Mikrodenetleyicilerde Açık Kaynak Deneyimi: Arduıno ve Köprülü Vinç Kablosuz Kontrol Uygulaması

Transkript

1 Mikrodenetleyicilerde Açık Kaynak Deneyimi: Arduıno ve Köprülü Vinç Kablosuz Kontrol Uygulaması Oğuz Gora1 1 Yaşar Üniversitesi, Meslek Yüksekokulu, İzmir oguz.gora@yasar.edu.tr ÖZET: Açık kaynaklı platformlar, günümüzde hiç olmadığı kadar yaygın hale gelmiş durumdadır. Gerek mobil uygulamalarda, gerek gömülü sistemlerde başta güvenlik ve performans avantajları sayesinde tercih sebebi olmuşlardır. Arduino elektronik platformları da açık kaynak felsefesini benimsemiştir. Bu sayede, platforma ilişkin donanım bilgileri, yazılım kodları herkesin kullanıma açıktır. Bu yapısı Arduino yu, gerek bireysel çalışmalarda gerek mikrodenetleyici tabanlı elektronik eğitiminde tercih sebebi yapmaktadır. Bu bağlamda Arduino, mühendis ve diğer teknik elemanların eğitiminde önemli bir yer tutan mikrodenetleyiciler konusunda; modüler yapısı, maliyet avantajı ve örnek uygulamalara ulaşma kolaylığı sayesinde yerinde bir alternatiftir. Bu çalışmada, Arduino platformunda bir uygulama örneği olarak köprülü vinç kablosuz kontrol uygulaması gerçekleştirilmiştir. Uygulamanın aşamaları ayrıntılı bir şekilde incelenmiş ve geliştirilen yazılımlar akış şemalarıyla birlikte aktarılmıştır. Böylece, Arduino ile endüstriyel geliştirmeye açık kapsamlı bir uygulama gerçekleştirilmiştir. Anahtar kelimeler: Arduino, Mikrodenetleyiciler, Açık Kaynak Platformları The Open Source Experience Of Using Microcontrollers: Arduino And Goliath Crane Wireless Control Application Abstract: Open source are gaining in popularity on a daily basis. Through the safety and performance advatages, they are preferred in mobile applications and embedded systems. Arduino electronic platforms also accept the philosophy of open source. By this means, the information about Arduino hardware and software codes are open for anyone s use. Arduino boards are gaining in popularity on a daily basis. In this study Ardunio boards are investigated as an alternative to microcontroller education. The advantages to students of Ardunio are its modular structure and cost advantages. As Ardunio boards are open-source it means that students can readily access a wide range of technical information and published documents related to Ardunio. This paper provides a detailed example for advanced Ardunio-users with a study on the implementation of Ardunio to a wireless control application for a goliath overhead crane application. As a result, this work is completed successfully with respect to simplified industrial improvements. Keywords: Arduino, Microcontrollers, Open Source Platforms 1. GİRİŞ Günümüzde kontrol ve yazılım sistemleri gündelik hayatımızda ve sanayi üretiminde etkin bir şekilde yer almaktadır. Bu sayede üretim aşamaları doğruluk, güvenlik, hız ve esneklik kazanmaktadır. Bu amaçla, röle ve kontaktörlü sistemler, yarı iletken anahtarlamalı sistemler ve günümüzde PLC ve SCADA arayüzlerini de barındıran gömülü bilgisayar sistemleri tercih edilmektedir. Tüm bu gelişmelere bağlı olarak, mevcut teknolojileri