CellarKare

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Un projet lancé par --Quentin (discussion) 14 juin 2015 à 19:58 (CEST)

En bref

Le projet est de créer une "station météo" pour une cave à vin, d'où le nom du projet un peu fumeux de CellarKare = Cellar + Care, le K c'est pour faire joli ;-) Dans un premier temps, le but est d'afficher la température et le taux d'humidité (hygrométrie). Ça, c'est pour le but fonctionnel. Mes autres buts sont:

  • Au niveau perso: réaliser un premier projet à forte composante électronique, dans la foulée de notre formation Arduino
  • Utiliser un maximum toutes les techniques/machines du Makilab
  • Documenter les différentes étapes (tutoriel), et fournir les fichiers sources nécessaires aux différentes étapes.

Mark 1: Le matos et un premier proto Arduino

Le premier prototype sera relativement simple: la station affichera la température et l'humidité ambiante sur un écran LCD, le tout piloté par un Arduino Uno.

T° et humidité: DHT22 / AM2303

Au niveau des capteurs, logiquement il en faut un pour lire la température, et un pour lire l'humidité. Les deux existent certainement séparément, mais une rapide recherche sur le net done des références de capteurs déjà calibrés et fournissant les deux pour pas trop cher. Au final, mon choix se porte sur un DHT22. Ce capteur s'appelle aussi AM2303 dans sa version câblée. Quelques liens et documentation utiles:

L'affichage LCD: LCM1602

Pour l'affichage, le choix a été vite fait... J'ai pris ce que j'avais sous la main, soit le LCD fourni dans le starter kit arduino. Cet écran est très répandu, et fait partie de nombreux "kits de démarrage" en électronique. Au niveau fonctionnel, avec 2 lignes de 16 charactères, on devrait pouvoir s'en sortir pour afficher une température et un taux d'humidité ;-). Son contrôleur (hitachi HD44780) est lui aussi très répandu En vrac:

Le montage

Le montage est assez simple, et n'est finalement qu'une combinaison des différents tutoriel et exemple d'utilisation de l'écran et du capteur.

Sur le schéma du capteur DHT, la résistance de 10K sert de "résistance pull-up". Cette résistance n'est pas nécessaire dans le cas du capteur AM2302 (la version avec câble et boitier en plastique, comme sur la photo). Cette version intègre une résistance de 5.1K dans le boîtier, qui connecte déjà VCC et DATA, merci Patrick pour l'info ;-).

Cellarkare mark1 bb.png
Cellarkare mark1.jpg

Le code

Au niveau programmation du micro-controlleur Arduino, là aussi c'est assez simple: toutes les 3 secondes, on lit les valeurs de t° et humidité, et on les affiches sur l'écran LCD. Les valeurs mesurées et des messages supplémentaires sont aussi envoyés sur la sortie série.

Le code est aussi disponible (et éventuellement mis à jour) sur gitlab 

/*
CellarKare - Mark #1
*/

/*
Un projet de station de mesure de la température et l'humidité dans une cave à vin
Plus d'infos et schéma de montage sur http://wiki.makilab.org/index.php/CellarKare
Quentin Berten, 2015 - Domaine public, licence WTFPL v2, http://www.wtfpl.net/
*/

// Bibliothèque LiquidCrystal, pour l'écran LCD. Installée de base avec l'IDE
#include <LiquidCrystal.h>

// Bibliothèque DHT, pour le capteur de température. Installable directement depuis
// l'IDE, via Sketch -> Include LIbrary -> Manage Libraries -> DHT sensor Library 
#include "DHT.h"

// Définition l'écran LCD, en argument les pins d'interface, dans l'ordre
// (RS pin, LCD Enable, D4, D5, D6, D7)
LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2);

// Définition des pin et type pour le senseur de t° et humidité
#define DHTPIN 7         // senseur (fil data, en jaune), sur pin 7
#define DHTTYPE DHT22    // type DHT 22  (AM2302)

// Définition du capteur DHT22, pour un Arduino "normal" à 16mhz, comme le Uno
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
// les variables associées qui vont lire les valeurs (température, ...)
float hum;
float tempC;
float tempF;
float indiceHum;

// les variables qui permettent de gérer le temps,
// voir http://www.arduino.cc/en/pmwiki.php?n=Tutorial/BlinkWithoutDelay
long prevMillis = 0;           // enregistre le temps de la denière lecture DHT22
long dhtInterval = 3000;       // L'intervalle de lecture du DHT22: 3 secondes

