Josip Budulica SEMINARSKI RAD - SPVP...

Josip Budulica 0036440961

Tekst je namjenjen za sve studente i

one koji žele naučiti nešto više o

praktičnom radu u razvojnom sustavu

Arduino

Za razumijevanje teksta potrebno je

imati osnovna znanja iz elektrotehnike

i programiranja

SEMINARSKI RAD - SPVP

8. lipanj 2011

Prijenos zvuka preko UDP-a

2

Sažetak

U ovom tekstu opisano je jedno od rješenja ozvučenja kuće. Glazba

se šalje preko Ethernet mreže u IP paketima te se reproducira u realnom

vremenu. Kao glavni element koristi se Arduino Duemilanove

mikrokontroler te njegov Ethernet Shield pomoću kojeg se spaja na mrežu. Za prijenos zvuka odabran je UDP (User Datagram Protocol)

protokol iz tog razloga što je prvenstveno zamišljeno da se glazba prenosi

na manjem tj. lokalnom prostoru i da iz tog razloga neće doći do gubitaka

paketa, čemu je UDP protokol podložan. Za prijenos i reprodukciju glazbe

u realnom vremenu potrebna je i velika brzina prijenosa što je još jedan

razlog zašto je odabran UDP ispred TCP (Transmission Control Protocol)

protokola koji je pouzdaniji ali zahtjeva potvrdu ispravnog prijenosa

podataka te je time sporiji.

Sadržaj

1. UVOD ............................................................................................................ 3

2. DIJELOVI SUSTAVA ......................................................................................... 4

2.1. Izvor zvuka: ............................................................................................ 4

2.2. Sustav za prijenos zvuka: ......................................................................... 4

2.2.1. Arduino Duemilanove: ........................................................................ 4

2.2.2. Ethernet Shield: ................................................................................ 5

2.2.3. RJ-45: .............................................................................................. 6

2.3. Primatelj zvuka i reprodukcija zvuka: ......................................................... 6

3. IMPLEMENTACIJA: .......................................................................................... 7

3.1. Opis spajanja: ......................................................................................... 7

3.2. Programski kod:....................................................................................... 8

3.2.1. Pošiljateljska strana: .......................................................................... 8

3.2.2. Primaća strana: ............................................................................... 11

4. UPUTE ZA POKRETANJE: ................................................................................ 12

5. ZAKLJUČAK .................................................................................................. 14

6. LITERATURA................................................................................................. 15

7. POJMOVNIK ................................................................................................. 16

Ovaj seminarski rad je izraĎen u okviru predmeta „Sustavi za praćenje i voĎenje procesa“ na Zavodu za elektroničke sustave i obradbu informacija, Fakulteta elektrotehnike i računarstva,

Sveučilišta u Zagrebu.

Sadržaj ovog rada može se slobodno koristiti, umnožavati i distribuirati djelomično ili u cijelosti,

uz uvjet da je uvijek naveden izvor dokumenta i autor, te da se time ne ostvaruje materijalna korist, a rezultirajuće djelo daje na korištenje pod istim ili sličnim ovakvim uvjetima.


3

1. Uvod

U sklopu seminarskog rada „pametna kuća“ opisano je i realizirano

jedno od rješenja problema ozvučenja u kući. Glazba se šalje preko

Ethernet mreže UDP/IP protokolom. Sirovi audio signal iz nekog audio

izvora Arduino Dueminalove prihvaća te pomoću svog Ethernet Shielda

šalje UDP protokolom na računalo povezano RJ-45 kabelom. Računalo je

programirano da te podatke prihvaća te da ih šalje na zvučnu karticu tj.

da reproducira zvuk. Za realizaciju ovog projekta potrebno je imati Arduino Duemilanove mikrokontroler, Ethernet Shield, računalo sa

instaliranim Ubuntu operativnim sustavom, RJ-45 kabel te komponente

potrebne za realizaciju predsklopova. Detaljna realizacija projekta biti će

objašnjena u nastavku ovog dokumenta.


4

2. Dijelovi sustava

Ovaj sustav sastoji se od izvora zvuka, sustava za prijenos i

primatelja zvuka (reprodukcija zvuka).