kullanabilen, yetişmiş teknik eleman ihtiyacı da ortaya çıkmıştır. Teknik elemanların yetiştirilmesi sürecinde teorik bilginin önemi yadsınamaz konumdadır. Bununla birlikte, pratik uygulamalara ilişkin bilgiler, teorik bilgilerin hayata geçtiği kısımdır ve öğrenme sürecinin olmazsa olmaz bir unsurudur. Bu anlamda, teknik eğitim sırasında mikrodenetleyicilere ilişkin eğitim özel bir konumda yer almaktadır. Bu özel konumu, mikrodenetleyici eğitiminin programlama eğitimine benzer olarak bilgisayar teknolojilerinden yararlanılarak algoritma bilgisine sahip olmayı, ilişkisel düşünmeyi, ortalama bir İngilizce bilgisini gerektirmesinden kaynaklanmaktadır [1]. Öğrencilerin mikrodenetleyicilere ilişkin aldıkları eğitim, hayatlarının ilerleyen aşamalarında sıklıkla başvuracakları bir konumda yer almaktadır. 13

2 Buradan hareketle, varolan mikrodenetleyici eğitimine yeni bir bakış açısı ve çeşitli avantajlar getiren Arduino setleri önem arz etmektedir. Bu çalışmada, mikrodenetleyici eğitimine ilişkin süreçlerde Arduino setlerinin faydaları vurgulanmış, bu amaçla setlerin temel özellikleri tanıtılmıştır. Uygulama geliştirme aşamaları incelenmiş ve örnek bir uygulama paylaşılmıştır. 2. MİKRODENETLEYİCİ EĞİTİMİ 1971 yılında Intel firması tarafından üretilen mikroişlemciler, sayısal elektronikte büyük bir değişimin başlatıcısı olmuştur [2]. İlerleyen yıllarda, mikroişlemcilerin üretimi de hızla artarak günümüzde birçok cihazın içinde yer alacak kadar yaygınlaşmıştır. Mikroişlemciler, kapasitelerinin artmasıyla ve tümdevre teknolojisinin gelişmesiyle birlikte sayıcı, paralel port, seri port, bellek gibi özelliklere sahip olmaya başlamıştır yılında Intel firması artık bu tümdevre teknolojisini mikrodenetleyiciler olarak adlandırmaya başlamıştır. Mikrodenetleyiciler, öneminin anlaşılmasıyla birlikte 1980 li yıllardan itibaren üniversite derslerinde yer almaya başlamıştır. Üniversiteler genellikle o yıllarda, güncel olduklarından MCS- 51, 68HC11XX veya PIC ailesi mikrodenetleyicilerden birini öğretmişlerdir [3]. MCS-51 ailesi mikrodenetleyiciler 8 bit mikroişlemci (CPU), sayıcı, program ve veri belleği, paralel ve seri port, kesme denetleme birimi, mantıksal işlemci içermektedir [4]. Gelişmeye açık tasarlandığından tasarımcılar için avantajlıdır. 68HC11XX ailesi Motorola firması tarafından üretilmiştir. Örneğin 68HC11D0, 8 bit mikroişlemci (CPU), 4 adet paralel port, 1 adet seri port, 192 byte veri belleği 4096 adet Flash bellek ve kesme denetleme birimi bulundurmaktadır [5]. PIC ailesi mikrodenetleyiciler ise Microchip firması tarafından 1990 lı yıllarda ucuz bir mikrodeneletleyici olarak sunulmuştur. Microchip firması standart mikrodenetleyiciler üretmek yerine her seviye ve gruplara mükrodenetleyici üretme stratejisini benimsemiştir. Genel olarak bu gruplardaki mikrodenetleyicilerde ortak olarak 8 bit mikroişlemci, program belleği, veri belleği, paralel port, sayıcı, kesme denetleme birimi bulunmaktadır. Bugün PIC ailesi hâlâ yaygın bit şekilde kullanılmaktadır [6]. Arduino platformlarında ise çeşitli Atmel mikrodenetleyicileri kullanılmaktadır. Örneğin Arduino Uno da kullanılan Atmega328, genel amaçlı 23 giriş/çıkışa, 3 zamanlayıcı/sayıcıya, iç ve dış kesmelere, seri UART kanala, 6 kanal Analog-Dijital çeviriciye sahiptir. 