EVShield筆記(4 - 2) : EVShield WiFi Web Server Arduino 軟體功能

在前篇 " (4-1) 結合 Arduino WiFi Shield 的 EVShield Web Server " 中，主要探討的是硬體介面相關，包含： SPI介面、Shields 推疊 以及 Arduino 腳位配置 等。

本篇將以軟體功能為主，包含：建立 WiFi 連結、啟動 Web server 以及 處理瀏覽器的 HTTP request 等。

【參考資訊】

(1) Arduino WiFi.h 程式庫 
(2) HTTP Headers for Dummies 
(3) EVShield筆記(2)：UI Module使用者介面擴展板程式摘要 

【1. 建立WiFi連結】

• 連接無線網路，需要先確認 SSID 與 加密方式 ，再以 WiFi.begin() 進行加密認證。
• 通過加密認證之後，會由 DHCP 配置動態 IP，也可以先以WiFi.config() 設定靜態 IP後再進行加密認證。
• IP 位址可以由 WiFi.localIP() 取得，資料型態為IPAddress，實際上為四個元素陣列的IPV4 格式。

EVShield筆記(4 - 1) : 結合 Arduino WiFi Shield 的 EVShield Web Server(硬體介面)

以EVShield 結合 Arduino WiFi Shield，就可以實現透過無線網路控制 EV3/NXT 的馬達與感應器。
而最簡單便利的人機控制介面就是在 Arduino UNO建置 Web server，這樣任何平台的裝置，即只需以瀏覽器開啟網頁方式遙控機器人的操作，而不需要開發專屬的 App。
下圖為本次所計畫建置的 EVShield WiFi Web server，將會以瀏覽器控制 EVShield 上兩組 RGB LED 的顏色顯現，並同時在 UI Module 的 LCD 螢幕上顯示目前所執行的顏色設定指令。 

【示範影片】

【擴展板推疊方式】
EVShield WiFi Web server 的所有組件如下圖：除Arduino UNO之外，另還包含 UI Module shield、EVShield 以及 WiFi Shield 等三個擴展板。

  

EVShield筆記(3)：測試 EV3 以 I2C 連線控制 EVShield

EVShield 是作為Arduino連接 Mindstorms NXT/EV3 馬達與感應器的擴展板。
EVShield具備的功能中，除了 Servo pins 之外，都是透過 I2C 方式進行控制，包含：三個按鍵、兩個 RGB LED、四個 Motor ports 以及 四個 Sensor ports。
而對於同樣具有 I2C 通訊介面的 EV3主機 Sensor ports，應該也可以取代 Arduino 直接連接及運用 EVShield 的功能，以下即是對於這個需求所進行的測試記錄。

【EV3 接線方式】：
如下圖，將 EVShield 背面正下方的 4 pins I2C 接腳轉接成 RJ12 cable 之後，連接 EV3 的 Sensor Port。

【EV3 使用軟體】：
EV3 程式使用 RobotC 4.32 版。
至於 EV3 軟體，目前已知 Mindsensors 與 DI 的 EV3-I2C Programming Blocks，在功能方面並不適用。
 

EVShield I2C 架構

如下圖，EVShield 由兩個 I2C Slave 裝置所組成，分別為 Bank A ( 位址：0x34 ) 與 Bank B ( 0x36 )，其中 LED 與 按鍵 的控制功能都建立在 Bank A，詳細的 I2C 暫存器資訊需參考 "EVShield Advanced Development Guide" 文件。

EVShield筆記(2)：UI Module使用者介面擴展板程式摘要

EVShield 雖然可以透過 Arduino IDE 的 Serial Console來顯示訊息或輸入資料，不過必須是與電腦連線的狀態，而 mindsensors 則推出了一個 UI Module For EVShield or Arduino 擴展板，具備 320x240 解析度的 2.2" 彩色 TFT 螢幕 以及 一個五向搖桿，提供更方便與彈性的使用介面。

UI Module Arduino程式庫

UI Module本身是Arduino擴展版，並不需要與 EVShield搭配才能使用。
其中TFT LED 是 SPI介面的 Adafruit ILI9340，五向搖桿則是使用 Arduino的 A1(Up)、A2(Down)、A0(Right)、A3(Left)、D2(Center) 五個Digital pins。

在mindsensors官網中共提供了三個下載的Arduino程式庫：

• Adafruit_GFX：這是 Adafruit 原廠 LCD/OLED 顯示器的通用繪圖及文字顯示功能程式庫，須搭配特定顯示器的程式庫一起使用，如：Adafruit ILI9340。
  詳細使用方式可以參考手冊： "Adafruit GFX Graphics Library"。