// la procédure d'initialisation arduino
void setup() {

  // on ouvre une connection série (pour afficher un maxium d'info)
  Serial.begin(9600); 
  Serial.println("CellarKare Mark #1 Test");

  // initialisation du capteur
  dht.begin();
  // initialisation de l'écran, 16 colonnes et 2 lignes
  lcd.begin(16, 2);
}

// la boucle principale arduino
void loop() {
  unsigned long curMillis = millis();
  
  if(curMillis - prevMillis < dhtInterval) {
    goto end_loop;        // pas de lecture DHT, on va à la fin de la boucle loop()
  }
  
  // on enregistre le dernier temps d'exécution de la lecture
  prevMillis = curMillis;   
  
  // la lecture de la t° et l'humidité prends environ 250 millisecondes
  // mais les lectures du capteur peuvent etre vieillies de 2 secondes
  // le capteur n'est pas rapide (d'où l'attente de 3 secondes pour etre
  // certain d'avoir des lectures correctes.
  // lecture de l'humidité
  hum = dht.readHumidity();
  // lecture de la température en degrés Celsius
  tempC = dht.readTemperature();
  // lecture de la température en degrés Fahreneit
  tempF = dht.readTemperature(true);
  
  // On vérifie que les lectures on bien été réalisées. Si pas, on quitte
  // la boucle pour ré-essayer
  if (isnan(hum) || isnan(tempC) || isnan(tempF)) {
    Serial.println("Lecture sur le capteur DHT ratée");
    goto end_loop;
  }

  // Calcul de l'indice de chaleur (voir https://fr.wikipedia.org/wiki/Indice_de_chaleur )
  // La température doit etre fournie en degré Fahreneit
  indiceHum = dht.computeHeatIndex(tempF, hum);

  // On affiche les valeurs sur la console série (n'est pas indispensable)
  Serial.print("Humidite: "); 
  Serial.print(hum);
  Serial.print(" %\t");
  Serial.print("Temperature: "); 
  Serial.print(tempC);
  Serial.print(" *C ");
  Serial.print(tempF);
  Serial.print(" *F\t");
  Serial.print("Indice de chaleur: ");
  Serial.print(indiceHum);
  Serial.println(" *F");
  
  // On affiche les valeurs sur l'écran LCD, curseur à (0,0)
  lcd.setCursor(0, 0);
  // print Temp in C°
  lcd.print("deg C: ");
  lcd.print(tempC);
  lcd.setCursor(0,1);
  lcd.print("hum %: ");
  lcd.print(hum);

  // label pour goto
  end_loop:
  ;
}

La conclusion

Un premier prototype fonctionnel, qui a au moins le mérite de vérifier que le capteur DHT renvoie des valeurs réalistes. La suite: la même chose avec un Raspberry pi, pour bénéficier de sa faciliter à se connecter au réseau. Ce serait quand même cool de pouvoir lire ces valeurs sur un smartphone ;-)

Mark 2: la même chose avec un Raspberry Pi

Le but de cette nouvelle itération: réaliser un montage équivalent avec un Raspberry Pi (RPi en abrégé). Pourquoi un RPi ?

  • Parce que j'en avais un sous la main ;-)
  • Parce qu'il permet de se connecter rapidement et facilement à un réseau, via ethernet (câble) ou wifi (via un dongle usb)
  • Parce qu'il permet de brancher facilement un module caméra (on y viendra au Mark 3)

Il est certainement possible d'arriver au même résultat avec d'autres cartes (comme par exemple un Arduino Yun), c'est juste que c'est un RPi que j'avais sous la main... Dans mon cas un Raspberry Pi B+.

En ce qui concerne le RPi, quelques ressources très utiles:

L'installation de l'OS

La principale différence entre une carte Arduino et le RPi, c'est le cœur de la carte:

  • le cœur de l'Arduino est un microcontrôleur, qui va exécuter le programme qu'on lui injecte de manière bête et méchante. Chaque entrée/sortie va devoir être programmée directement, il n'y a pas de système de driver, ...
  • le cœur du RPi est un microprocesseur (ARM, la même technologie que dans les smartphones). Il s'agit donc en fait d'un véritable "petit ordinateur", avec un système d'exploitation, des drivers (pour l'usb, l'écran, le wifi, ...).

