Интерактивная кормушка на Snap4Arduino

Привет! Этот текст возник в результате бесед с моими коллегами из издательства "БХВ", в котором я продолжаю плодотворно работать. Наряду с компьютерными и детскими книгами наша компания проектирует и выпускает наборы для хобби-электроники, мобильных роботов, а также авторские (непереводные) книги по языку Scratch. Открыв последнюю ссылку, вы убедитесь, что Scratch - это уже не игрушки (в чём мы полностью согласны с уважаемой компанией Sportmaster, в блоге которой вышел пост). Но добавим, что наряду со Scratch существует аналогичная среда визуального программирования mBlock, практически не рассмотренная на Хабре. Это инструментарий для работы с Arduino, прекрасно показавший себя в наших разработках. Под катом вашему вниманию предлагается разбор программируемого девайса, который пока не планируется в серию, но позволяет оценить достоинства Scratch и mBlock, порадовать ваших детей и питомцев и просто с интересом провести ближайшие выходные. Статья является изложением идей и инженерных изысканий кандидата технических наук, уважаемого Игоря Владимировича Шишигина.

При создании электронных устройств на базе платы Arduino большинство разработчиков использует интегрированную среду разработки Arduino IDE, предлагаемую компанией-разработчиком Arduino. При этом бытует мнение, что использование среды  визуального программирования на базе Scratch хорошо только для обучения детей и людей, далеких от программирования. Мы тоже придерживались такого мнения. Однако более углубленное погружение в вопрос показало, что ряд задач быстрее и эффективнее решать с помощью подобных платформ.

В предлагаемой статье на примере создания интерактивной кормушки для кота мы покажем, как быстро создать сложную систему с использованием нескольких блоков в среде визуального программирования Snap4Arduino. Причём это под силу даже неподготовленным разработчикам.

Платформы для визуального программирования

Платформа визуального программирования на Scratch позволяет воплощать игровые и обучающие проекты со статическими и динамическими объектами, взаимодействующими друг с другом. Язык Scratch был специально разработан для обучения программированию детей и подростков и сразу получил большую популярность благодаря своей простоте и доступности. Программы на Scratch (называемые Script, а по-русски - скриптами или сценариями) состоят из графических блоков, на которых написано их функциональное назначение. Скрипты  выполняются внутри среды разработки.

С появлением в 2008 году контроллера Arduino на базе среды Scratch появились приложения, с помощью которых можно не только разрабатывать интерактивные программы, мультфильмы и видео, но и взаимодействовать с контроллером Arduino, который подключается к компьютеру через последовательный порт с помощью кабеля USB. Появление таких приложений можно считать революционным событием, поскольку отныне юный программист мог видеть результаты своей работы не только на экране монитора, но управлять электронными устройствами, подключенными к плате Arduino и получать данные измерений от подключенных к Arduino датчиков. Появилась возможность включать светотодиоды, генерировать звук, вращать колесами, получать данные измерений температуры, влажности, давления, расстояния, движения и много др.

Для взаимодействия ПК с платой Arduino на плату загружается специальная прошивка, которая принимает, «понимает» и интерпретирует сигналы, получаемые через кабель USB от среды Scratch. Такой режим работы называется интерактивным.

Некоторые среды разработки могут работать не только в интерактивном, но и автономном режиме. В этом случае программа из «блочного» вида переводится в язык понятный Arduino IDE и затем может быть либо загружена на плату, либо отправлена в Arduino IDE для дальнейшего редактирования в текстовом виде.

Наряду с контроллером Arduino современные платформы разработки на базе Scratch поддерживают и другие контроллеры (ESP32, Raspberry Pi, BBC micro:bit и др). Но в этой статье, мы остановимся, на платах, совместимых с Arduino (Arduino Uno/Nano, mCore, Lavin, Romeo, SPBot) из-за их высокой популярности. Работа с другими контроллерами в Scratch, по существу, мало отличается и вы сможете без труда самостоятельно научиться работать с ними.

Подробный анализ различных графических платформ сделан на Хабре в статье «Визуальное программирование для детей. Выбираем платформу». Описание некоторых платформ можно найти в прилагаемом списке литературы в конце статьи или в руководствах пользователя на сайтах разработчиков.

