soketi ve bir adet 7408 AND (VE) kapısı kullanılmıştır. Mikrodenetleyicinin 5V ve ENC28J60 ın 3.3V ile çalışmasından dolayı Ethernet Controller dan gönderilen dataların gerilim farkı sebebiyle mikrodenetleyici tarafından hatalı anlaşılabilmesini engellemek için kullanılmıştır. Bobin(ferrite-bead) ile yüksek frekanslı gürültülerin filtrelenmesi için kullanılmıştır. Devre şeması Şekil 4.6a da gösterilmiştir. a) b) Şekil 4.6 a) Ağ iletişim modülü devre şeması b) ENC28J60 PDIP görünümü[9] 23

34 4.2.4 Merkez RF iletişim Modülü RF iletişimi için HOPE firmasının üretimi olan RF12B modülü kullanılmıştır. RF12B frekansı, alıcı ve gönderici modları mikrodenetleyici ile ayarlanabilen, istenilen 16 byte lık veri alınıp veya gönderilebilen bir modüldür. Bu donanım üzerinde iki adet led olup bunlar data alınıp veya gönderildiği zaman yanmaktadırlar. Şekil 4.7 deki devrede kullanılan mikrodenetleyici ile merkez mikrodenetleyici arasında yani merkez ünitedeki iki PIC18F4550 arasında USART modülleri senkron veri alışverişi sağlanmaktadır. Şekil 4.7 Merkez RF iletişim modülü devre şeması 24

35 4.3. Çevre (RF) Modüller Tez kapsamında evde kontrolü yapılabilecek birçok parametre sayılabilir. Bu çalışmada uygulama olarak oda ve kapılarda kullanılmak üzere iki çeşit çevre modülü tasarlanmıştır. Çevre modüller oda ve kapılarda kullanılmak üzere iki çeşittir. Şekil 4.10 da devre şeması gösterilmiştir. Donanımsal olarak aralarındaki fark oda modüllerinde hareket sensörü kullanılıyorken, kapılarda bu sensör yerine kapılara takılabilen anahtar bağlanmaktadır. Hareket(PIR) sensörü yanında yangın ve sıcaklık(ds18b20) sensörleri kullanılmıştır. Bunun yanında anahtarlar(dip-switch) kullanılarak her cihaz kendi ismini bu switchlerin kombinasyonuna göre öğrenmekte ve gelecek olan datalarında kendilerine ait olup olmadığını bu şekilde anlayarak cevap vermektedirler. Şekil 4.8 de tasarlanmış bir çevre modül kartın görüntüsü, Şekil 4.9 da ise kutu içerisindeki görüntüsü gösterilmiştir. Şekil 4.8 Çevre RF modülü görüntüsü 25

36 Şekil 4.9 Çevre RF modülü kutu içerisinde görüntüsü 26

37 Şekil 4.10 Çevre RF modüller devre şeması 27

38 5. YAZILIM VE ALGORİTMALAR GSM tabanlı Akıllı ev uygulaması amaçlanan bu tez çalışmasında tasarlanan sistemde kullanılan mikrodenetleyici ve terminal yani akıllı cep telefonunda yazılan yaızılımları bu bölümde anlatılmıştır. 5.1 Merkez ünite Merkez ünitede tüm görevleri üstlenen iki adet mikrodenetleyicimiz olduğuna değinilmişti. Burada tüm bu denetleyicilerdeki algoritmalar incelenecektir. Merkez mikrodenetleyicinin genel olarak üç görevi bulunmaktadır; Ağ iletişimini kontrol altında tutmak,ekran - klavye sürmek ve çevre rf modüllerle iletişim sağlayan diğer mikrodenetleyici ile iletişime geçerek veri toplamak veya anahtarların kontrolünü sağlamaktır. Merkez mikrodenetleyici bu işlemleri sırayla yapmakta ve sonsuz bir döngü içerisinde hiç durmadan çalışmaktadır. Şekil 5.1 de gösterilen algoritmada öncelikle birinci adımda donanımsal ayarlar yapılmaktadır,yani cihazın alacağı ip bilgileri spi portundan ethernet arayüzüne gönderilip, giriş-çıkış,lcd ekran - klavyenin kullanacağı portlar ayarlanmakta,ve CCP(capture,compare,pwm) modülü kapatılmaktadır.ikinci adımda ağ iletişim modülünde bulunan ethernet arayüzü (ENC28J60) ile görüşerek ağdan kendisine gelen bir veri var mı bunu sorgulamaktadır. Üçüncü adımda ekran ve klavye sürme altyordamı çalıştırılıp basılan bir tuş var mı bunun kontrolünü sağlanmaktadır. Son adımda ise çevre rf modüllerinden gelen veride bir değişiklik var ise bunu merkez rf denetleyicisinden usart ile almaktadır ve bu bilgileri lcd ekrana yazdırmaktadır. Bu işlemden sonra birinci adıma geri dönmektedir. Söz konusu bu algoritmaların detayları aşağıda açıklanmıştır. 28

