Show page

Differences

This shows you the differences between two versions of the page.

--- pm:prj2026:ciprian.popescu0411:stefan.stoica2012 [2026/05/18 14:42]
127.0.0.1 external edit
+++ pm:prj2026:ciprian.popescu0411:stefan.stoica2012 [2026/05/25 22:05] (current)
stefan.stoica2012 [Download]
@@ Line 86: / Line 86: @@
 ===== Software Design =====
+==== Mediu de dezvoltare ====
-<note tip>
+Firmware-ul este scris în C++ și dezvoltat în **Arduino IDE 2.x**, ales pentru compatibilitatea directă cu ecosistemul de biblioteci AVR și pentru integrarea nativă a compilatorului avr-gcc. Scriptul Python rulează în **Python 3** și este independent de platformă (Windows/Linux/macOS).
-Descrierea codului aplicaţiei (firmware):
-  * mediu de dezvoltare (if any) (e.g. AVR Studio, CodeVisionAVR)
+==== Stadiul actual al implementării ====
-  * librării şi surse 3rd-party (e.g. Procyon AVRlib)
-  * algoritmi şi structuri pe care plănuiţi să le implementaţi
+Firmware-ul pentru ATmega328P este complet funcțional și implementat integral în fișierul ''dashboard.ino''. Codul acoperă toate funcționalitățile descrise în arhitectură: comunicarea UART master-slave cu scriptul Python, achiziția de date de la cei trei senzori locali, controlul celor patru servomotoare cu interpolare liniară, gestionarea benzii LED WS2812B cu tranziții de culoare și luminozitate adaptivă, mașina de stări cu trei moduri și detectarea hardware a apăsării butonului prin întrerupere externă INT1.
-  * (etapa 3) surse şi funcţii implementate
-</note>
+Pe latura PC-ului, scriptul ''pc_listener.py'' este de asemenea finalizat. El rulează în Python 3 și folosește bibliotecile ''pyserial'', ''psutil'' și ''GPUtil'' pentru a citi temperatura CPU, gradul de utilizare CPU și GPU și nivelul bateriei, transmițând valorile brute la cererea plăcuței.
+==== Biblioteci și surse third-party ====
+^ Bibliotecă ^ Rol ^ Motivație ^
+| **Servo.h** (Arduino built-in) | Controlul celor 4 servomotoare SG90 | Utilizează Timer1 intern și generează semnale PWM de 20ms cu rezoluție în microsecunde pe orice pin digital, fără a ocupa un pin hardware PWM specific. Permite ''detach()'' pentru a opri semnalul și a elimina curentul de ținere — esențial pentru protejarea modulului MB102. |
+| **Wire.h** (Arduino built-in) | Comunicare I2C cu BMP280 | Abstractizează hardware-ul TWI al ATmega328P (registrele TWCR, TWDR, TWAR). Întrucât BMP280 este singurul dispozitiv I2C din sistem, nu există conflicte de magistrală. |
+| **Adafruit_BMP280** | Driver senzor presiune/temperatură | Oferă acces direct la registrele de configurare ale BMP280 (oversampling, filtru IIR, mod standby), permițând configurarea precisă a calității și vitezei de achiziție, lucru imposibil printr-un driver generic. |
+| **DHT.h** | Driver senzor DHT11 | Implementează protocolul proprietar single-bus cu timing precis (semnale de 18ms / 40µs), greu de reprodus manual fără a bloca CPU-ul. Tratează și erorile de citire returnând ''NaN''. |
+| **Adafruit_NeoPixel** | Control bandă WS2812B | Implementează protocolul de comunicare 800kHz al WS2812B prin bit-banging optimizat în assembly inline, singura metodă practică pentru acest protocol pe AVR. Oferă control per-pixel al culorii RGB și al luminozității globale. |
+| **psutil** (Python) | Date sistem PC | Bibliotecă cross-platform pentru temperatura CPU, utilizarea procesoarelor și starea bateriei, fără a necesita drepturi de administrator. |
+| **GPUtil** (Python) | Date GPU | Interogare simplă a driver-ului NVIDIA pentru gradul de utilizare GPU. |
+| **pyserial** (Python) | Comunicare UART cu plăcuța | Standard de facto pentru comunicarea serială în Python, cu suport pentru timeout și buffer de recepție. |
+Periferialele **UART, ADC și întreruperile externe** au fost inițializate direct prin **registre AVR** (''UCSR0B'', ''ADMUX'', ''ADCSRA'', ''EICRA'', ''EIMSK'') fără biblioteci intermediare, conform cerințelor din laboratoarele 1, 2 și 4.