Slika 1 Principjelna shema sustava

2.1. Izvor zvuka:

Kao izvor zvuka koristi se bilo kakav audio ureĎaj te se uzima sirovi signal koji se inače dovodi na njegove zvučnike. U ovom projektu korišten

je izlazni audio signal iz računala koji se dovodi iz line out priključka ali

priključivanje drugog izvora zvuka poput CD playera, MP3 playera ili

nekog trećeg je potpuno identično. Ako bi se koristio mikrofon kao izvor

zvuka bilo bi potrebno napraviti predpojačalo što u ovome radu neće biti

objašnjeno.

2.2. Sustav za prijenos zvuka:

Sustav za prijenos zvuka sastoji se od Arduino Duemilanove mikrokontrolera, Ethernet Shielda i RJ-45 kabela.

2.2.1. Arduino Duemilanove:

Slika 2 Arduino Duemilanove mikrokontroler

Arduino je „open source“ platforma zasnovana na fleksibilnom i

jednostavnom za upotrebu hardveru i softveru. Mikrokontrolerska pločica je temenjena na ATMega168 ili ATMega328 procesoru. Ima 14 digitalnih

pinova koji se softverski mogu odabrati hoće li se koristiti kao ulazni ili


5

kao izlazni pinovi. Od njih 14, 6 ih se može koristiti kao PWM (Pulse Width

Modulation) izlaze i to na pinovima 3, 5, 6, 9, 10 i 11. Arduino

Duemilanove ima i šest analognih ulaza koji su smješteni nasuprot

digitalnim pinovima. Priključak za USB kabel koristi se za programiranje

mikrokontrolera te za napajanje istoga. Kako ovaj mikrokontroler radi sa

naponima 0-5V, a audio signal je izmjenični napon, potrebno je učiniti nešto u vezi toga. Taj problem će se riješiti jednostavnim unošenjem

istosmjerne komponente u audio signal, a na to će se kasnije morati

obratiti pažnja u programskom kodu. Programski kod mikrokontrolera piše

se u posebnom Arduino programskom jeziku temeljenom na C/C++

programskom jeziku.

2.2.2. Ethernet Shield:

Slika 3 Arduino Ethernet Shield

Arduino Ethernet Shield omogućava Arduino mikrokontroleru da se

spoji na internet. Zasnovan je na Wiznet W5100 ethernet čipu koji

osigurava mrežni (IP) stog koji omogućuje i TCP i UDP komunikaciju i

podržava do četiri istovremene veze. Ethernet Shield se spaja povrh

Arduino pločice koja preko SPI sabirnice komunicira sa Ethernet Shieldom

na pinovima 11, 12 i 13. Na Ethernet Shieldu postoje indikacijske lampice

kao što su LINK (indicira prisutnost mreže i „blinka“ kada se šalju ili

dobivaju podaci), RX („blinka“ kada se primaju podaci sa mreže), TX

(„blinka“ kada se šalju podaci na mrežu) koje daju uvid u osnovne dogaĎaje.


6

2.2.3. RJ-45:

Slika 4 RJ-45 kabel

RJ-45 je u računarstvu neformalni naziv za 8-polni modularni utikač

ili utičnicu kakve se koriste u strukturnom kabliranju (npr. za potrebe

Ethernet-a ili ISDN-a). U ovome projektu RJ-45 kabelom povezati će se

Ethernet Shield sa osobnim računalom te će se preko njega slati podaci.

2.3. Primatelj zvuka i reprodukcija zvuka:

Kao primatelj zvuka koji će prihvaćati podatke koje sadrže zvučnu

informaciju koristit će se računalo. Računalo će preko RJ-45 mrežnog

kabela dobivati podatke od Ethernet Shielda te će ih prenositi na zvučnu

karticu koja će preko zvučnika reproducirati podatke u vidu audio signala.

Kao simulaciju drugog računala (zvučnika), na kojeg bi se audio signal

mogao prespojiti, koristit će se isto računalo (ista IP adresa) ali će

„slušati“ sa dva porta (no ne i istovremeno).