39 Şekil 5.1 Merkez mikrodenetleyici algoritması akış diyagramı a) Ekran ve Klavye Sürme Algoritması İlk olarak sistem açılırken kullanıcıya bilgi verilmekte daha sonra denetleyicinin EEPROM unda bulunan hex formatındaki ip, ağ maskesi ve ağ geçidi bilgilerini ascii kodlara çevirerek lcd ekrana yazılmaktadır. Ayar butonuna basılması ile bu alt yordam Şekil 5.2 de gösterilen algoritma ile çalışmaya başlar.ayar butonuna basıldıktan sonra menüyü ekrana yazıdırır. 29

40 Menü:1-IP 2-Ağ Maskesi 3-Ağ Geçidi 4-Uygula 5-Çıkış şeklindedir. Kullanıcı 1,2,3 seçeneklerinden birini seçtiği zaman nokta yerine * koyarak gerekli bilgileri girmelidir. Hata durumunda # tuşu silme, # + * kombinasyonu ise tamam demektir. 4 seçeneği seçildiğinde değişkenlere kayıt edilen yapılan değişiklikler, EEPROM a yazılıp, sistemin yeni ip ile çalışması için yazılımsal olarak sistemi yeniden çalıştırmaktadır.5 seçeneği seçildiğinde ise hiçbir değişiklik yapmadan sistem kaldığı yerden çalışmaya devam etmesi için altyordamdan ana programa geri dönmektedir. Şekil 5.2 Ekran ve Klavye sürme algoritması akış diyagramı 30

41 b) Ağ iletişimi Algoritması Ethernet arayüzüne gelen bir veri olduğunda öncelikle gelen verinin hangi porta yönlendirildiği kontrol edilir. Sistem kendisine gelen portu dışındaki verileri dikkate almamaktadır.bu porttan gelen veriyi iki grupta incelemektedir;1-komut 2-durum sorgusu Gelen veri komut ise bu komutun hangi modül için gönderildiği ve modüldeki anahtarın açılacağı ve kapatılacağını tespit eder. Ve gerekli komut çevre rf modüllere iletilmesi için merkez rf iletişim modülüne usart aracılığı ile gönderilir. Gelen veri durum sorgusu ise merkez mikrodenetleyicinin en son merkez rf modülü tarafından kendisine iletilen güncel durum bilgisi, verinin geldiği ip adresine portundan gönderilip ana programa geri dönülmektedir. Şekil 5.3 te ağ iletişim algoritması akış diyagramı gösterilmiştir. Şekil 5.3 Ağ iletişim algoritması akış diyagramı 31

