Statie Meteo cu Navigatie - Degeratu Razvan-Andrei

Proiectul reprezinta o statie meteorologica autonoma, capabila sa monitorizeze in timp real temperatura, umiditatea si presiunea atmosferica din mediul ambiant. Datele sunt prelucrate si afisate local pe un ecran OLED de 0.96' sub doua forme: un ecran de date text si trei ecrane dedicate pentru istoricul grafic al fiecarui parametru, completate de statistici de minim si maxim stocate persistent.

Sistemul utilizeaza un potentiometru analogic pentru navigarea fluida intre ecrane. Schimbarea paginilor este gestionata in fundal prin intreruperi hardware. Codul este scris integral in C pentru microcontrolerul ATmega328P, lucrand direct la nivel de registri hardware, fara a apela la biblioteci high-level din ecosistemul Arduino.

Ideea de pornire: Dorinta de a dezvolta un sistem de telemetrie compact si independent, care nu doar afiseaza valori instantanee, ci construiește un istoric vizual direct pe un ecran de rezolutie mica. Prin eliminarea comunicatiei UART, statia devine un dispozitiv portabil prin conectarea la o baterie de 9V, capabil sa retina istoricul climatic chiar si dupa intreruperea alimentarii.

Utilitate: Monitorizarea microclimatului ambiental cu un grad ridicat de precizie si analizarea tendintelor meteorologice pe termen scurt prin intermediul graficelor cu axe si grid renderizate bitwise.

Cred că scrierea codului exclusiv la nivel de regiștri, fără utilizarea bibliotecilor de nivel înalt, va îmbunătăți semnificativ performanța, va reduce dramatic amprenta de memorie SRAM și va asigura fluiditatea afișării pe ecranul OLED (refresh rate stabil), deoarece elimină overhead-ul funcțiilor din biblioteci și permite actualizarea asincronă a ecranului și citirea senzorilor direct în bucla principală, cu temporizare hardware.

Sistemul este organizat in jurul microcontrolerului ATmega328P, care gestioneaza perifericele in mod concurent:

• Microcontrolerul (Master): Gestioneaza citirea senzorilor, logica de stocare si generarea semnalelor video. Foloseste un Timer hardware pe post de ceas de sistem pentru a esantiona datele de control fara a bloca procesarea grafica.
• Modul BME280 (I2C Slave 1): Preia schimbarile fizice de temperatura, presiune si umiditate si le transmite digital prin protocolul I2C.
• Display OLED SSD1306 (I2C Slave 2): Afiseaza ecranele de text, structura grid-ului si graficele de evolutie pe baza comenzilor si datelor transmise de Master.
• Interfata de Control (Potentiometru): Genereaza o tensiune variabila (0-5V) citita de modulul ADC intern al microcontrolerului, mapata direct pe indexul ecranului selectat.

BOM (Bill Of Materials):

• Placa de dezvoltare Arduino Uno (microcontroler ATmega328P) - 1 buc.
• Senzor de mediu BME280 (Temperatura, Umiditate, Presiune) - 1 buc.
• Display OLED 0.96” I2C (SSD1306) - 1 buc.
• Potentiometru liniar (10k Ω) pentru navigare - 1 buc.
• Breadboard (Placa de teste) - 1 buc.
• Fire de conexiune (Jumper wires) - 1 set.

Schema Electrica (Conexiuni principale): Toate perifericele digitale impart aceeasi magistrala I2C, conectate in paralel la pinii hardware dedicati ai portului C:

• BME280 & OLED: Pinii VCC se alimenteaza corespunzator, GND merge la masa comuna, SDA se conecteaza la pinul A4 (PC4 / TWI Data), iar SCL la pinul A5 (PC5 / TWI Clock).
• Potentiometru (Navigatie): Pinii de margine sunt conectati la 5V si GND pentru a crea divizorul de tensiune, iar pinul central (Wiper) este conectat la intrarea analogica A0 (PC0 / ADC Channel 0).

Schema electrica Videoclip demonstrativ https://www.youtube.com/watch?v=PE-LNIbtaL8

• Mediu de dezvoltare: VS Code cu extensia PlatformIO (compilator avr-gcc).
• Abordare “Bare-Metal”: Nu se folosesc biblioteci externe. Toate protocoalele si driverele de periferic sunt scrise prin manipulare de registri.
• Concepte si algoritmi din laboratoare:
  • Laboratorul 2 (Intreruperi): Implementarea unei rutine de serviciu a intreruperii (ISR) atasata Timer-ului 1. Navigatia sistemului nu ruleaza secvential, ci asincron, asigurand fluiditatea tranzitiei ecranelor.
  • Laboratorul 3 (Timere): Configurarea Timer1 in modul CTC cu un prescaler de 1024 si prag setat in OCR1A. Asigura ticaitul hardware precis la fiecare 100ms pentru esantionarea interfetei, decuplat de restul codului.
  • Laboratorul 4 (ADC): Configurarea registrului ADMUX (referinta AVCC) si ADCSRA. Conversia este declansata regulat pentru a citi pozitia potentiometrului de navigare.
  • Laboratorul 6 (I2C): Initializarea modulului TWI la o frecventa de 100kHz, gestionand secventele de START, STOP, Write si Read cu ACK/NACK pentru display si senzorul BME280.
  • Memoria EEPROM: Utilizarea registrelor EEAR, EEDR si EECR pentru a salva persistent istoricele absolute de Max/Min ale statiei.