+==== Elementul de noutate ====
+Noutatea principală constă în **fuziunea a două domenii de monitorizare distincte într-un singur instrument fizic cu feedback analogic**. Spre deosebire de aplicațiile software de tip Task Manager, acest sistem oferă informație periferică, non-intruzivă — datele sunt vizibile din colțul câmpului vizual, fără a întrerupe fluxul de lucru.
+Al doilea element de noutate este **Wellness Index-ul calculat local pe microcontroler**, care corelează matematic confortul termic, umiditatea și presiunea atmosferică într-un scor unificat de 0–100, afișat în timp real pe un cadran fizic și reflectat cromatic pe banda LED. Indicele este calculat integral pe placă printr-un algoritm ponderat (temperatură 40%, umiditate 40%, presiune 20%), cu parametrii de confort optim conform standardelor de ergonomie termică (22°C, 50% RH, 1013.25 hPa):
+<code cpp>
+float calcWellness(float t, float h, float p) {
+    float ts = 100.0f - constrain(fabsf(t - 22.0f)   *  8.0f, 0.0f, 100.0f);
+    float hs = 100.0f - constrain(fabsf(h - 50.0f)   *  2.0f, 0.0f, 100.0f);
+    float ps = 100.0f - constrain(fabsf(p - 1013.25f)*  0.4f, 0.0f, 100.0f);
+    return ts * 0.40f + hs * 0.40f + ps * 0.20f;
+}
+</code>
+Al treilea element notabil este **arhitectura de protecție a consumului de curent**: servomotoarele se mișcă strict secvențial, semnalul PWM este oprit după fiecare mișcare prin ''detach()'', banda LED rulează la 21% din luminozitatea maximă și se reduce automat la întuneric — toate prin mecanisme software, fără nicio componentă hardware suplimentară.
+==== Justificarea utilizării funcționalităților din laborator ====
+**Laboratorul 0 — GPIO**\\
+Pinii PD2 (DHT11) și PD3 (buton) sunt configurați ca intrări digitale. Pull-up-ul intern al butonului este activat prin ''pinMode(PIN_BTN, INPUT_PULLUP)'', evitând rezistența externă. Pinul PD6 (WS2812B) este ieșire digitală controlată de biblioteca NeoPixel. GPIO reprezintă baza pe care se construiesc toate celelalte funcționalități ale sistemului.
+**Laboratorul 1 — UART**\\
+Comunicarea cu PC-ul este implementată prin registrele hardware USART0: ''UBRR0H/L'' pentru baud rate (103 la 9600 baud, eroare <0.2%), ''UCSR0B'' pentru activarea TX, RX și a întreruperii de recepție, ''UCSR0C'' pentru formatul cadrului (8N1). Recepția este complet asincronă prin ''ISR(USART_RX_vect)'', care acumulează caracterele într-un buffer până la delimitatorul ''\n''. UART este interfața prin care plăcuța devine master într-un sistem distribuit cu PC-ul ca slave.
+**Laboratorul 2 — Întreruperi**\\
+Butonul de schimbare a modului folosește **INT1 pe PD3** (ales față de INT0/PD2 care era ocupat de DHT11). Întreruperea este configurată pe front descendent (''ISC11=1, ISC10=0'' în ''EICRA'') și activată prin ''EIMSK |= _BV(INT1)''. ''ISR(INT1_vect)'' setează un flag ''volatile bool btnEv'' cu debouncing software de 200ms. Flagul este procesat în ''loop()'', nu în ISR, păstrând handler-ul scurt. Recepția UART folosește de asemenea o ISR dedicată (''USART_RX_vect''). Fără întreruperi, detectarea butonului ar bloca bucla principală prin polling.
+**Laboratorul 3 — Timere / PWM**\\
+Biblioteca ''Servo.h'' utilizează Timer1 al ATmega328P pentru semnale PWM cu perioadă de 20ms și lățimea impulsului între 544µs (0°) și 2400µs (180°). Algoritmul de **interpolare liniară** avansează unghiul curent cu 1° la fiecare 18ms, rezultând ~55°/secundă — mișcare naturală de indicator analogic. ''servoTick()'' procesează strict un singur servo per iterație, garantând că niciodată doi servo nu sunt activi simultan.