3. AÇIK KAYNAK DÜNYASI Açık kaynak düşüncesi, yazılım alanında Richard Stallman ın sayesinde başladığı söylenebilir. Stallman, 1983 yılında Unix işletim sistemine ve her geçen gün metalaşan yazılım dünyasına karşı serbestçe kullanılan bir işletim sistemi yazacağını ilan eder [7]. Bu amaçla GNU (Gnu Is Not Unix) adı verdiği işletim sistemini ortaya çıkarır. Amacı, yazılım dünyasının serbest gelişimini korumaktır. Bu yüzden şirketler tarafından kodları saklanmış, değiştirilemeyen yazılımlar yerine herkesin kodlarını şeffaf bir şekilde görebildiği, değiştirebildiği, gelişimine ve dağıtımına katkıda bulunabildiği bir anlayışı yerleştirmeyi arzulamıştır. Süreç içinde, açık kaynak dünyası o yıllardan öngörülemeyecek bir şekilde gelişmiştir. Yalnızca açık kaynaklı yazılımları kullanan proje grupları, bağımsız çalışan programcılar, bilimsel olarak çalışmalarını sadece açık kaynak platformlarında gerçekleyen bilim adamları, serbest geliştiriciler, standart kullanıcılarıyla bugün dünya çapında bir hareketlilikten bahsedilmektedir. Bu paylaşım ortamının gelişimi ve teminat altına alınması için çeşitli lisans tipleri de geliştirilmiştir. Bunları sıralamak gerekirse; Copyleft, Creative Commons, GPL vd. Diğer taraftan, açık kaynak hareketi sahip olduğu felsefesiyle yazılım dünyasının ötesine taşmış durumdadır. Bugün açık kaynak felsefesini benimsemiş ekoloji grupları, film projeleri, bulunmaktadır [8][9]. Benzer biçimde, Arduino setleri açık kaynak felsefesini hem yazılım hem donanım bilgilerini kapsayacak şekilde benimsemiş bir platformdur ve Creative Commons ile lisanslanmıştır [10]. Böylece, Arduino elektronik uygulama geliştirme platformuna ilişkin baskı devre kartlarından, CAD çizimlerine ve örnek uygulamalara kadar her şey internet üzerinden paylaşılmaktadır. Bugün kullanıcılar, elindeki bu teknik dokümanlardan yararlanarak kendi Arduino kartını talepleri doğrultusunda geliştirebilmektedir. Belirtmek gerekir ki, günümüzde açık kaynak felsefesini benimsemiş ARM mikroişlemci mimarisini kullanan çeşitli geliştirme platformları da bulunmaktadır. Bunlardan bazıları IOIO, Mbed, Beaglebone olarak sayılabilir. Bu kartların daha çok mobil uygulamalar için tercih edildiği söylenebilir. 14

3 4. ARDUINO İLE PROGRAMLAMA VE UYGU- LAMA GELİŞTİRME Arduino ile uygulama geliştirmek için öncelikle yapılacak uygulamaya uygun Arduino kart seçilmelidir. Genellikle başlangıç için Arduino Uno tercih edilmekle birlikte Leonardo, Due, Yûn, Tre, Micro, Esplora, Mega, Ethernet, Mini, Nano, Lilypad, Pro Mini, Fio modelleri de bulunmaktadır. kontrol uygulaması için motor eklentisini; kablosuz haberleşme için Xbee kablosuz haberleşme kart eklentisi kullanılabilir ya da geliştirici bu kartları kendi isteğine göre tasarlayabilir. Mikroişlemci ve mikrodenetleyicilere ilişkin teknik eğitim sırasında maliyet konusu ile birlikte kullanılan kartların modülerliği de önem taşımaktadır. Arduino kartları sayesinde öğrenciler, geliştirme