Donc avant de pouvoir démarrer et utiliser le RPi, il va falloir installer un système d'exploitation (OS: Operating System). C'est exactement la même chose qu'installer Windows sur un PC, c'est juste que dans notre cas, ce ne sera pas Windows mais un système Linux. Il en existe plusieurs, le standard de facto étant Raspbian (une distribution Debian adaptée pour le RPi), c'est celle-là que j'ai installée.

Petit truc pour les distraits: écran/clavier/souris ne sont pas indispensables pour l'installation, il est tout à fait possible de se connecter via SSH au RPi une fois son premier démarrage exécuté, pour autant qu'il soit raccordé à votre réseau (via son câble ethernet). Le RPi se déclare automatiquement sur le réseau avec le nom raspberry.local, et un ssh pi@raspberry.local à fait l'affaire (raspberry, c'est son "hostname" par défaut). Pour le mot de passe, c'est raspberry par défaut. Ensuite raspi-config permet de terminer la procédure d'installation.

En ce qui me concerne, tout le reste de la configuration se fera donc en ligne de commande (shell) via SSH. Le wiki de MCHobby détaille l'accès via SSH au RPi.

Un dernier point important: le RPi, c'est comme un "vrai" ordinateur... il vaut mieux l'éteindre proprement plutôt que le débrancher sauvagement. Donc on s'arrange pour faire un sudo poweroff en ligne de commande avant de le débrancher. Le gros risque: corrompre le système de fichier sur le carte SD, ce qui empêche le démarrage suivant, et impose un reformatage et une réinstallation complète. Pas drôle en somme, je parle d'expérience :-(

Le wifi

Bien que le RPi ne soit pas équipé par défaut du wifi, il est compatible avec la majorité des clefs usb wifi. Dans mon cas, une vieille clef Hercules HWGUSB2-54. Un petit tour par les log (sudo tail -f /var/log/syslog) pour vérifier qu'elle est reconnue correctement lors du branchement, et puis une configuration via l'édition de /etc/network/interfaces pour entrer les références du réseau wifi: 

auto wlan0
allow-hotplug wlan0
iface wlan0 inet dhcp
wpa-ssid "Le_nom_(SSID)_de_votre_wifi"
wpa-psk "Le_mot_de_passe_de_votre_wifi"
wpa-conf /etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf

Ensuite un redémmarrage de la carte avec $ sudo ifdown wlan0 suivi de sudo ifup wlan0 et ça devrait être OK. On peut maintenant se passer de câble ethernet!

Si nécessaire: plus de détails sur la configuration réseau sur le wiki MC Hobby

La température avec le DHT22 / AM2302

Pour la lecture des température avec le capteur, les gars d'Adafruit ont déjà développé un bibliothèque de fonctions utilisables en ligne de commande ou en python. Quelques ressources:

Pour ma part, j'ai suivi la méthode Adafruit, ce qui donne en résumé, en ligne de commande: 

cd /home/pi
git clone https://github.com/adafruit/Adafruit_Python_DHT.git 
cd Adafruit_Python_DHT
sudo apt-get install build-essential python-dev  
sudo python setup.py install

Au niveau du montage, rien de nouveau: le capteur doit toujours être alimenté en 3.3V ou en 5V, et le câble de lecture à une pin d'entrée/sortie (GPIO: General Purpose Input Output), ce qui donne:

Cellarkare mark2 bb.png
Cellarkare mark2.jpg

Un test en ligne de commande permet de vérifier qu'on a une lecture sur le capteur (dans mon cas un AM2302 raccordé sur la pin GPIO 4): 

cd /home/pi/Adafruit_Python_DHT/examples/
sudo ./AdafruitDHT.py 2302 4

Ce qui affiche Temp=23.0*C Humidity=53.8%, des valeurs censées pour une après-midi d'été ;-)

L'affichage LCD

L'écran LCD est toujours le même que pour la version "Mark 1" Arduino. Quelques resources:

La logique de raccordement est strictement identique au circuit du Mark 1. La seule différence est que la résistance variable de 10K dans le circuit est supprimée, la bibliothèque Adafruit pour le LCD permettant le pilotage en modulation PWM.

Le montage

Au final, le montage a été fait pour gagner un maximum de place sur mon breadboard. La pin data du DHT a été déplacée sur la pin 5, et le reste des pin pour le LCD sont documentées dans le code.

