Trabalho 2 - 2023/1

Trabalho 2 da disciplina de Fundamentos de Sistemas Embarcados (2023/1)

1. Objetivos

AirFryer Eletrolux	AirFryer Philips-Walita	AirFryer Philco

O trabalho envolve o desenovlimento do software que efetua o controle completo de um forno AirFyer incluindo ligar/desligar o equipamento, controlar a temperatura, temporização e diferentes modos de alimentos. Especificamente a temperatura do forno é controlada à partir de dois elementos atuadores: um resistor de potência de 15 Watts utilizado para aquecer o forno e uma ventoinha que puxa o ar externo (temperatura ambiente) para reduzir a temperatura do sistema.

Os comandos do usuário do sistema para definir a temperatura desejada serão controlados de três maneiras:

Através de botões físicos (encoder rotatório);
Botões digitais via Dashboard (UART);
Seguindo os tempo e temperaturas pré-definidas para cada tipo de alimento.

Botões de Entrada

Liga/Desliga
Inicia/Cancela
Temperatura +/- (A cada 5 ˚C)
Tempo +/- (Minutos)
Dial (Para Temperatura/Tempo)

2. Componentes do Sistema

O sistema como um todo é composto por:

Forno (AirFryer) controlado com o resistor de potência e ventoinha;
01 Sensor DS18B20 (1-Wire) para a medição da temperatura interna (TI) do sistema;
01 Sensor BMP280 (I2C) para a medição da temperatura externa (TE);
01 módulo Display LCD 16x2 com circuito I2C integrado (Controlador HD44780);
01 Conversor lógico bidirecional (3.3V / 5V);
01 Driver de potência para acionamento de duas cargas;
01 ESP32;
01 Painel de Botões (Liga/Desliga, Inicia/Cancela, Temperatura +, Temperatura -, Tempo +, Tempo -);
01 Raspberry Pi 4;

3. Conexões entre os módulos do sistema

O sensor de temperatura BMP280 está ligado ao barramento I2C e utiliza o endereço 0x76;
O módulo de display LCD está conectado ao barramento I2C utilizando o endereço 0x27;
O Encoder Digital possui 3 pinos (clk GPIO 16, dt GPIO 20 e sw GPIO 21). O pino sw corresponde ao botão que será usado para selecionar a variável a ser ajustada no modo manual sendo ela a temperatura ou o tempo. Os pinos clk e dt indicam a rotação do encoder.
O resistor de potência e a ventoinha estão ambos ligados às portas GPIO e são acionados através do circuito de potência;
3.1. Resistor: GPIO 23 ou Pino 16 (Board)
3.2. Ventoinha: GPIO 24 ou Pino 18 (Board)
A ESP32 está conectada à placa Raspberry Pi via UART (Protocolo MODBUS-RTU);
Os botões estão ligados à GPIO da ESP32 e os comandos são transmitidos à Raspberry Pi via UART;
Os comandos de acionamento (alternativamente) virão do Dashboard (Thingsboard) via UART através da ESP32;
O sensor de temperatura DS18B20 para medição do ambiente controlado está ligado à ESP32 na porta GPIO 4 via protocolo 1-Wire;

4. Controle PID

A abordagem de controle de temperatura a ser utilizado é o controle PID (Proporcional Integral Derivativo). O PID é um dos tipos mais simples de algoritmos de controle que proporciona um bom desempenho para uma grande variedade de aplicações.

O conceito fundamental desse tipo de controlador se baseia em monitorar uma variável de um processo (neste caso a temperatura interna) e medir a diferença entre seu valor atual (TI - Temperatura Interna) a uma valor de referência (TR - Temperatura de Referência) desejado. A partir dessa medida de Erro = TR - TI, toma-se uma ação de correção para que o sistema alcançe o valor desejado. A figura abaixo demonstra uma visão geral da estratégia de controle.

O controle PID une três tipos de ações sobre a variável de controle para minimizar o erro do sistema até que o mesmo alcançe a referência desejada. No caso deste sistema, nossa variável monitorada é a TI - Temparatura Interna e o seu controle é efetuado através do acionamento da Resistência (R) ou da Ventoinha (V) e nosso Erro é a diferença entre a temperatura de referência e a temperatura interna do sistema (Erro = TR - TI).