kartları ve istedikleri eklentileri kullanarak donanımsal ihtiyaçlarını karşılayabilmektedir. Bu eklentiler (adları shield olarak geçmektedir) ethernet, motor kontrol, bluetooth, GPS vb. ihtiyaçlara cevap verebilmektedir. Örneğin; Bir internet ara yüzü barındıran ev otomasyonu uygulaması için geliştirme kartıyla birlikte kullanılacak ethernet kart eklentisi gerekmektedir. Şekil 2 Arduino Uno Giriş-Çıkışları. Şekil 1. Arduino Uno Ön Yüz ve Arka Yüz Arduino Uno, ATmega328 işlemci ile çalışır ve karta bağlanacak 7-12 V arası gerilimi regüle ederek çalışma gerilimi olan 5 V a düşürür. Kartta bulunan 14 dijital giriş çıkış noktasının 6 sı PWM (Pulse Width Modulation ya da Darbe Genişlik Modülasyonu) çıkışı olarak kullanabilir. Ayrıca 10 bit çözünürlüğünde 6 adet analog girişi de bulunmaktadır. Bu özellikleri ve dijital çıkışlarında doğrulukları sayesinde Arduino psikoloji laboratuvarlarında dâhi kullanıma uygun görülmektedir [11]. Arduino geliştirme kartlarına özelliklerine bakılacak olursa [10], tabloda farklı çalışma frekanslarında ve giriş/çıkış sayısında örnekler bulmak mümkündür. Geliştiriciler bu kartlara ihtiyaca göre ek kartlar bağlayabilmektedir. Bu kartlar yine ilgili geliştirme kartına uyumlu olacak şekilde tasarlanmaktadır. Örneğin bir DC motor Arduino kartlarının maliyet avantajı, öncelikle kartları kullanıcının kendisinin geliştirebilmesine imkân vermesinden kaynaklanmaktadır. Böylece, gerçekleştirilmek istenen kart için ilgili parçaların temin edilmesi, elektronik kartın yapılması ve montajı yeterli olmaktadır. Eğer Arduino kartlarının hazır olarak temin edilmesi istenirse, üretimine ilişkin bilgiler herkesin kullanımına açık olduğu için en uygun fiyatlı kartın temin edilmesi iyi bir pazar araştırmasıyla mümkün olacaktır. Arduino kartlarının önemli bir avantajı da elektronik platform ile programlama yazılımı uyumluluğu ve doküman zenginliğidir. Arduino IDE yazılımı sayesinde, elektronik platformda çalıştırılacak kodlar yazılabilmektedir. Yazılan kodlar aynı program sayesinde derlenip, genellikle USB haberleşme kanalıyla elektronik platforma aktarılıp kullanılmaya hazır hale getirilmektedir. Yapılan bir çalışmada, laboratuvar kitleriyle ilgili olarak öğrencilerin memnuniyetsizlerinin sebepleri olarak yazılım uyumsuzluğu ve doküman eksikliği belirtilmiştir [12]. Bu bağlamda, Arduino platformlarının açık kaynaklı olması, zengin dokümantasyona ve örnek uygulamalara erişimi 15

4 sağlayarak bu memnuniyetsizliklerin önüne geçmiştir. 5. ÖRNEK UYGULAMA Arduino kartlarıyla geliştirilmiş uygulamalara ulaşmanın kolaylığından ve zenginliğinden bahsedilmişti. Bu kısımda Arduino geliştirme kartları kullanılarak elektrikli köprülü bir vincin kablosuz olarak kontrol aşamaları aktarılmaktadır. a. Elektrikli Vinçler Bilindiği gibi endüstriyel uygulamalar sırasında elektrikli vinçler, yoğun bir şekilde kullanılmaktadır. Elektrikli vinçler, sanayide farklı tiplerde kullanılmaktadır: Kule vinçleri, portal vinçler, köprülü vinçler, pergel vinçler, yük asansörleri bunlardan bazılarıdır. Vinçler genellikle bir operatör ya da kumanda yardımıyla kullanılmaktadır. Kullanılan