+**Laboratorul 4 — ADC**\\
+Senzorul KY-018 este citit pe canalul ADC0 (PC0) prin registrele ''ADMUX'' și ''ADCSRA'' direct. Referința este AVCC (5V), prescalerul /128 → Fadc = 125kHz (intervalul optim 10-bit conform datasheet ATmega328P). Valoarea brută 0–1023 scalează dinamic luminozitatea benzii LED între ''LED_MIN_BR'' (8) și ''LED_MAX_BR'' (55).
+**Laboratorul 6 — I2C / TWI**\\
+Senzorul BMP280 comunică pe magistrala I2C hardware (TWI), pe pinii PC4 (SDA) și PC5 (SCL). Adresa I2C este auto-detectată la startup (0x76 sau 0x77). BMP280 este configurat cu oversampling x16 pe presiune, filtru IIR de coeficient 16 și mod NORMAL cu standby de 500ms pentru stabilitate maximă a citirilor.
+==== Scheletul proiectului și interacțiunea dintre funcționalități ====
+Firmware-ul este organizat ca un **cooperative multitasking loop** fără RTOS, bazat pe timestamp-uri și mașini de stare. ''loop()'' nu conține niciun ''delay()'' — fiecare funcție verifică dacă intervalul său a expirat și returnează imediat dacă nu.
+<code>
+setup()
+  ├── uartInit()      → USART0: 9600 baud, 8N1, RXCIE enabled (registre directe)
+  ├── adcInit()       → ADC0: AVCC ref, prescaler /128 (registre directe)
+  ├── btnInit()       → INT1 pe PD3, front descendent (EICRA/EIMSK directe)
+  ├── sei()           → activare întreruperi globale
+  ├── Wire + BMP280   → I2C init, oversampling x16, filtru IIR x16
+  ├── DHT.begin()     → GPIO PD2, delay 1200ms pentru stabilizare DHT11
+  ├── servoInit()     → Timer1, toate acele la SRV_MIN=12°, detach
+  ├── NeoPixel init   → PD6, animație startup albastru
+  ├── readAmbient()   → prima citire senzori înainte de loop
+  └── uartStr("READY\n") → semnal de pornire către Python
+loop() [non-blocking, ~1-2ms per iterație]
+  ├── [1] UART rx     → rxReady? → copie atomică → parsePcResp() → servoSet()
+  ├── [2] Buton       → btnEv?   → schimbare sysMode → applyMode()
+  ├── [3] Timeout PC  → >8s fără răspuns → MODE_STANDBY
+  ├── [4] Scheduler   → round-robin CPU_TEMP/CPU_USAGE/GPU_USAGE + baterie 60s
+  ├── [5] Ambient     → la 5s → readAmbient() → calcWellness() → servoSet()
+  ├── [6] servoTick() → 1 pas/iterație, 1 servo activ, 18ms/pas, detach la final
+  └── [7] ledTick()   → la 80ms → lerp culoare, dimming ADC, leds.show()
+</code>
+**Mașina de stări** are trei moduri cu tranziții clare:
+^ Tranziție ^ Condiție ^
+| ''MODE_PC'' → ''MODE_WELLNESS'' | apăsare buton |
+| ''MODE_WELLNESS'' → ''MODE_PC'' | apăsare buton |
+| oricare → ''MODE_STANDBY'' | timeout >8s fără răspuns PC |
+| ''MODE_STANDBY'' → ''MODE_PC'' | apăsare buton (resetează timestamp conexiune) |
+**Maparea cadranelor per mod:**
+^ Cadran ^ Mod PC ^ Mod Wellness ^
+| Stânga Sus (D7) | Temperatură CPU (30–100°C) | Temperatură ambientală (15–40°C) |
+| Dreapta Sus (D8) | Utilizare CPU (0–100%) | Umiditate (20–90%) |
+| Stânga Jos (D9) | Utilizare GPU (0–100%) | Presiune atmosferică (980–1040 hPa) |
+| Dreapta Jos (D10) | Nivel baterie (0–100%) | Wellness Index (0–100) |
+**Fluxul de date** cu filtrare prin prag la fiecare etapă:
+<code>
+[Python psutil] ──UART──> ISR(USART_RX_vect) → buffer
+                               ↓ rxReady=true
+                           parsePcResp() → |Δval| ≥ THR?
+                               ↓ DA
+                           PCData struct → sysMode==PC?