Detalhando as 3 ações do PID temos:

Controle Proporcional (P): ajusta a variável de controle de forma proporcional ao erro, ou seja, quanto maior o erro, maior a intensidade de acionamento do resistor (0 a 100%). Esse ajuste é feito pela variável Kp.
Controle Integral (PI): ajusta a variável de controle baseando-se no tempo em que o erro acontece, acumulando este erro (integral). Esse ajuste é feito pela variável Ki.
Controle Derivativo (PD): ajusta a variável de controle tendo como base a taxa de variação do erro ou a velocidade com a qual o sistema está variando o erro. Esse ajuste é feito pela variável Kd.

A figura abaixo mostra as equações envolvidas no cálculo do PID.

O ajustes de cada constante do PID (Kp, Ki e Kd) tem efeitos distintos no controle do sistema conforme pode ser visto na figura abaixo.

5. Requisitos

Os sistema de controle possui os seguintes requisitos:

O código deve ser desenvolvido em C/C++ ou Python;
Na implementação do software, não podem haver loops infinitos que ocupem 100% da CPU;
O sistema deve implementar o controle de temperatura utilizando o controle PID atuando sobre o Resistor e a Ventoinha;
Ao ser acionado, o aquecimento deve primeiro atingir a temperatura desejada para depois ligar o timer (tempo programado) com a contagem regressiva até finalizar e depois retornar o sistema à temperatura ambiente;
Haverão dois modos de controle da temperatura:
1. Manual: onde a temperatura e o tempo serão inseridos pelo usuário (Via Dashboard ou pelo Encoder Digital);
2. Pré-programado: onde o usuário pressiona o botão de menu e escolhe uma pré-programação correspondendo a um tipo de alimento.
No modo manual, o programa deve consultar o valor de temperatura através da comunicação UART com a ESP32 a cada 500 ms e efetuar a leitura constante do Encoder Digital para permitir ao usuário um ajuste de temperatura durante a operação;
Display LCD (16x2): O sistema deve apresentar na tela LCD seu estado atual. Os estados são:
Desligado: apagar o Display;
Ligado: Mostrar a configuração atual (Menu pré-definido ou acionamento manual);
Funcionando: mostrar a temperatura atual, a desejada e o tempo restante.
O display deve ser atualizado a cada 1 segundo;
O programa deve tratar a interrupção do teclado (Ctrl + C = sinal SIGINT) encerrando todas as comunicações com periféricos (UART / I2C / GPIO) e desligar os atuadores (Resistor e Ventoinha);
O código em C/C++ deve possuir Makefile para compilação. Em Python deverão haver instruções de como executar;
O sistema deve conter em seu README as instruções de compilação/execução e uso, bem como gráficos* com o resultado de pelo menos 3 testes realizados no equipamento.
O programa deve gerar um log em arquivo CSV das seguintes informações a cada 1 segundo com os seguintes valores: (Data e hora, temperatura interna, temperatura ambiente, temperatura definida pelo usuário, valor de acionamento dos atuadores (Resistor e Venoinha em valor percentual).

* Serão necessários dois gráficos para cada experimento. Um deles plotando as temperaturas (Ambiente, Interna e Referência (Potenciômetro)) e outro gráfico com o valor do acionamento dos atuadores (Resistor / Ventoinha) em valor percentual entre -100% e 100%.

6. Comunicação UART com a ESP32

A comunicação com a ESP32 deve seguir o mesmo protocolo MODBUS utilizado no Exercício UART-MODBUS.

A ESP32 será responsável por:

Efetuar a medição da temperatura interna (Sensor DS18B20);
Realizar a leitura dos botões de acionamento para controle da AirFryer;
Iniciar e Desligar o sistema de controle;
Atualizar informações sobre as temperaturas e tempo;
Enviar o sinal de controle no dashboard (ThingsBoard).