7

3. Implementacija:

3.1. Opis spajanja:

Slika 5 Shema spajanja sustava

Na slici 5 prikazana je shema spajanja sustav. Preko kondenzatora

od 10uF dovodi se sirovi audio signal iz line out konektora računala. Kao

što je već rečeno, Arduino mikrokontroler radi sa naponima od 0-5V pa je

potrebno izmjenični audio signal podići za odreĎeni iznos. Ovdje je to

izvedeno naponskim dijelilom kojim se izmjeničnom audio signalu dodaje istosmjerna komponenta od 2.5V podižući tako audio signal na pola

naponskog opsega. Napon od 5V i ground uzimamo sa Arduino pločice.

Kondenzatorom od 4.7nF postiže se efekt „glaĎenja“ audio signala nebi li

se smanjio šum. Tako oblikovani signal dovodi se na analogni ulaz

mikrokontrolera A0. U sklopu projekta zamišljeno je prezentirati

mogućnost automatskog stišavanja zvuka prilikom zvona telefona ili zvona

na ulaznim vratima. Za simulaciju ovog efekta koristit će se sklopka S1

koja će prebacivanjem u jedan položaj simulirati dolazni poziv na telefonu

ili zvono na vratima, a prebacivanjem u drugi položaj simulirati će

poklapanje slušalice nakon razgovora ili zatvaranje ulaznih vrata. Arduino

mikrokontroler posjeduje dva hardverska prekida (interrupt) koji se nalaze


8

na digitalnim pinovima 2 ( INTERRUPT 0) i 3 (INTERRUPT 1). Signali koji

će simulirati npr. dolazni poziv i poklapanje slušalice biti će spojeni na te

pinove, a prekidi će se dešavati na rastući brid promjene signala. Signal

simulacije dolaznog poziva biti će na pinu 3 (INT1), a signal simulacije

poklopljene slušalice na pinu 2 (INT0). Sklopka S2 koristit će se za

prespajanje audio signala na drugo odredište tj. u ovom slučaju na isto odredište (ista IP adresa) ali na drugi port. Ti signali provjeravati će se na

digitalnim pinovima 8 i 9.

3.2. Programski kod:

Potrebno je napisati kod na pošiljateljskoj strani tj. kod koji će slati

UDP pakete sa informacijom audio signala i kod na primajućoj strani tj.

kod koji će primati UDP pakete i slati ih na zvučnu karticu računala.

3.2.1. Pošiljateljska strana:

U gornjem odsječku programa navode se korišteni library-ji,

postavlja se mac adresa samog arduina i njegova IP adresa te lokalni port.

Navode se adrese i odredišni portovi ureĎaja na koje se šalju podaci.

#include

extern "C" {

#include

#include

}

/* ETHERNET CONFIGURATION

* ARDUINO: set MAC, IP address of Ethernet shield,

* and local port to listen on for incoming packets */

byte mac[] = { 0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xED }; //MAC address to use

byte ip[] = { 192, 168, 0, 2 }; // Arduino's IP address

int localPort = 8888; //local port to listen on

/* TARGET: set this to IP/Port of computer that will receive

* UDP messages from Arduino */

byte targetIp[] = { 192,168,0,1};

int targetPort = 8005;

byte targetIp2[] = { 192, 168, 0, 1};

int targetPort2 = 8010;


9

U gornjem odsječku programskog koda nevedeni su pinovi koji se

koriste te hoće li se koristiti kao ulazni ili izlazni. Kod varijable 'prigušenje'

potrebno je navesti 'volatile' što označava da će se ova varijabla mijenjati

u prekidnoj funkciji. U funkciji 'setup', osim navoda tipova pinova, navode

se prekidi i uspostavlja se ethernet komunikacija kao i otvaranje priključka za UDP komunikaciju. Prekidi su postavljeni tako da se prekidna

funkcija izvrši na svaki rastući brid pojedinog signala.

int zvuk = 0; //analogni pin za zvuk

int i=0;

int jedan = 8; //digitalni ulaz

int dva = 9; //digitalni ulaz

volatile int prigusenje = 4;

int zvoni = 0; //zvono telefona

int slusalicaSpustena = 1; //spuštena slušalica

#define PACKET_SIZE 512

uint8_t podaci[PACKET_SIZE];

void setup() {

pinMode(zvoni, INPUT);

pinMode(slusalicaSpustena, INPUT);

pinMode(jedan,INPUT);

pinMode(dva,INPUT);