+                               ↓ DA
+                           servoSet() → |Δangle| ≥ 2°?
+                               ↓ DA
+                           sv[i].tgt = angle
+                               ↓
+                           servoTick() [1°/18ms, secvențial]
+                               ↓
+                           SG90 mișcare fizică
+[DHT11 + BMP280] ──5s──> readAmbient() → |Δval| ≥ THR?
+                               ↓ DA
+                           AmbData → calcWellness()
+                               ↓
+                           servoSet() + ledTick() [culoare wellness]
+</code>
+==== Calibrarea elementelor de senzoristica ====
+**KY-018 (senzor lumină — ADC)**\\
+Senzorul este folosit relativ (dimming LED), nu ca măsurătoare fizică absolută. Valorile brute ADC (0–1023) sunt normalizate la [0.0, 1.0] prin formula ''1.0 - ADC/1023.0'' (inversie: rezistența fotorezistorului scade la lumină → tensiunea ADC crește → valoarea normalizată scade). Verificat acoperind senzorul (ADC ≈ 1020, ''lightLevel()'' ≈ 0.0) și expunând la lumina directă (ADC ≈ 60, ''lightLevel()'' ≈ 0.94).
+**DHT11 (temperatură și umiditate)**\\
+DHT11 are precizia specificată de ±2°C și ±5% RH. Pragurile de mișcare ale servo-ului (''THR_AMB_TEMP = 0.5°C'', ''THR_HUMIDITY = 1.5%'') sunt sub precizia senzorului — compromis acceptat pentru acest tip de senzor. ''dht.begin()'' este urmat de ''delay(1200)'' obligatoriu (stabilizare internă DHT11). Citirile ''NaN'' sunt ignorate explicit prin ''if (isnan(nt) || isnan(nh)) return''.
+**BMP280 (presiune atmosferică)**\\
+Configurat cu filtru IIR coeficient 16 și oversampling x16 → zgomot redus la ±0.12 hPa conform datasheet Bosch. Referința wellness index (1013.25 hPa) este presiunea standard la nivelul mării. Pragul ''THR_PRESSURE = 0.8 hPa'' este ales ușor deasupra zgomotului senzorului, astfel variațiile reale (fronturi atmosferice) sunt detectate dar zgomotul filtrat.
+**Servomotoare SG90**\\
+''SRV_MIN = 12°'' și ''SRV_MAX = 168°'' sunt reduse față de limitele fizice (0°–180°) pentru a evita forțarea mecanică la capete. Valorile au fost determinate empiric prin ''servo.write()'' manual și observarea vibrației la capete. Funcția ''angleFrom()'' realizează interpolare liniară între domeniul parametrului și domeniul angular [12°, 168°].
+==== Optimizări ====
+**1. Mișcare secvențială a servo-urilor**\\
+//Problemă//: Patru SG90 simultane consumă până la 4×250mA = 1A în stall, depășind MB102 și provocând reset-uri ale microcontrolerului.\\
+//Soluție//: ''servoTick()'' procesează strict un singur servo per apel — primul cu ''moving=true''. Instrucțiunea ''return'' la finalul blocului activ previne activarea celorlalți.
+**2. Detach după mișcare**\\
+//Problemă//: Un SG90 consumă 6–10mA stând nemișcat cu semnal PWM activ. Patru servo-uri = 24–40mA constant inutil.\\
+//Soluție//: ''sv[i].obj.detach()'' imediat ce ''sv[i].cur == sv[i].tgt''. La noul target, ''attach()'' este apelat automat la începutul mișcării.
+**3. Filtrare prin prag**\\
+//Problemă//: CPU usage fluctuează cu 1–3% între citiri, generând mișcare continuă inutilă a servo-ului.\\
+//Soluție//: Servo actualizat doar dacă ''|valoare_nouă - valoare_curentă| ≥ THR''. Praguri individuale per senzor: ''THR_CPU_USAGE=2%'', ''THR_CPU_TEMP=1.5°C'', ''THR_AMB_TEMP=0.5°C'', ''THR_PRESSURE=0.8hPa''.
+**4. Luminozitate adaptivă LED**\\
+//Problemă//: Banda LED la 100% brightness = 8×60mA = 480mA, depășind masiv MB102.\\
+//Soluție//: ''LED_MAX_BR=55'' (21%) și ''LED_MIN_BR=8'' (~3%) noaptea. Luminozitatea efectivă: ''br = LED_MIN_BR + lightLevel() * (LED_MAX_BR - LED_MIN_BR)'', calculat la fiecare refresh de 80ms din ADC-ul KY-018.