42 c) Merkez Ünite Mikrodenetleyici Algoritması (RF Modül) Sistem başlatıldığı anda öncelikle 433Mhz frekans ayarı yapılmakta ve ardından RF12B modülü alıcı moduna alınmaktadır. Sistemin diğer donanımlarınında çalışır hale gelmesi için yaklaşık 500 ms beklenilmektedir. Ana işlemciden herhangi bir komut gelir ise usarttan bu komut verisini alır ve gönderilecek rf mesajı hazırlandıktan sonra RF12B gönderici moda alınarak 16 byte lık data gönderilir. Daha sonra tüm modüllere tek tek öncelikle ordamısın verisi gönderilerek cevap beklenir -böylelikle çevre birimlerde bir sorun var ise buna özel error verisi hazırlanmakta- ardından her modülden durum bilgisi alınır.bu şekilde sonsuz döngü içerisinde çalışmaya devam eder,eğer bir önceki aldığı veriden farklı bir durum bilgisi alırsa değişikliği merkez mikrodenetleyiciye usart aracılığı ile iletir. Şekil 5.4 te merkez ünite mikrodenetleyici algoritması akış diyagramı gösterilmiştir. Şekil 5.4 Merkez Ünite Mikrodenetleyici Algoritması (RF Modül) akış diyagramı 32

43 5.2 Çevre (RF) Modül Mikrodenetleyici Algoritması Enerji verildiğinde ilk olarak switch durumlarını öğrenerek cihaz ismini belirlemektedir. Cihaz isimleri Çizelge 5.1 de gösterilmiştir. RF12B modülü alıcı moda alınrak sonsuz döngü içerisinde kendi ismine gönderilen datayı beklemektedir. Ortamda çok sayıda veri gelebilir ancak paketin yönlendirildiği isim kendisinin değil ise dikkate almadan,tekrar yeni paket gelmesini bekler. Çizelge 5.1 Cihaz ismi belirleme tablosu SW1 Oda/Kapı 0 Oda 1 Kapı No SW2 SW Gönderilen veriler dört çeşittir:1- ordamısın 2-durum sorgusu 3-switchac 4-switchka -Bir nolu veriyi aldığında gönderici moduna geçerek burdayım mesajını merkeze gönderir, ve tekrar alıcı moda geçer. -İki nolu veriyi alır ise sensörlerden okuduğu sıcaklık,hareket,yangın verilerini tek bir mesaj haline getirip gönderici moda geçerek merkeze gönderir ve tekrar alıcı moda geçer. -Üç nolu veriyi alır ise röleye enerji vererek açar. -Dört nolu veriyi alır ise röle enerjisini keserek kapatır. Şekil 5.5 te çevre rf modül algoritması akış diyagramı gösterilmiştir. 33

44 Şekil 5.5 Çevre RF modül algoritması akış diyagramı 34

45 5.3 Java Tez kapsamında, GSM kontrollü akıllı ev uygulaması için android platformunda uygulama yazılması amacıyla Java programlama dili seçilmiştir. Java, Sun Microsystems'den James Gosling tarafından geliştirilen bir programlama dilidir (Sun Microsystem'in şu anda Oracle Corporation ile bağlı ortaklığı bulunmaktadır) ve 1995 yılında Sun Microsystems'in çekirdek bileşeni olarak piyasaya sürülmüştür. Bu dil C ve C++'dan birçok sözdizim türetmesine rağmen bu türevler daha basit nesne modeli ve daha az düşük seviye olanaklar içerir. Java uygulamaları bilgisayar mimarisine bağlı olmadan herhangi bir Java Virtual Machine (JVM)'de çalışabilen tipik bytecode'dur (sınıf dosyası). Java ilk çıktığında daha çok küçük cihazlarda kullanılmak için tasarlanmış ortak bir düzlem dili olarak düşünülmüştü. Ancak düzlem bağımsızlığı özelliği ve tekbiçim kütüphane desteği C ve C++'tan çok daha üstün ve güvenli bir yazılım geliştirme ve işletme ortamı sunduğundan, hemen her yerde kullanılmaya başlanmıştır. Şu anda özellikle kurumsal alanda ve mobil cihazlarda son derece popüler olan Java özellikle J2SE 1.4 ve 5 sürümü ile masaüstü uygulamalarda da yaygınlaşmaya başlamıştır. Java'nin ilk sürümü olan Java 1.0 (1995) Java Platform 1 olarak adlandırıldı ve tasarlama amacına uygun olarak küçük boyutlu ve kısıtlı özelliklere sahipti. Daha sonra düzlemin gücü gözlendi ve tasarımında büyük değişiklikler ve eklemeler yapıldı. Bu büyük değişikliklerden dolayı geliştirilen yeni düzleme Java Platform 2 adı verildi ama sürüm numarası 2 yapılmadı, 1.2 olarak devam etti sonbaharında çıkan Java 5, geçmiş 1.2, 1.3 ve 1.4 sürümlerinin ardından en çok gelişme ve değişikliği barındıran sürüm oldu. Java SE 7 ise (kod adı Dolphin) Sun'un üzerinde çalıştığı, Java teknolojisinin günümüz sürümüdür. 13 Kasım 2006'da Java düzlemi GPL ruhsatıyla açık kodlu hale gelmiştir.[6] 5.4 Android İşletim Sistemi Android, Google, Open Handset Alliance ve özgür yazılım topluluğu tarafından geliştirilen, Linux tabanlı, mobil cihaz ve cep telefonları için geliştirilmekte olan, açık kaynak kodlu bir mobil işletim sistemidir. Android, aygıtların fonksiyonelliğini genişleten uygulamalar yazan geniş bir geliştirici grubuna sahiptir. Android için halihazırda 1 milyondan fazla uygulama bulunmaktadır. Google Play Store ise, Android işletim sistemi uygulamalarının çeşitli sitelerden indirilebilmesinin yanı 35