Ethernet.begin(mac,ip);

socket(0,Sn_MR_UDP,8888,0);

attachInterrupt(zvoni, POZIV, RISING);

attachInterrupt(slusalicaSpustena, SLUSALICA, RISING);

}


10

U gornjem odsječku programskog koda definirane su prekidne

funkcije i glavna petlja. U prekidnim funkcijama postavlja se prigušenje

audio signala ovisno o kojem prekidu je riječ. U glavnoj petlji provjerava

se zadano odredište slanja podataka, puni se buffer (podaci) podacima

analognog signala te se šalje putem UDP-a na odredište.

void POZIV(){

prigusenje = 6;

}

void SLUSALICA(){

prigusenje = 4;

}

void loop() {

while(1){

if(digitalRead(jedan) == HIGH){

for(i=0;i


11

3.2.2. Primaća strana:

Prijem i reprodukcija audio signala izvedeni su u operativnom sistemu

Ubuntu. Korišten je Linuxov napredni zvučni sustav ALSA (Advanced Linux

Sound System). Može se reći da je to komponenta Linux jezgre zadužena

za rad i povezivanje s hardverom zaduženim za zvuk u računalu (zvučne

kartice, mikrofoni, zvučnici itd.). Korišten je Linuxov C++ kompajler gcc.

Instalacija i upute za korištenje biti će objašnjenje u poglavlju „Upute za

pokretanje“.

U gornjem programskom odsječku navodi se library alsa/asoundlib.h

kako bi bilo omogućeno pristupati zvučnoj kartici, definira se buffer

veličine 256 byteova, frekvencija uzorkovanja koja se upisuje prilikom

pokretanja programa, te se otvara komunikacija sa zvučnom karticom.

#include "alsa/asoundlib.h"

static char *device = "default";

/* playback device */

#define BUFFER_SIZE 256

unsigned char buffer[BUFFER_SIZE];

int main(int argc, char *argv[])

{

int err;

unsigned int i;

snd_pcm_t *handle;

snd_pcm_sframes_t frames;

int samplingF = 7200; /*default

int rv;

int size=16;

if(argc>=2)

samplingF = atoi(argv[1]);

if((err=snd_pcm_open(&handle,device, SND_PCM_STREAM_PLAYBACK,

0)) < 0) {

printf("Playback open error: %s\n",snd_strerror(err));

exit(EXIT_FAILURE);

}

if ((err = snd_pcm_set_params(handle,SND_PCM_FORMAT_U8,

SND_PCM_ACCESS_RW_INTERLEAVED, 1, samplingF, 1,1000000))


12

U gornjem programskom odsječku izvodi se petlja u kojoj se

buffer puni pcm podacima koji se tada šalju na zvučnu karticu. Ovaj dio

biti će detaljnije objašnjen u poglavlju „Upute za pokretanje“.

4. Upute za pokretanje:

Kako bi kod namjenjen za Arduino mikrokontroler prebacili na samu

pločicu potrebno je imati odgovarajući softverski alat. Za potrebe ovoga

projekta korišten je Arduino 0016 softver te se preporuča da se koristi ova

verzija programa kako bi se izbjegli neki problemi. U programu odabire se tip korištenog mikrokontrolera (BoardAtm128) te COM port na koji je

spojen USB kabelom. Pritiskom na tipku program se prebaci na

mikrokontroler. Prema uputama navedenim u ovom radu spoji se sustav

koji bi trebao izgledati kao na slici 6. Na računalu na kojeme je instaliran operacijski sustav Ubuntu potrebno je spojiti drugi kraj RJ-45 kabla. U

radnom okružju Ubuntu potrebno je konfigurirati vezu izmeĎu

mikrokontrolera i računala. To se radi u postavkama za mrežu gdje je

potrebno namjestiti IP adresu na koju mikrokontroler šalje podatke

(targetIP u kodu za Arduino mikrokontroler). Nakon što je to napravljeno

potrebno je otvoriti Terminal u Ubuntu radnom okruženju. Potrebno je

izvršiti slijedeće naredbe:

sleep(1);

while(1) {

int rv = fread(buffer,BUFFER_SIZE,1,stdin);

frames = snd_pcm_writei(handle, buffer, BUFFER_SIZE);

size--;

if (frames < 0)

frames = snd_pcm_recover(handle, frames, 0);

if (frames < 0) {

printf("snd_pcm_writei failed: %s\n", snd_strerror(err));

break;