Para acessar as informações via UART envie mensagens em formato MODBUS com o seguinte conteúdo:

Código do Dispositivo no barramento: 0x01 (Endereço da ESP32);
Leitura do Valor de Temperatura Interna (TI): Código 0x23, Sub-código: 0xC1 + 4 últimos dígitos da matrícula. O retorno será o valor em Float (4 bytes) da temperatura interna do sistema com o pacote no formato MODBUS;
Leitura da temperatura de referência - TR (Potenciômetro): Código 0x23, Sub-código: 0xC2 + 4 últimos dígitos da matrícula. O retorno será o valor em Float (4 bytes) da temperatura de referência definida pelo usuário com o pacote no formato MODBUS;
Envio do sinal de controle (Resistor / Ventoinha): Código 0x16, Sub-código: 0xD1 + 4 últimos dígitos da matrícula, Valor em Int (4 bytes).
Envio do sinal de referência nos casos em que o sistema esteja sendo controlado ou pelo terminal ou pela curva de referência: Código 0x16, Sub-código: 0xD2 + 4 últimos dígitos da matrícula, Valor em Float (4 bytes).
Leitura dos Comandos de usuário: Código 0x23, Sub-código: 0xC3;
Envio do estado interno do sistema em resposta aos comandos de usuário:
1. Estado (Ligado / Desligado): Código 0x16, Sub-código: 0xD3 + byte;
2. Modo de Controle (Potenciômetro = 0 / Referência = 1): Código 0x16, Sub-código: 0xD4 + byte;

Tabela 1 - Códigos do Protocolo de Comunicação

Endereço da ESP32	Código	Sub-código + Matricula	Comando de Solicitação de Dados	Mensagem de Retorno
0x01	0x23	0xC1 N N N N	Solicita Temperatura Interna	0x00 0x23 0xC1 + float (4 bytes)
0x01	0x23	0xC2 N N N N	Solicita Temperatura de Referência	0x00 0x23 0xC2 + float (4 bytes)
0x01	0x23	0xC3 N N N N	Lê comandos do usuário	0x00 0x23 0xC3 + int (4 bytes de comando)
0x01	0x16	0xD1 N N N N	Envia sinal de controle Int (4 bytes)
0x01	0x16	0xD2 N N N N	Envia sinal de Referência Float (4 bytes)
0x01	0x16	0xD3 N N N N	Envia Estado do Sistema (Ligado = 1 / Desligado = 0) uint_8 (1 byte)	0x00 0x16 0xD3 + int (4 bytes) + CRC
0x01	0x16	0xD4 N N N N	Modo de Controle da Temperatura de referência (Dashboard (Manual) = 0 / Automático = 1) uint_8 (1 byte)	0x00 0x16 0xD4 + int (4 bytes) + CRC
0x01	0x16	0xD5 N N N N	Envia Estado de Funcionamento (Funcionando = 1 / Parado = 0) uint_8 (1 byte)	0x00 0x16 0xD5 + int (4 bytes) + CRC
0x01	0x16	0xD6 N N N N	Envia Temperatura Ambiente (Float)) (4 bytes)
0x01	0x16	0xD7 N N N N	Envia Contador de Tempo (usado no modo de pré-programação) (4 bytes)
0x01	0x16	0xD8 N N N N	Envia String do Display LCD para o Dashboard (1 byte: tamanho da string + N bytes da String)

Obs: todas as mensagens devem ser enviadas com o CRC e também recebidas verificando o CRC. Caso esta verificação não seja válida, a mensagem deverá ser descartada e uma nova solicitação deverá ser realizada.

Tabela 2 - Comandos de Usuário via UART

Comando	Código
Liga a AirFryer	0x01
Desliga a AirFryer	0x02
Inicia aquecimento	0x03
Cancela processo	0x04
Tempo + : adiciona 1 minuto ao timer	0x05
Tempo - : adiciona 1 minuto ao timer	0x06
Menu : aciona o modo de alimentos pré-programados	0x07

7. Parâmetros de PID

Para o uso do controle do PID, estão sendo sugeridos os seguintes valores para as constantes:

Kp = 30.0
Ki = 0.2
Kd = 400.0

Porém, vocês estão livres para testar outros valores que sejam mais adequados.

Acionamento do Resistor

O resistor deve ser acionado utilizando a técnica de PWM (sugestão de uso da biblioteca WiringPi / SoftPWM). A intensidade de acionamento do resistor por variar entre 0 e 100%.

Acionamento da Ventoinha

A venotinha também deve ser acionada utilizando a técnica de PWM. Porém, há um limite inferior de 40% de intensidade para seu acionamento pelas características do motor elétrico. Ou seja, caso o valor de saída do PID esteja entre 0 e -40%, a ventoinha deverá ser acionada com 40% de sua capacidade.

Observa-se ainda que a saída negativa só indica que o atuador a ser acionado deve ser a ventoinha e não o resistor e o valor de PWM a ser definido deve ser positivo, invertendo o sinal.