Несмотря на то, что принцип разработки приложений для всех платформ примерно одинаков и основан на идеологии создания сценариев в стиле Scratch с помощью программных блоков, имеются различия и интересные особенности. Эти особенности важно знать при выборе платформы программирования.

Большинство специалистов, которые разрабатывают скетчи (программы) для Arduino на языках С или Python с помощью популярной интегрированной среды разработки Arduino IDE, относятся к графическому программированию с использованием Scratch исключительно как к средству обучения для начинающих. Между тем эти платформы позволяют создавать проекты, которые сделать с помощью Arduino IDE крайне затруднительно. Например, управление персонажем на экране монитора, создание интерактивных игр или обучающих видеороликов.

Таблица 1. Особенности различных сред визуального программирования

В качестве примера покажем, как легко с помощью Snap4Arduino создать систему удаленного видеонаблюдения и управления кормушкой вашего домашнего любимца.

Для создания сценария понадобится всего несколько блоков и знания об использовании HTTP-протокола для управления сценарием через браузер.

Если с использованием графических блоков для создания сценариев проблем, как правило, не возникает, то вопросы использования HTTP-протокола требуют некоторого пояснения, т.к. не отражены подробно в документации Snap4Arduino. Правда разработчики этой среды очень любезно ответили на все наши вопросы.

Прежде чем приступить к описанию процесса создание «видеосистемы удаленного кормления» расскажем, как применяется HTTP-протокол в среде разработки Snap4Arduino.

Snap4Arduino и HTTP-протокол

Snap4Arduino поставляется со встроенным крошечным HTTP-сервером. Это означает, что вы можете управлять своим приложением Snap4Arduino с любого компьютера, мобильного телефона, планшета или любого другого сетевого устройства в той же сети. В следующих разделах слово IP относится к IP -адресу ПК, на котором запущен Snap4Arduino. IP-адрес вашего ПК можно увидеть в окне диалога HTTP server, которое открывается при включении опции HTTP  server. В нашем случае IP адрес — 192.168.0.105.

HTTP-протокол работает только в версии Desktop. Для того, чтобы его использовать, необходимо включить опцию HTTP-сервер. Для этого выберите опции «Шестерёнка»| HTTP  server.

Таблица 2. Командная строка для взаимодействия по протоколу HTTP

Создаём систему удалённого видеонаблюдения и управления при помощи Snap4Arduino

Допустим, вы уезжаете на несколько дней из дома, а ваш котик остается дома один. Надо решать проблему с его питанием. Можно конечно попросить соседей (если вы с ними в хороших отношениях) или приобрести кормушку-автомат, но мы не будем искать простых решений и разработаем собственную интерактивную видеокормушку для котиков.

В качестве «механизма кормления» используем готовые решения автоматических кормушек для котов. На видео ниже подробно показано, как изготовить механическую конструкцию подачи корма в миску, а также собрать и запрограммировать блок управления. «Мозгом» системы управления является контроллер Arduino Uno/Nano, поступление корма в миску обеспечивает серводвигатель, а время подачи корма – модуль времени. Загрузка скетча на плату Arduino осуществляется через кабель USB с помощью среды разработки Arduino IDE.

Мы решили усовершенствовать управление такой кормушкой, а для этого использовать платформу Snap4Arduino и ее возможности по удаленному взаимодействию с браузером по протоколу HTTP (описанные выше). Это позволит:

1.       Усовершенствовать и модернизировать предлагаемый сценарий управления кормушкой даже для людей, далеких от программирования. Программирование на Scratch доступно уже с 4 класса школы.

2.       Осуществлять видеонаблюдение за миской вашего любимца.

3.       Удаленно насыпать сухой корм в миску

4.       Фиксировать количество подходов кота к миске, чтобы оценить его аппетит).

5.       Визуально оценивать, не похудел ли ваш питомец.

Блок-схема интерактивной видеокормушки для кота

На рисунке ниже представлена блок-схема подключения кормушки к Сети с указанием задействованных физических устройств (очертания рамок), исполняющихся на них программ (внутри рамок) и соединяющих их протоколов связи (пунктирные линии между рамками). Такая схема поможет вам заранее — ещё до того, как непосредственно приступить к реализации проекта — спланировать разработку кода и создание схемы соединений.

Что нам потребуется

Для создания управления кормушкой нам понадобиться блоки и компоненты, описанные в следующей таблице.