kumanda uygulamaları, gün geçtikçe iş güvenliği koşullarını iyileştirmek ve operasyon sırasında esneklik sağlamak amacıyla klasik kontrolcü yapılarından uzaklaşmaktadır. Bu amaçla yapılan kablosuz kontrol uygulamaları günümüzde yaygın uygulamalardan biridir. Elektrikli vinç uygulamalarında genellikle elektriksel olarak kontrol edilen 3 adet motor grubu yer almaktadır. Bunlardan ilki, köprü üzerinde hareket edebilen kaldırıcı grup motorudur. Genellikle kendinden frenlidir ve en yüksek güce sahip motordur, uygulamada kaldırılacak yük aralığına göre gücü değişebilmektedir. Diğer motorlar ise kaldırıcı grubun köprü üzerinde hareketini sağlayan motorlardır ve nispeten düşük güçtedirler. Endüstri uygulamalarında doğrudan yol vermeli sistemler kullanıldığı gibi son yıllarda hız kontrollü sürücülü sistemler de yaygınlaşmıştır. İleri otomasyon uygulamalarında da tork kontrolü, yük kontrolü, salınım kontrolü gibi ek özellikler de eklenmiştir. a. Uygulama Arduino geliştirme kartları ile yapılan uygulamada, vincin kontrolü için gerekli kumanda sinyalleri Xbee haberleşme birimi ile kablosuz olarak kontrol kısmına taşınmıştır. Taşınan sinyaller, Arduino Mega kartında geliştirilen yazılımda yorumlanmıştır. Sonrasında, sırasıyla röle kartı ve kontaktör bağlantıları ile ilgili çıkışların elektriksel durumu kontrol edilmiştir. Aşağıdaki şema uygulama kurgusuna ilişkin bir şemadır. Şekil 4 Uygulama İlişkin Şema i. Xbee Haberleşmesi Xbee modülleri, kablosuz haberleşmeyi gerçekleştirmek için IEEE standartlarında üretilen bir haberleşme modülüdür. Kullanıcılara sunduğu maliyet avantajı, kullanım esnekliği, uzun pil ömrü ve küçük boyutlarıyla birçok alanda tercih edilmektedir. Piyasaya çıktığından beri kendine çeşitli kullanım alanları bulmaktadır [13]: Bina ve ev otomasyon sistemlerinde; havalandırma, iklimlendirme, aydınlatma cihazları Güvenlik sistemlerinde; gaz, yangın vb. detektör sistemleri Sağlık sektöründe hasta takip sistemlerinde; kan basıncı, nabız, tansiyon takibi Geniş tarım arazilerinde çevresel faktörlerin takibi Üretim kontrolünde kullanılan sensör sistemlerinde Gerçekleştirilen uygulama için de Xbee modülleri kullanılmıştır. Şekil 3 Köprülü Bir Vincin Yapısı ve Elektrik Motorları Şekil 5 Bir Xbee Modülü (A Xbee Module) 16

5 Modüllerin her biri X-CTU programıyla aşağıdaki parametrelere göre konfigüre edildiğinde Xbee modüllerinin bulunduğu iki platform birbiriyle sorunsuz bir şekilde haberleşmektedir. Tablo 3. X-CTU Programında Girilen Parametreler Şekil 7 Ana Kontrol Birimi Akış Diyagramı ii. Uygulama Yazılımları Uygulama gerçekleştirilmesinde Arduino Mega ve Arduino Fio seçilmiştir. Arduino Mega seçilmesinin nedeni, uygulamanın modüler ve geliştirilebilir olması için giriş/çıkış ve haberleşme kapasitesi yüksek bir mikrodenetleyici ihtiyacıdır. Arduino Fio ise Xbee haberleşme birimiyle uyumlu çalışan ve az yer kaplayan bir Arduino versiyonu olduğu için tercih edilmiştir. Bu iki Arduino platformu için 2 farklı yazılım geliştirilmiştir. Yazılımlara ilişkin akış şemaları aşağıda yer almaktadır: Akış şemaları verilen uygulama yazılımlarından ilki