• Adafruit_ILI9340：這是定義ILI9340 TFT LCD特定屬性的程式庫，提供作為搭配  Adafruit_GFX 程式庫功能的使用。

• EVs_UIModule：這是 mindsensors 提供的 UI Module程式庫，除繼承前面兩個程式庫的顯示控制功能之外，另定義讀取五向搖桿狀態以及簡化的螢幕控制與文字功能。

在Arduino sketch中需要按照以下順序 include程式庫，才能夠使用定義的功能：

#include ＜SPI.h＞
#include ＜Adafruit_GFX.h＞
#include ＜Adafruit_ILI9340.h＞
#include ＜EVs_UIModule.h＞

void  setup()
{
  Serial.begin(115200);  
  delay(1000); 
  
  uim.begin();
}
  

UI Module使用者介面實作

UI Module雖然具有比 EV3 更生動的彩色螢幕，不過受限於 Arduino 硬體資源，需要妥善規劃運用方式，才能夠充分發揮效果，因此，就先以預計要移植到 EVShield 的 "樂高積木顏色分類機" 的需求，實作一個顯示積木顏色的 UI 畫面。

在下圖中，將螢幕UI畫面區分成三個功能區：

EVShield 筆記(1)：Mindsensors EVShield 特性摘要

EVShield 是 mindsensors 為Arduino平台連接使用 Mindstorms NXT/EV3周邊所開發的擴展板。
 

比較前一代的NXShield，增加支援了使用 UART介面的 EV3感應器，包含：Color、Gyro、IR、Touch與Ultrasonic等，不過由於取消了 Software I2C Master功能，所以無法使用 NXT的Ultrasonic sensor。
至於 NXT 的其他類比式感應器與 mindsensors 的數位感應器/控制器等，在 EVShield 程式庫 中都有提供對應的 API  ( 下載連結 ) 。

 

  

EVShield介面
 

Arduino筆記：移植『EV3樂高積木顏色分類機』至Arduino平台(NXShield or EVShield) - ( II )

※ 本文接續自：
『EV3樂高積木顏色分類機』移植Arduino平台計畫 Part I 

◎ 本文 Brick Feeder、Brick Loader及 Robot Arm等三個功能單元測試影片

3. Brick Feeder：
     
   
   
   【控制功能】
    Brick Feeder的功能是將已經完成顏色辨識的積木透過以下動作傳送給Brick Loader機構：
   (1) 驅動 EV3 M-Motor(Reverse)抓取積木，當抓緊積木之後，經由Under-Actuation 機制會轉動爪取手臂將積木開始往Brick Loader傳送，同時透過另一組齒輪系抬起托盤。
   
   (2) 當積木已經傳送到托盤所抬起的目標位置時，會因齒輪的作用造成EV3 馬達停滯無法繼續運轉，而這個狀態需要透過程式判斷，在RobotC可以使用偵測馬達的 RPM值達成，至於 NXShield的 API則需以讀取EV3馬達 Encoder值的變化來判斷。
   
   (3) 再以反向驅動 EV3 M-Motor(Forward)釋放積木至托盤，同樣經由Under-Actuation 機制，除了會將爪取手臂轉回EV3顏色感應器所在的位置之外，同時也會放下托盤將積木滑至Brick Loader。
   
    【Arduino程式】
    
   對於Brick Feeder，程式最重要的功能就是判斷 EV3 馬達的停滯狀態(stalled)，原廠的說明文件中曾提到，每一個Motor port會有一個Status Byte，其中 bit7可以檢測 "Motor is stalled"狀態，實際上測試似乎沒有作用，因此，改成以讀取馬達的 Encoder value作為判斷，以下為Arduino程式碼：
   

   
   ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
   // Control the Brick Feeder(EV3 M-Motor)
   ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
   void controlBrickFeeder(bool isFeeding) {
     int32_t curr_encoder, prev_encoder;
     
     nxshield.bank_b.motorStop(SH_Motor_2, SH_Next_Action_Brake);
     delay(300);
     nxshield.bank_b.motorResetEncoder(SH_Motor_2);
     curr_encoder = nxshield.bank_b.motorGetEncoderPosition(SH_Motor_2);
     prev_encoder = curr_encoder;
     if (isFeeding)
       nxshield.bank_b.motorRunUnlimited(SH_Motor_2, SH_Direction_Reverse, 30);
     else
       nxshield.bank_b.motorRunUnlimited(SH_Motor_2, SH_Direction_Forward, 50);
     delay(1000);
     while(true) {
       curr_encoder = nxshield.bank_b.motorGetEncoderPosition(SH_Motor_2);
       if(abs(curr_encoder - prev_encoder) < 10) break;
       prev_encoder = curr_encoder;
       delay(500);
     }
     nxshield.bank_b.motorStop(SH_Motor_2, SH_Next_Action_Float);
     delay(500);  
   }
       

