====== Карта офисной активности ======

{{ :projects:activitymap:assembled.jpg?direct&700 }}

===== Что это такое? =====

Сегодня мы разберёмся, как объединить дюжину ардуин в одну сеть и не пуститься по миру. Для выполнения этой сложнейшей задачи мы воспользуемся RS485-шилдами, которые позволяют развернуть сеть типа [[wpru>Шина_(топология_компьютерной_сети) | «общая шина»]]. Главным преимуществом такой сети является дешевизна развёртывания: вам не требуется прокладывать кабели к каждому узлу от маршрутизатора, да и сам этот маршрутизатор не требуется.
===== Что нам понадобится? =====

{{ :projects:activitymap:whats_need.jpg?direct&700 |}}

Ведущее устройство:
  - [[amp>product/arduino-leonardo?utm_source=proj&utm_campaign=activitymap&utm_medium=wiki | Arduino Leonardo]]
  - [[amp>product/arduino-rs485-shield?utm_source=proj&utm_campaign=activitymap&utm_medium=wiki | DF Robot RS485-шилд]]
  - [[amp>product/power-supply-adapter-robiton-tn1000s?utm_source=proj&utm_campaign=activitymap&utm_medium=wiki | Импульсный блок питания]]
  - [[amp>product/usb-cable-micro?utm_source=proj&utm_campaign=activitymap&utm_medium=wiki | Кабель Micro USB]]

Ведомое устройство:
  - [[amp>product/arduino-uno?utm_source=proj&utm_campaign=activitymap&utm_medium=wiki | Arduino Uno]]
  - [[amp>product/arduino-rs485-shield?utm_source=proj&utm_campaign=activitymap&utm_medium=wiki | DFRobot RS485-шилд]]
  - [[amp>product/breadboard-mini?utm_source=proj&utm_campaign=activitymap&utm_medium=wiki | Breadboard Mini]]
  - [[amp>product/wire-mm?utm_source=proj&utm_campaign=activitymap&utm_medium=wiki | Провода «папа-папа»]]
  - [[amp>product/infrared-range-meter-150?utm_source=proj&utm_campaign=activitymap&utm_medium=wiki | Инфракрасный дальномер Sharp (20-150 см)]] × 2 шт

Также для прокладки сети вам потребуется медный провод сечением 0,5–1 мм.
===== Как это собрать? =====

=== Сборка ведущего устройства ===

{{ :projects:activitymap:master-assembled.jpg?direct&700 |}}

  - Установите RS485-шилд на Arduino Leonardo.
  - Подключите импульсный источник питания к Arduino Leonardo.
  - Подключите линии «A» и «B» сети RS485 к клеммнику.
  - Подключите линии «GND» и «VIN» сети RS485 к соответствующим выводам Arduino.
  - Подключите USB-кабелем плату Arduino к ПК.

=== Сборка ведомого устройства ===

{{ :projects:slave-assembled.jpg?direct&700 |}}

  - Установите Troyka-шилд на Arduino Uno.
  - Установите RS485-шилд на Troyka-шилд.
  - Подключите дальномеры к аналоговым тройкам A0 и A1.
  - Подключите линии «A» и «B» сети RS485 к клеммнику.
  - Подключите линии «GND» и «VIN» сети RS485 к соответствующим выводам Arduino.

=== Прокладка сети ===
  - Воспользуйтесь витой парой или скрутите два провода в витую пару при помощи шуруповёрта. {{ :projects:activitymap:do-a-wire.jpg?direct&700 |}}
  - Протяните витую пару так, чтобы от неё до каждого из ваших устройств было расстояние не более 1 м.
  - Соедините каждое устройство с линией. Разрывать её не обязательно. Можно воспользоваться таким способом: {{ :projects:activitymap:connect-wires.jpg?direct&300 |}} В итоге у вас должна получиться приблизительно такая сеть:{{ :projects:activitymap:scheme.png?direct&700 |}}
  - На всех платах установите переключатель выбора режима работы в ручной режим и включите передатчик (переключатель ON/OFF).