46 sıra, Google tarafından işletilen kurumsal uygulama mağazasıdır. Geliştiriciler, ilk olarak aygıtı, Google'ın Java kütüphanesi aracılığıyla kontrol ederek Java dilinde yazmışlardır. Open Handset Alliance, 5 Kasım 2007'de Android'i kurduğunu duyurmuştur ve ardından 34 adet donanım, yazılım ve telekomşirketi, mobil cihazlar için telif hakkı olmayan bir işletim sisteminin teknolojinin gelişimi için yararlı olduğu konusunda hemfikir olmuşlardır. Android, Linux çekirdeği üzerine inşa edilmiş bir mobil işletim sistemidir. Bu sistem ara katman yazılımı, kütüphaneler ve API C diliyle yazılmıştır. Uygulama yazılımları ise, Apache harmony üzerine kurulu Java-uyumlu kütüphaneleri içine alan uygulama iskeleti üzerinden çalışır. Android, derlenmiş Java kodunu çalıştırmak için dinamik çevirmeli (JIT) Dalvik sanal makinasını kullanır ve cihazların fonksiyonelliğini artıran uygulamaların geliştirilmesi için çalışan geniş bir programcı-geliştirici çevresine sahiptir.[6] Evoto Yazılımı ve Algoritması Evoto yazılımı java dili ile android işletim sistemi için yazılmış uygulamadır. Bu uygulama ile ev ortamından toplanan veriler akıllı cep telefonundan alınarak kullanıcıya gösterilmektedir. Uygulamamızda üç işlem aynı anda yürütülmektedir. Bunlar; 1-Kullanıcı hareketleri dokunmatik ekrandan sürekli takip edilmesi 2- Network(ağ) arayüzünde portunu dinle, gelen veri var ise içerisinde modüllere ait sıcaklık,hareket,yangın ve anahtar durumunu tespit edip ekrana değişikliklerin yazdırılması 3-Üç saniyede bir karşı taraftan portunu kullanarak durum bilgisi iste eğer anahtar aç kapat seçeneklerinden biri değiştirilmiş ise portunu kullanarak ilgili modül için komut gönder. Bu sebeple thread türü sınıflar kullanılarak üç ayrı işlem aynı anda çalıştırılmıştır. Evoto uygulamasının çalıştırılması ile ekranda görülen uygulama örnekleri Şekil 5.6 da gösterilmiştir. 36

47 Şekil 5.6 Evoto uygulaması ekran görüntüleri 37