Таблица 3. Элементы для сборки кормушки и управления ею

Схема подключения

В качестве платы управления мы использовали многофункциональный контроллер SPBot (рис. 5), на которой уже установлены фоторезистор, зуммер, удобный разъем для подключения питания. В этом случае потребуется купить только серводвигатель (например, SG90 или MG90S). Если у вас нет этой платы, то можно воспользоваться и «стандартной» Arduino Uno (рис. 6).

Написание сценария

Прежде всего разработаем алгоритм удалённого кормления котика.

1.   Открываем на смартфоне (ноутбуке, ПК) браузер и посылаем сообщение, которое включает видеокамеру и отображает видео на Сцене приложения.
http://IP:42001/broadcast=+video_ON

2.       Посылаем сообщение, которое начинает трансляцию сцены Snap4Arduino в окне браузера.
http://IP:42001/stage

3.       Видим на экране смарфона миску (пустую или полную), а если повезет, то и самого котика. А также количество подходов кота к пустой миске.

4.       Мы принимаем решение «подсыпать ему корм или нет». Если «да», то посылаем через браузер на смартфоне сообщение
http://IP:42001/broadcast=+feed

В этом случае звучит сигнал зуммера, дверца открывается и корм высыпается в миску в течении 3 секунд. Затем дверца закрывается.

5.       Вы видите, как довольный котик подбегает к миске и с благодарностью ест корм

6.       Для того, чтобы прекратить трансляцию следует послать сообщение
http://IP:42001/broadcast=+video_OFF

7.       Фоторезистор, который устанавливается неподалеку от миски, фиксирует количество подходов котика к ней.

Сценарий состоит и 4 групп блоков, взаимодействие между которыми осуществляется с помощью механизма широковещательной передачи сообщений (broadcast) в Snap4Arduino (рис. 8).

Сообщения в Snap4Arduino можно передавать двумя способами:

-          с помощью блока «разослать»

-          в командной строке браузера с использованием протокола HTTP (см. п. 1.2)

Для отладки сценария удобно добавить блоки, показанные на рисунке 9 ниже. С помощью этих блоков вы будете имитировать отправку сообщения через браузер.

Проект можно скачать по ссылке https://disk.yandex.ru/d/1bqV1KF-ol3VGA.

Включаем видеокамеру (#1)

Для включение видеокамеры и передачи видеоизображения на сцену надо отправить сообщение «+video_ON».

Для этого нажмите клавишу <1> или введите в командной строке браузера адрес http://IP:42001/stage
где IP – это IP-адрес вашего ПК во внутренней сети (в нашем случае это 192.168.0.105) — см. п.1.2.

На Сцене появится изображение с видеокамеры.

Выключаем видеокамеру (#2)

Для того, чтобы выключить камеру передайте сообщение «+video_OFF».

Насыпаем корм на блюдце (#3)

Для того, чтобы корм начал поступать из емкости в блюдце, надо с помощью серводвигателя открыть заслонку.

Передайте сообщение «feed». Вы услышите три коротких сигнала излучаемых модулем звука, затем серводвигатель откроет заслонку, корм будет высыпаться в блюдце, а через 3 секунды сервомотор закроет заслонку. Время высыпания корма определите экспериментально.

После того, как заслонка закроется, будет разослано сообщение «+feed», которое «запускает в работу» 4 группу блоков.

Определяем «коэффициент голодного кота» (#4)

Для того, чтобы определить, как часто ваш любимец подходит к миске предназначен четвёртый блок сценария. Он начинает функционировать, когда получает сообщение «N_feed».

Для фиксации факта подхода котика к миске используем датчик освещенности. Если освещенность резко изменится (L1-L2>100), то переменная L3, которая хранит количество подходов увеличится на 1. При каждом новом засыпке корма в блюдце переменная L3 обнуляется.

Подключение через Интернет

Мы создали сценарий, который позволяет подключаться к видеокамере и управлять кормушкой в пределах вашей домашней (или офисной сети Wi-Fi). Такой проект интересен, но имеет, скорее, учебное нежели практическое значение, поскольку кот и вы должны находится в пределах действия вашей сети  Wi-Fi.