===== Исходный код =====

==== Визуализация на Processing ====

<code java activitymap.pde>
// Нам нужна работа с последовательным портом
import processing.serial.*;
Serial port;

// Множитель размеров комнат. Нужен для простого масштабирования размеров
int roomScale = 3;

// Координата начала рисования по X и по Y
int drawStart = 75;

// ширина дверного проёма
int doorwayWidth = 15 * roomScale;

// массив ширин комнат
int[] roomWidth = { 
  130 * roomScale, 60 * roomScale, 25 * roomScale, 85 * roomScale, 130 * roomScale
};
// массив высот комнат
int[] roomHeight = { 
  100 * roomScale, 90 * roomScale, 90 * roomScale, 85 * roomScale, 75 * roomScale
};

// Количество человек в комнате хранится в этом массиве
Integer[] persons = {
  0, 0, 0, 0
};
// У нас три дверных проёма. Текущее состояние каждого проёма
// хранится здесь. 0 - без изменения, 1 - кто-то вышел, 2 - кто-то вошёл
int[] doorwayState = {
  0, 0, 0
};

// Эта функция выполняется один раз при старте скетча
void setup()
{
  // размер окна
  size(800, 700);
  // создаём последовательное соединение с Arduino на 17-м COM-порту
  port = new Serial(this, "COM17", 9600);
  // Данные из COM-порта буферизируются до тех пор, пока не придёт '\n'
  port.bufferUntil('\n');  

  // Координаты текстового поля задаются относительно центра текста
  textAlign(CENTER, CENTER);
  // размер текста
  textSize(50);
}

 // Эта функция вызывается каждый раз, когда пришло время рисовать кадр
 // Аналог loop() в Arduino
void draw()
{
  // Закрашиваем всё окно чёрным цветом
  background(0);

  // Рисуем комнаты
  drawRooms();  
  
}

void drawRooms()
{
  // задаём белый цвет линий
  stroke(255);

  // ширина линий 10 px
  strokeWeight(10);

  // заливка объектов - серая
  fill(150);

  // рисуем прямоугольники комнат
  rect(drawStart, drawStart, roomWidth[0], roomHeight[0]);

  rect(drawStart + roomWidth[0], drawStart, roomWidth[1], roomHeight[1]);

  rect(drawStart + roomWidth[0] + roomWidth[1], drawStart, roomWidth[2], roomHeight[2]);

  rect(drawStart + roomWidth[0], drawStart + roomHeight[1], roomWidth[3], roomHeight[3]);

  rect(drawStart, drawStart + roomHeight[0], roomWidth[4], roomHeight[4]);


  // проверка состояния дверных проёмов в функции checkDoorway()
  // если кто-то прошёл
  if (checkDoorway(0)) {
    //дверной проём будет красным
    stroke(255, 0, 0);
  } else {
    // иначе - тёмно-серым
    stroke(50);
  }

  // рисуем проём 
  line(drawStart + roomWidth[0], 
       drawStart + roomHeight[0] * 0.6, 
       drawStart + roomWidth[0], 
       doorwayWidth + drawStart + roomHeight[0] * 0.6);

  // Далее всё то же самое. 
  // Можно было это сделать в цикле, 
  // но этот код писала торопливая мартышка.
  // Так делать - плохо:)

  if (checkDoorway(1)) {
    stroke(255, 0, 0);
  } else {
    stroke(50);
  }

  line(drawStart + roomWidth[0] + roomWidth[1],
       drawStart + roomHeight[0] * 0.15,
       drawStart + roomWidth[0] + roomWidth[1],
       doorwayWidth + drawStart + roomHeight[0] * 0.15);

  if (checkDoorway(2)) {
    stroke(255, 0, 0);
  } else {
    stroke(50);
  }


  line(drawStart + roomWidth[0] + roomWidth[1] + (roomWidth[2] - doorwayWidth)/2,
       drawStart + roomHeight[2],
       drawStart + roomWidth[0] + roomWidth[1] + doorwayWidth + (roomWidth[2] - doorwayWidth)/2,
       drawStart + roomHeight[2]);

  // Вот здесь цикл должен был закончится :)

  // Рисуем дверные проёмы, которые не снабжены датчиками

  stroke(50);

  line(drawStart + roomWidth[0] + roomWidth[1] + roomWidth[2],
       drawStart + roomHeight[0] * 0.1,
       drawStart + roomWidth[0] + roomWidth[1] + roomWidth[2],
       2 * doorwayWidth + drawStart + roomHeight[0] * 0.1);

  line(drawStart + roomWidth[0],
       drawStart + roomHeight[0] + roomHeight[4] * 0.4,
       drawStart + roomWidth[0],
       doorwayWidth + drawStart + roomHeight[0] + roomHeight[4] * 0.4);

  // В центрах комнат нарисуем количество человек в комнате
  fill(255);

    text(persons[0].toString(), drawStart + roomWidth[0]/2,
         drawStart + roomHeight[0]/2);
    text(persons[1].toString(), drawStart + roomWidth[0]+roomWidth[1]/2,
         drawStart + roomHeight[1]/2);
    
    text(persons[2].toString(), 
         drawStart + roomWidth[0] + roomWidth[1]+roomWidth[2]/2,
         drawStart + roomHeight[2]/2);
         
    text(persons[3].toString(), 
         drawStart + roomWidth[0]+roomWidth[3]/2,
         drawStart + roomHeight[1] + roomWidth[3]/2);
  