Cellarkare mark2 2 bb.png
Cellarkare mark2 2.jpg

Le code

La logique du code est identique à la version mark 1 - arduino. Ce code est aussi disponible (et éventuellement mis à jour) sur gitlab 

#!/usr/bin/python
# coding=utf8
# CellarKare - Mark 2

# Un projet de station de mesure de la température et l'humidité dans une cave à vin
# Plus d'infos et schéma de montage sur http://wiki.makilab.org/index.php/CellarKare
# Quentin Berten, 2015 - Domaine public, licence WTFPL v2, http://www.wtfpl.net/
# quentin_#AT#_berten.me

import time

# Bibliothèque CharLCD d'Adafruit, voir https://github.com/adafruit/Adafruit_Python_CharLCD
# pour l'installation
import Adafruit_CharLCD as LCD
# Bibliothèque DHT d'AdaFruit, voir https://github.com/adafruit/Adafruit_Python_DHT
# pour l'installation
import Adafruit_DHT as DHT

# Configuration de l'affichage LCD
lcd_rs        = 25      # RS sur pin 25
lcd_en        = 24      # EN sur pin 24
lcd_d4        = 23      # D4 sur pin 23
lcd_d5        = 12      # D5 sur pin 12
lcd_d6        = 20      # D6 sur pin 20
lcd_d7        = 16      # D7 sur pin 16
lcd_backlight = 18      # rétro éclairage sur pin 18
lcd_columns   = 16      # Affichage à 16 colonnes ...
# Initialisation du LCD avec les variables ci-dessus
lcd = LCD.Adafruit_CharLCD(lcd_rs, lcd_en, lcd_d4, lcd_d5, lcd_d6, lcd_d7, 
		        	lcd_columns, lcd_rows, lcd_backlight)
# Configuration pour le capteur DHT, soit DHT11, DHT22 ou AM2302.
dht_sensor    = DHT.AM2302  # Type AM2302
dht_pin       = 5           # DHT data sur pin 5

# les variables qui permettent de gérer le temps,
prevMillis = 0          # enregistre le temps de la denière lecture DHT22
secInterval = 1000      # Un intervalle d'une seconde
# L'intervalle de lecture du DHT22: 3 secondes, doit etre plus grand que secInterval
dhtInterval = 3000

def read_and_print_dht():
    # On lit une valeur sur le senseur avec la fonction read. Attention, cette fonction
    # ne réessaie pas automatiquement en cas d'erreur, mais fournit les valeurs (None, None).
    hum, tempC  = DHT.read(dht_sensor, dht_pin)

    # On vérifie que l'on a bien eu une lecture (Linux n'est pas un OS temps réel et ne
    # peut pas garantir le timing des lectures sur le capteur). Si ça arrive, on réessaie.
    # On affiche les valeurs sur la console (n'est pas indispensable)
    if hum is not None and tempC is not None:
    	print 'Temp={0:0.2f}*C  Humidity={1:0.2f}%'.format(tempC, hum)
        # On affiche les valeurs sur l'écran LCD
        lcd.clear()
        lcd.message('deg C: {0:0.2f}\nhum %: {1:0.2f}'.format(tempC, hum))
    else:
	print 'Lecture sur le capteur DHT ratée'

# Boucle principale, l'équivalent de void loop() sur Arduino
while 1:
    # On lit le nombre de millisecondes courant
    curMillis = time.time()*1000
    if curMillis - prevMillis > dhtInterval:
        # On essaie de lire et afficher les valeurs du DHT
        read_and_print_dht()
        # on enregistre le dernier temps d'exécution de la lecture
        prevMillis = curMillis

La conclusion

En vrac:

  • Pas de gros problème ou obstacles majeurs pour convertir le montage et le code Arduino en son équivalent RPi. Mais heureusement que l'équipe d'Adafruit a déjà programmé les bibliothèques Python qui vont bien!
  • Au niveau du breadboard, ça commence à prendre de la place... Une solution: passer en "I2C" pour le capteur et le LCD, ce qui limite drastiquement le nombre de pins nécessaires pour le montage, et facilite la programmation. Merci Patrick pour les infos, ce sera sûrement utile pour le prochain montage ;-) !
    • Par exemple, pour la température: un capteur I2C comme le SHT15, et pour l'écran, la version I2C du même 1602.
    • Par contre dans ce cas, il faut faire gaffe au fait que le passage en 3.3V pour la logique du RPi, le lcd reste en 5V et il faudra ajouter un convertisseurs de niveau pour le bus si utilisé avec un capteur qui ne supporte pas 5V.
  • le langage Python, c'est pas plus compliqué que le simili-C de l'Arduino une fois qu'on est rentré dedans.