Для того чтобы реализовать удаленное управление через Интернет из любой точки земного шара, потребуется обеспечить дополнительные условия:

• ваша сеть Wi-Fi должна иметь выход в Интернет;

• внешний IP-адрес роутера для выхода в Интернет должен быть статическим (этим параметром управляет провайдер);

• на роутере, через который осуществляется выход в Интернет, нужно выполнить операцию, называемую «проброс портов»;

В качестве примера покажем этапы настройки роутера tp-link с внешним IP-адресом 176.197.XXX.XX и внутренним IP-адресом 192.168.0.1:

В адресной строке браузера вводим внутренний адрес роутера: 192.168.0.1, попадаем в окно авторизации и вводим логин и пароль администратора (по умолчанию admin/admin);

В меню Переадресация экран выбираем пункт Виртуальные серверы и нажимаем в правой части окна на кнопку Добавить:

1.     В открывшемся окне ввода параметров заносим параметры нового виртуального сервера:

• Порт сервиса (выбирается произвольно, но больше 8000).

• IP-адрес (в нашем примере, 192.168.0.105).

• Внутренний порт — 42001.

• Протокол — TCP.

• Состояние — включено.

Нажмите кнопку Сохранить.

Созданный сервер появится в списке виртуальных серверов.

Теперь вы можете обращаться к вашему HTTP-серверу из любой сети интернет, только вместо адреса внутреннего HTTP-сервера следует вводить статический адрес вашего ПК.

Например, при передаче сообщения +MESSAGE вместо строки

http://192.168.0.105:42001/broadcast=+MESSAGE

следует указывать строку

http://176.197.XXX.XX:42001/broadcast=+MESSAGE

где 176.197.XXX.XX — ваш статический адрес.

Управление через Интернет

Мы можем управлять кормушкой, вводя строки в адресной строке браузера, описанные в п. 1.3.4.

где IP — это IP-адрес вашего ПК. Либо во внутренней сети (например, 192.168.0.105), либо во внешней (например, 176.197.XXX.XX).

Согласитесь, вводить длинные строки для управления неудобно. Поэтому мы написали код для простой HTML-страницы, задача которой открывать ссылки.

Несомненно, можно сделать более красивое и функциональное приложение, но наша цель было его максимально упростить, чтобы был понятно, как все работает.

<!DOCTYPE html>
<html lang="ru">
 <head>
  <meta charset="utf-8">
  <title>Feeder</title>
 </head>
 
 <body>
 
<a href="http://192.168.0.109:42001/stage" target="iframe_a">Показать сцену</a>&nbsp;|&nbsp; 
<a href="http://192.168.0.109:42001/broadcast=+feed" target="iframe_b">Добавить корм в миску</a><br><br>
<a href="http://192.168.0.109:42001/broadcast=+video_ON" target="iframe_b">Включить видео</a>&nbsp;|&nbsp; 
<a href="http://192.168.0.109:42001/broadcast=+video_OFF" target="iframe_b">Выключить видео</a><br> 
<br><hr>
<iframe src="demo_iframe.htm" name="iframe_a"width="900" height="700"></iframe><br>
<iframe src="demo_iframe.htm" name="iframe_b"</iframe>
 
 </body>
</html>

Результаты работы приложения на рисунке.

Заключение

В заключение хотелось бы  отметить:

1.       С помощью среды визуального программирования можно создавать достаточно сложные электронные устройства, даже не обладая навыками программирования на языках высокого уровня.

2.       Среды визульного программирования, несмотря общий подход в разработке сценариев с помощью блоков Scratch, имеют отличительные особенности, которые могут быть вам полезны.

3.       Вы можете без труда добавить к нашему проекту новые датчики и устройства, придав кормушке новые функциональные возможности.

4.       Для выполнения экспериментов с платой  Arduino Uno/nano нет необходимости использовать именно эти платы. На рынке имеется и другие контроллеры на базе ATMega328, на который можно загружать скетчи Arduino Uno. Преимуществом таких контроллеров является наличие интегрированных датчиков, драйверов двигателей и др.

Интересно узнать мнение разработчиков о трудозатратах в случае реализации подобного проекта с помощью среды разработки Arduino IDE (Platform I/O и др.).

На почитать

1.       Snap Reference Manual 8.0 (https://snap.berkeley.edu/snap/help/SnapManual.pdf)

2.       Голиков Д. В. Scratch и Arduino. 18 игровых проектов для юных программистов микроконтроллеров, 2-издание.