Arduino筆記：移轉『EV3樂高積木顏色分類機』至Arduino平台(NXShield or EVShield) - ( I )

在五月底曾答應 Mindsensors 的 Mr. Deepak要將『樂高Technic Beam積木顏色分類機』由 EV3 + RobotC 移轉至 Arduino + EVShield 平台，而在等候 EVShield寄達之前，先行以 NXShield測試各個組成機構轉換成Arduino的功能，接下來在移轉至EVShield時，就可以直接整合，省掉單元測試的工作。

EV3 to Arduino 轉換計畫

EV3版的『樂高Technic Beam積木顏色分類機』共由五個主要機構所組成，包含：

• 托盤 及 輸送帶：使用 PFMate+PF IR接收器 控制 PF L-Motor 以及 EV3觸控感應器。
• 顏色辨識：使用 EV3顏色感應器。
• Brick feeder：使用 EV3 中型馬達。
• Brick loader：使用 PFMate + PF IR Receiver 控制 PF Servo Motor。 
• Robot Arm：使用 NXTServo 控制四顆 RC Servo。

EV3 版 的五個組成機構

在計畫先以 Arduino + NXShield 平台進行單元測試前，需因應 NXShield 與 EV3 感應器的相容問題調整以下的配備：

• 以NXT觸控感應器取代EV3觸控感應器。
• NXShield 需要連接  mindsensors 的 EV3-Sensor-Adapter 才能使用EV3的顏色感應器。
  (參考：" Mindsensors EV3 Sensor Adapter for NXT 基本功能測試 ")
• NXShield 已內建 6 組 RC Servo接腳，所以不需使用 NXTServo。

以下圖示為單元測試之所有機構：

NXShield版測試機構

以下圖示為單元測試之功能架構圖：

Arduino筆記：以Sparkfun LED Strip(LED燈條)裝飾樂高聖誕樹

去年底應景做了『讓EV3播放聖誕音樂』，同時也以樂高零件搭配LED燈條組合成聖誕樹，展現的燈光效果確實很有年節的氛圍。

樂高 LED燈飾聖誕樹

而其中LED燈條使用的是『Sparkfun RGB LED Strip』，共串接了32顆的 RGB LED，每一個LED各自由一顆 WS2801 驅動IC控制，因此可以獨立控制每一顆LED的顏色顯現(addressable)，透過程式即可以展現出如下面影片中的特殊效果。

重要技術資訊

Sparkfun官網中的範例程式部分資訊有誤，以下則是經測試後確認功能確實可以正常運作：

1. 燈條首尾分別為四芯的公與母接頭，可繼續延伸串接，四芯線與Arduino的接線方式為：
   ● 紅色 - 5V
   ● 藍色 - CKI (Data Clock Input)
   ● 綠色 - SDI (Serial Gray Scale data input)
   ● 黃色 - GND
    
2. 每一顆LED以 24-bit 顏色值資料控制顏色的顯示：
   
   
   
   

Arduino筆記: Sparkfun 8X16 RGB LED矩陣顯示控制

Sparkfun的8X8 LED矩陣使用SPI介面控制顯示64個LED，同時背板也具備Daisy Chain功能，可串接多個同型的LED矩陣，透過Arduino(SPI Master)傳送資料給第一個控制板，會依序傳遞給所有鏈結的LED矩陣，控制所有LED的顏色顯示。

SparkFun 8x8 LED 矩陣控制板

過去曾經使用過以單一LED矩陣製作『NXT顯示裝置(NXT RGB LED訊息看板)』，由於8X8 LED數量的限制，因此只適用於水平捲動顯示英數字型的訊息。對於筆劃較複雜的中文字型，則至少需要有16X16的解析度，所以這次將會以Daisy chain串接兩個8X8 LED矩陣成為8X16的顯示面板用來顯示中文訊息。
在以下的影片中，會展示以水平捲動方式顯示8X8英文字型以及垂直捲動顯示16X16中文字型等兩種效果。

『EV3 8x16 LED顯示看板』示範影片：

RobotC 4.X實作：樂高Technic Beam積木顏色分類機(LEGO BRICKS SORTER)

RobotC 4.X版原來對於EV3的I2C功能一直不是很穩定，常出現Bus error的錯誤，不過從4.27版之後就已經能夠正常支援了，所以這次以mindsensors的PFMate與NXTServo(V1.0)兩個I2C數位控制器，再搭配EV3中型馬達以及觸控' 顏色兩種感應器實作一個『樂高Technic Beam的積木顏色分類機(LEGO BRICKS SORTER)』，用來測試RobotC相關的EV3功能，包含：馬達、感應器、I2C通訊以及EV3的多工作業等。

示範影片：

機構總覽：

Bricks Sorter整體機構