• Randare Grafica fara Framebuffer: In mod normal, ecranele OLED folosesc un buffer de 1024 bytes in RAM (jumatate din SRAM-ul ATmega328P). Proiectul implementeaza calcularea si afisarea grid-ului grafic strict matematic, trimitand octetii direct pe I2C fara stocare intermediara, optimizand memoria RAM.
• Resetare Hardware din Software (EEPROM Wipe): Am implementat o functie ascunsa de curatare a istoricului vechi. Daca utilizatorul tine potentiometrul rotit complet la dreapta (valoare ADC > 1010) continuu timp de 10 secunde, se declanseaza automat o rutina ce suprascrie zona de memorie EEPROM alocata cu valoarea `0xFF` si reseteaza statisticile, cu un mesaj de feedback vizual (“RECORDS RESET!”).

Metrici de performanță stabilite și îndeplinite:

1. **Amprenta de memorie:** Obiectiv: sub 20% ocupare RAM. Prin scrierea la nivel de registre și renunțarea la framebuffer, utilizarea SRAM a scăzut drastic, lăsând spațiu liber pentru array-urile istorice.
2. **Timpul de răspuns al interfeței:** Obiectiv: <100ms lag. Măsurat prin setarea Timer1 să eșantioneze potențiometrul la 10Hz. Sistemul reacționează instant la rotirea potențiometrului.
3. **Refresh Rate Stabil:** Menținerea unei bucle principale care redesenează ecranele grafice la ~20 FPS (asigurat prin `_delay_ms(50)`).

Profilarea Codului: Evaluarea codului s-a realizat prin testare unitară. Inițial, am validat transmisia I2C izolată către OLED trimițând octeți individuali din datasheet-ul SSD1306. Apoi am integrat rutinele complexe (formulele de calibrare Bosch pentru BME280 pe int32_t). Corectitudinea memoriei a fost validată prin întreruperea repetată a alimentării și verificarea citirii corecte din registrele EEPROM la repornire. Siguranța execuției a fost testată rulând stația non-stop timp de >12h.

Munca a fost planificată modular, de la hardware spre software.

• Săptămâna 1: Documentare documentații (Datasheets BME280, SSD1306), achiziție piese, realizarea schemei electrice de bază.
• Săptămâna 2: Implementarea rutinei I2C pe baza laboratorului 6 și testarea conexiunii (ACK) cu ambele slave-uri de pe magistrală.
• Săptămâna 3: Extragerea parametrilor de calibrare BME280 din ROM-ul senzorului. Setarea Timer-ului 1 și a ADC-ului pentru potențiometru.
• Săptămâna 4: Dezvoltarea algoritmului de randare grafică fără framebuffer și logică de stocare Max/Min în registrele EEPROM.
• Săptămâna 5: Implementarea secvenței de Reset EEPROM, asamblarea finală a componentelor și redactarea documentației Wiki.

Am obtinut un sistem embedded complet, portabil si stabil. Potentiometrul permite selectarea a 5 ecrane distincte. Ecranele de grafica randeaza corect evolutia climatului, iar sistemul afiseaza permanent extremele inregistrate, fara artefacte vizuale, cu un consum minim de memorie si o implementare hardware curată, fără fire expuse haotic.

Scrierea codului la nivel de registru a evidentiat avantajele optimizarii de spatiu si viteza specifice programarii low-level. Integrarea timerelor si a intreruperilor a permis decuplarea logicii de afisare de cea de achizitie. Sistemul rezultat confirma pe deplin ipoteza initiala, este robust, retine datele critic-istorice in mod nevolatil si reprezinta o aplicatie practica excelenta a conceptelor studiate.

• Codul sursă complet al proiectului: Repository GitHub

• Datasheet ATmega328P (Microchip).
• Datasheet Senzor BME280 (Bosch Sensortec).
• Datasheet Display OLED SSD1306 (Solomon Systech).
• Suport de Laborator PM 2026: Lab 2 (Intreruperi), Lab 3 (Timere), Lab 4 (ADC), Lab 6 (I2C).