kumanda yazılımına aittir. Bu yazılımda mikrokontrolcü, genelde uyku modunda hazırda beklemektedir. Kumanda kesme sinyalleri ile aktif hale getirildiğinde öncelikle acil durdurma butonu olmak üzere butonların konumları taranır ve gönderilecek değişkene kaydedilir. Ana kontrol birimine gönderilecek değişken son haline getirildikten sonra gönderme işlemi uygun hızda gerçekleştirilir. Daha sonra mikrokontrolcü butonların konumunda değişiklik olması durumunda tekrar değişkeni gönderme yoluna gidecektir. Ana kontrol birimindeki yazılım ise, gelen verilerin mümkün olduğu kadar çabuk bir şekilde çıkışa aktarılması için sade tutulmuştur. Dolayısıyla bu kısımda, gelen veriler ayrıştırılır ve ilgili çıkışlar aktif edilir. Uygulamaya ilişkin bir fotoğraf aşağıda yer almaktadır. Şekil 6 Kumanda Yazılımı Akış Diyagramı Şekil 8 Ana Kontrol Birimi 6. SONUÇLAR Çalışmada, Arduino setlerinin mevcut mikrodenetleyici dersleri için uygun seçeneklerden biri olduğu ortaya çıkmıştır. John Sarik ve Ioannis Kymissis in yaptıkları çalışmada aktardıklarına göre de, öğrencilerin Arduino setlerine 17

6 ilişkin geri-bildirimlerinin olumlu yönde olduğu ve ortaya çıkan projelerin kalitesinin geçmişe oranla yükseldiği görülmüştür [14]. Bunu elde etmede Arduino setlerinin ucuzluğu, modülerliği, doküman zenginliği, açık kaynaklı oluşu önemlidir. İleri bir uygulama olarak paylaşılan köprülü vinç kablosuz kontrol uygulaması, Arduino setleri ile endüstriyel gelişmeye de açık çalışmalar yapılabileceğini göstermektedir. Bu çalışma ile, literatüre mikrodenetleyici eğitiminde alternatif bir seçenek olarak Arduino setlerine ilişkin bilgiler sunulmuştur. Üniversitelerde yürütülen mikrodenetleyici derslerinde bu setlerin kullanımının yaygınlaşması gereği vurgulanmıştır. [11] D Aysilio A., (2011) Arduino: A Lowcost Multipurpose Lab Equipment, Psychonomic Society. [12] Durfee W., Li P., Waletzsko D., (2005) At Home System and Controls Laboratories, ASEE Annual Conference & Exposition. [13] ZigBee Alliance, FAQs, [Online], Available: [2 June 2014]. [14] Sarik J., Kymissis I., (2010) Lab Kits Using Arduino Prototyping Platform, ASEE/ IEEE Frontiers in Education Conference. KAYNAKLAR [1] Ersoy H, Madran R.O., Gülbahar Y. (2011) Programlama Dilleri Öğretimine Bir Model Önerisi: Robot Programlama, Akademik Bilişim Konferansı Bildirileri. Malatya. [2] Betker, Michael R., Fernando, John S., and Whalen Shaun P., (1997) The History of The Microprocessor, Bell Labs Technical Journal, vol. 2, no.4, pp.29-56, Autumn. [3] Gümüşkaya, H, (2002) Mikroişlemciler ve 8051 Ailesi, Alfa Yayınları. [4] Intel, (1995), Catalog, [Online], Available: intel/80x1bh_87c51_ds.pdf [1 June 2014]. [5] Freescale, (2005), Catalog, [Online], Available: [1 June 2014]. [6] Morton, J., (2001) PIC Your Personal Introductory Course, Newnes Second Edition, Burlington, USA. [7] Stallman R., Başlangıç Duyurusu, [Online], Available: [1 June 2014]. [8] Açık Kaynaklı Ekoloji, [Online], Available: [1 June 2014]. [9] Sintel Kısa Film Projesi, [Online], Available: [2 June 2014]. [10] Arduino Web Sitesi, [Online], Available: [2 June 2014]. 18