}

// Проверка состояния дверного проёма под номером currentDoorway
boolean checkDoorway(int currentDoorway)
{
  // Если никто не проходил - вернём false
  boolean result = false;

  
  switch(doorwayState[currentDoorway]) {
    //Если кто-то вышел из комнаты
  case 1:
    result = true; // состояние изменилось
    // если в комнате было больше 0 человек
    if (persons[currentDoorway] > 0) {
      // отнимем одного человека из этой комнаты
      persons[currentDoorway]--;
    }
      // и добавим его в соседнюю комнату
    persons[currentDoorway+1]++;
      // изменение состояния отработано, запомним это
    doorwayState[currentDoorway] = 0;
    break;
  // Если кто-то вошел в комнату
  case 2:
    result = true; // состояние изменилось
    // если в соседней комнате больше 0 человек
    if (persons[currentDoorway+1] > 0) {
      // отнимем одного человека из соседней комнаты
      persons[currentDoorway+1]--;
    }
      // и добавим в другую комнату
    persons[currentDoorway]++;
      // изменение состояния отработано, запомним это
    doorwayState[currentDoorway] = 0;
    break;
  }  
  // Возвращаем состояние дверного проёма
  return result;
  
}

// Эта функция работает при получении байта из последовательного порта
void serialEvent (Serial port)
{

  try {

    // Читаем данные, пришедшие от Arduino 
    String data = port.readStringUntil('\n');
    
    // формат посылки x:y, где x-номер дверного проёма,
    // y - его статус. Разбиваем строку data на несколько строк, 
    // используя ':' как разделитель
    String[] list = split(data, ':');
    // номер проёма будет содержаться в первой строке. Сразу переводим строку в число
    Integer doorwayNumber = int(list[0]);
    
    // а статус проёма - во второй строке. Сразу переводим строку в число
    // HARDCODE! substring(0, 1) - копирование подстроки размером в 1 символ из строки,
    // начиная с 0-го символа. Просто у торопливой мартышки день не задался...
    Integer state = int(list[1].substring(0, 1));
    
    // Сохраняем состояние дверного проёма
    doorwayState[doorwayNumber] = state;

    // пишем в консоль пришедшую информацию для отладки
    println(data);
    println(list[0]);
    println(list[1]);

  } 
  
  // Если что-то пошло не так
  catch (Exception e) {
    // скорее всего нет связи с Arduino
    println("Connection...");
  }
}

// Освободим последовательный порт при закрытии программы.
void stop() {
  port.clear();
  port.stop();
} 
 
</code>
==== Ведущее устройство ====

<code cpp master.ino>
#define STATE_BEGIN    0
#define STATE_SENDED   1
#define STATE_RECEIVED 2

void setup()
{
    Serial.begin(9600);
    Serial1.begin(1200);

    while (!Serial) ;

    pinMode(2, OUTPUT);
}

int curDev = 0;

int state = STATE_BEGIN;

void loop()
{
    static unsigned long t;
    byte msg[4] = { 0x03, 0x20, 0x00, 0x05 };

    if(state == STATE_BEGIN)
    {
        msg[1] = 0x20 + curDev;

        digitalWrite(2, HIGH);
        Serial1.write((const byte*)msg, 4);
        Serial1.flush();
        digitalWrite(2, LOW);

        state = STATE_SENDED;
        t = millis();
    }
    else if(state == STATE_SENDED)
    {
        if(Serial1.available())
        {
            static byte imsg[4];

            imsg[0] = imsg[1];
            imsg[1] = imsg[2];
            imsg[2] = imsg[3];
            imsg[3] = Serial1.read();

            if(imsg[0] == 0x03 && imsg[3] == 0x05)
            {
                Serial.print(curDev);
                Serial.print(':');
                Serial.println((int)(imsg[1]));
                Serial.flush();
                delay(1);

                state = STATE_RECEIVED;
            }
        }
        else if(millis()-t > 50) {
            state = STATE_RECEIVED;
        }
    }
    else if(state == STATE_RECEIVED)
    {
        if(++curDev == 15)
        {
            curDev = 0;
        }

        state = STATE_BEGIN;
    }
}
</code>

==== Ведомые устройства ====

<code cpp sensor.ino>
signed long t1 = 0, t2 = 0;
unsigned char dir = 0;