+**5. Tranziții graduale LED**\\
+//Problemă//: Salt brusc de culoare la schimbarea wellness index-ului este vizual neplăcut.\\
+//Soluție//: Culoarea curentă ''ledR, ledG, ledB'' este interpolată liniar spre țintă cu pas 4 unități per refresh (80ms). Tranziție completă verde→roșu ≈ 4.4 secunde. Implementată prin funcția ''lerp8()''.
+**6. Frecvență diferențiată UART**\\
+//Problemă//: Bateria se modifică rar; interogarea la 700ms generează trafic inutil.\\
+//Soluție//: ''pcScheduler()'' implementează două niveluri: CPU Temp/Usage/GPU round-robin la 700ms, bateria o dată la 60s injectată cu prioritate în scheduler.
+**7. Copie atomică buffer UART**\\
+//Problemă//: ''rxBuf[]'' este scris din ISR și citit din ''loop()'' — risc de corupere date.\\
+//Soluție//: Dezactivare temporară ''RXCIE0'' în timpul copierii buffer-ului în ''tmp[]'', urmată de reactivare imediată. Durata dezactivării <1µs, neglijabilă față de perioada unui byte UART (~1ms la 9600 baud).
+==== Demo video ====
+*(de completat după asamblarea fizică finală)*
+Demonstrația video va ilustra:
+  - Pornire sistem — animație startup albastru, ace la zero
+  - Mod PC activ — cadranele afișează CPU Temp, CPU Usage, GPU Usage, Baterie; benchmark CPU pentru mișcare reactivă
+  - Comutare mod Wellness — apăsare buton, reconfigurare cadrane pe factori ambientali
+  - Simulare condiții nefavorabile — aer cald pe DHT11, tranziție LED verde→roșu, rotire ac Wellness Index
+  - Mod Standby — oprire script Python, ace la zero, LED pulsează mov după 8s
 ===== Rezultate Obţinute =====
@@ Line 105: / Line 279: @@
 ===== Download =====
-<note warning>
-O arhivă (sau mai multe dacă este cazul) cu fişierele obţinute în urma realizării proiectului: surse, scheme, etc. Un fişier README, un ChangeLog, un script de compilare şi copiere automată pe uC crează întotdeauna o impresie bună ;-).
-Fişierele se încarcă pe wiki folosind facilitatea **Add Images or other files**. Namespace-ul în care se încarcă fişierele este de tipul **:pm:prj20??:c?** sau **:pm:prj20??:c?:nume_student** (dacă este cazul). **Exemplu:** Dumitru Alin, 331CC -> **:pm:prj2009:cc:dumitru_alin**.
+Codul sursa complet este disponibil pe GitHub: [[https://github.com/stefannn24/Dashboard-monitorizare]]
-</note>
 ===== Jurnal =====
@@ Line 117: / Line 289: @@
 /05/2026 - Initializarea paginii si completarea sectiunilor de Introducere si Descriere generala.
 /05/2026 - efectuare comanda piese.
 /05/2026 - realizarea schemei electrice si a schemei de conectare. Intrucat piesele nu au ajuns inca, am simulat cu o bucata scurta de cod functionalitatea servomotoarelor si a benzii led.
-</note>
+/05/2026 - Finalizarea layout-ului pinilor dupa analiza conflictelor hardware:butonul mutat de pe PD2 (ocupat de DHT11) pe PD3, servomotoarele
+realocate pe PD7,PB0,PB1,PB2 banda LED mutata pe PD6.
+/05/2026 - Scrierea firmware-ului si a scriptului
+Python (pc_listener.py). Implementare: protocol UART master-slave, interpolare
+liniara servo, wellness index, tranzitii LED, masina de stari cu 3 moduri,
+optimizari consum curent MB102.
+/05/2026 - Sosirea componentelor fizice. Asamblare pe breadboard conform
+schemei electrice.
+/05/2026 - Testarea individuala a componentelor: validare DHT11, BMP280 pe
+I2C, senzor lumina KY-018 pe ADC, servomotoare cu interpolare, banda LED cu
+tranzitii de culoare. Validare comunicare UART cu scriptul Python.
+/05/2026 - Incident hardware: corupere firmware mEDBG (ATmega32U4)
+cauzata de deconectare brusca USB.</note>