Mark 3: Start, Stop, and say Cheese

Sart/Stop

Un "problème" du RPi, c'est qu'il n'a pas de bouton ON/OFF simple, et par conséquent, l'éteindre proprement avec sudo halt ou sudo poweroff est impossible sans un accès physique (clavier et écran connectés) ou une connection SSH (connection à distance). Pas pratique pour un boitier qui sera installé dans une cave à vin...

Autrement dit, mes besoins:

  1. Le programme python d'affichage et monitoring des températures démarre automatiquement lorsque le RPi démarre.
  2. Un bouton OFF permet d'éteindre proprement le RPi avant de le débrancher de son alimentation.
  3. Un bouton ON permet de l'allumer une fois éteint sans débrancher/rebrancher son alimentation.
  4. Nec plus ultra: avoir un fonctionnement similaire à un bouton ON/OFF d'un laptop par exemple: si éteint, le bouton allume, si allumé, le bouton éteint proprement le RPi, et coupe l'alimentation USB.

Bon après quelques recherches sur le net:

  1. C'est simple, il suffit de configurer le "init script" du RPi pour lancer automatiquement le programme python au démarrage
  2. Un montage simple permet d'écouter sur une des pins du GPIO, et de lancer la procédure propre d'arrêt (shutdown). Soit un bouton OFF
  3. Le RPi (à partir du modèle B rev2, soit Brev2, B+ et 2) possède un pinout "reset", qui n'est pas soudé de base sur la carte. Si on raccorde ces deux pins, le RPi redémarre électriquement (hard reboot). Donc sans s'éteindre proprement. L'intérêt, c'est que si le RPi est éteint mais encore sous tension, ce bouton permet de le ré-allumer. Donc un bouton ON/RESET. Voir par exemple:
  4. Le bouton combiné ON/OFF unique est possible, mais le montage est plus compliqué. Quelques exemples:

Dans un premier temps, ce sera pour moi le choix suivant: un bouton OFF, qui lors d'un appui long éteint proprement le RPi.

Mais dans un premier temps, il faut configurer le RPi pour lancer le programme au démarrage...

Lancement du programme via initscript

Il y a certainement 36 façons d'arriver au même résultat (après tout, le RPi tourne sous Linux ;-), mais dans mon cas, la solution qui me convient bien: un script d'init lance par défaut le script python localisé en /usr/local/bin/pystartup.py. L'intérêt de la chose: pystartup.py peut être un lien symbolique vers n'importe quel autre script.

Pour éviter d'encombrer le wiki, je n'ai pas repris le script ici, mais il est dispo sur GitLab. Pour l'installation, en ligne de commande (connecté sur le RPi):

On télécharge le script, on le déplace au bon endroit et on le rend exécutable 

wget https://gitlab.com/qberten/cellarkare/raw/master/mark3_camera/initscript_pystartup
sudo mv initscript_pystartup /etc/init.d/pystartup
sudo chmod a+x /etc/init.d/pystartup

On crée le lien symbolique qui va bien (remplacer /chemin/vers/... par la localisation du programme à lancer) 

ln -s /chemin/vers/votre/script/python.py /usr/local/bin/pystartup.py

On configure le système pour qu'il connaisse le nouveau script "pystartup", et on lui demande de l'exécuter à chaque démarrage 

sudo update-rc.d pystartup defaults

Il est ensuite possible de lancer son programme en arrière plan comme n'importe quel autre service avec sudo service pystartup start, de l'arrêter avec sudo service pystartup stop, etc

Pinout RESET

Activer le "hard" reset sur le Rpi suppose un peu de soudure, mais rien de bien effrayant, 2 points suffisent. Un fois les connecteur pinout soudés, quand on raccorde les deux pins (par exemple avec un interrupteur), le RPi redémarre ("hard" reset, donc attention à la carte SD...), ou s'allume (si il était raccordé au secteur). Quelques photos (à venir)...

Bouton OFF

In work...

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