#define BASE_ADDR 0x20
#define MSG_LEN 4

void sensor1()
{
    t1 = millis();

    check_motion();
}

void sensor2()
{
    t2 = millis();

    check_motion();
}

void check_motion()
{
    if(t1 == 0 || t2 == 0) return;

    if(t2-t1 > 0)
    {
        tone(9, 100, 1000);
        dir = 1;
    }
    else if(t1-t2 > 0)
    {
        tone(9, 300, 1000);
        dir = 2;
    }

    t1 = t2 = 0;
}

void dispatch_msg(byte* msg)
{
    if(msg[1] != BASE_ADDR+addr()) return;

    msg[0] = 0x03;
    msg[1] = dir;
    msg[2] = 0x00;
    msg[3] = 0x05;

    digitalWrite(2, HIGH);

    Serial.write(msg, 4);
    Serial.flush();

    digitalWrite(2, LOW);

    dir = 0;
}

void setup(void)
{
    Serial.begin(1200);

    digitalWrite(13, LOW);
    digitalWrite(4, HIGH);

    pinMode(8,  INPUT);
    pinMode(9,  INPUT);
    pinMode(10, INPUT);

    pinMode(2, OUTPUT);
    digitalWrite(2, LOW);

    analogReference(INTERNAL);
}

unsigned char addr(void)
{
    unsigned char a = 0x00;

    if(digitalRead(8))  a |= 0x01;
    if(digitalRead(9))  a |= 0x02;
    if(digitalRead(10)) a |= 0x04;

    return a;
}

byte msg[4];

void loop(void)
{
    static unsigned long n1 = 0, n2 = 0;

    if(analogRead(A0) > 500)
    {
        if(++n1 >= 20)
        {
            if(n1 > 20+1) n1--;

            if(n1 == 20) sensor1();
        }
    }
    else n1 = 0;
    
    if(analogRead(A1) > 500)
    {
        if(++n2 >= 20)
        {
            if(n2 > 20+1) n2--;

            if(n2 == 20) sensor2();
        }
    }
    else n2 = 0;

    if(Serial.available())
    {
        int i;
        byte b;

        for(i = 0; i < MSG_LEN-1; i++)
            msg[i] = msg[i+1];

        msg[MSG_LEN-1] = Serial.read();

        if(msg[0] == 0x03 && msg[3] == 0x05)
        {
            dispatch_msg(msg);
        }
    }
}
</code>

===== Как это работает? =====

Когда человек проходит через дверной проём, он сначала попадает в поле зрения одного датчика, а потом другого. По тому, какой датчик сработал первым, можно определить направление пересечения дверного проёма. Если мы подключимся к аналоговым пинам датчиков, то при проходе человека увидим примерно такую картину:

{{ :projects:activitymap:signals.png?direct}}

Всё, что выше Vref, скетч воспринимает как единицу. Остальное — как нули. Vref надо подбирать исходя из размеров дверных косяков и параметров датчиков.

Каждый узел хранит количество проходов. При обнаружении пересечения дверного проёма устройство добавляет «1» к переменной, если человек прошёл в одну сторону, и отнимает «1» в обратном случае.

Ведущее устройство циклически опрашивает все узлы, посылая пакет с номером устройства. Эти пакеты получают все ведомые устройства одновременно, однако отвечает только то устройство, номер которого указан в пакете. Номер устройства задаётся  выводами «8», «9», «10».

В ответном пакете устройство сообщает ведущему устройству значение хранимой переменной проходов. После этого устройство обнуляет это значение. Если между двумя опросами одного устройства было два прохода в разные стороны, то эти события могут «ускользнуть» от ведущего. Чтобы этого не произошло опрос производится очень часто — десятки раз в секунду.

Ведомые устройства никогда не начинают передачу по собственному желанию. Они только отвечают на запросы ведущего. Этим решается проблема [[wpru>Коллизия_кадров | коллизий]] на линии.

Ведущее устройство основано на [[amp>product/arduino-leonardo?utm_source=proj&utm_campaign=activitymap&utm_medium=wiki | Arduino Leonardo]]. Это позволяет использовать одновременно RS485-шилд и общение по Serial между Arduino и ПК. Данные, собраные со всех ведомых устройств, передаются по Serial, где их получает Processing-программа и отображает в графическом виде. Она рисует план помещений и отображает в каждой комнате количество находящихся там человек.

{{ :projects:activitymap:host_window.png?direct&600 |}}



===== Демонстрация работы устройства =====

{{youtube>GJa3rkl3Lxg?large}}
===== Что можно сделать ещё? =====

  - В нашей реализации есть изъян: если опрос ведомого устройства будет происходить в момент прохода человека, то проход может остаться незамеченным. Чтобы избавиться от этого изъяна нужно подключать дальномеры через компараторы так, чтобы Arduino получала не аналоговый, а цифровой сигнал. Тогда на него можно будет назначить прерывание и обрабатывать события прохода по прерываниям.