}

if (frames > 0 && frames < (long)rv)

printf("Short write (expected %li, wrote %li)\n", (long)rv, frames);

}

snd_pcm_close(handle);

return 0;

}

sudo apt-get install build-essential

sudo apt-get install libasound2-dev


13

Za izvršavanje ovih naredaba potrebno je imati internet vezu. Ako je

instalacija prošla uspješno sve je spremno za kompajliranje koda koji će

svirati glazbu. Kompajliranje programskog koda obavljamo izvršavanjem

slijedeće naredbe koju je potrebno upisati u Terminal-u:

Treba imati na umu da se tada moramo nalaziti u direktoriju u kojem se

nalazi datoteka (treba je nazvati alsa.c) sa programskim kodom. Tada je

potrebno izvršiti slijedeću naredbu u Terminal-u:

To su ustvari dvije naredbe nc i alsa. Netcat (nc) „sluša“ podatke sa mreže

koje mikrokontroler šalje UDP protokolom i te podatke šalje nastandardni

izlaz. Naredbom „|“ (neimenovani cjevovod) podaci sa standardnog izlaza

prosljeĎuju se na standardni ulaz sa kojeg alsa.c čita podatke naredbom

fread. 8005 je port na kojeme nc „sluša“, a 7200 je frekvencija kojom se

čitaju podaci sa standardnog ulaza i šalju na zvučnu karticu. Zvuk koji dolazi iz izvora zvuka sada bi se trebao čuti na zvučnicima računala.

Slika 6 Realizacijska shema sustava

gcc -Wall -o alsa alsa.c -lasound -lm

nc -l -u 8005 | ./alsa 7200


14

5. Zaključak

Kao rezultat ovog projekta ostvarena je UDP komunikacija izmeĎu

dva ureĎaja, Arduino mikrokontrolera (i njegovog Ethernet Shielda) sa

osobnim računalom. Kao budućnost ovog projekta može se izvesti

miješanje audio signala iz više izvora zvuka. TakoĎer mogla bi se ostvariti

i komunikacija na daljinu tako da se UDP paketi prenose preko interneta.

Primjer primjene toga bio bi postaviti mikrofon u dječjoj sobi i slušati što

se tamo dogaĎa dok ste recimo na poslu. Nedostatak ovog projekta je taj što kvaliteta zvuka pri objašnjenom rješenju nije najbolja te će rijetko ko

koristiti ovo za slušanje glazbe. Kvaliteta se mogla poboljšati upotrebom

„timer interrupta“ za uzorkovanje audio signala na ulazu mikrokontrolera

no to je ostavljeno za druge radove te ovdje nije ni realizirano ni

objašnjeno.


15

6. Literatura

[1] Arduino Home page: http://www.arduino.cc/

[2] Laboratory for Experimental Computer Science at the Academy of Media Arts Cologne: http://interface.khm.de/index.php/lab/experiments/arduino-realtime-

audio-processing/

[3] Advanced Linux Sound Architecture: http://www.alsa-

project.org/main/index.php/Main_Page

http://www.arduino.cc/http://interface.khm.de/index.php/lab/experiments/arduino-realtime-audio-processing/http://interface.khm.de/index.php/lab/experiments/arduino-realtime-audio-processing/http://www.alsa-project.org/main/index.php/Main_Pagehttp://www.alsa-project.org/main/index.php/Main_Page


16

7. Pojmovnik

Pojam Kratko

objašnjenje

Više informacija potražite na

UDP User Datagram Protocol

http://en.wikipedia.org/wiki/User_Datagram_Protocol

PCM Pulse-Code-

Modulation

http://en.wikipedia.org/wiki/Pulse-code_modulation

RJ-45 Mrežni kabel http://en.wikipedia.org/wiki/RJ45

Arduino Duemilanove

Mikrokontroler http://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardDuemilanove

Ethernet Shield Dodatak Arduinu http://arduino.cc/en/Guide/ArduinoEthernetShield
http://en.wikipedia.org/wiki/User_Datagram_Protocolhttp://en.wikipedia.org/wiki/Pulse-code_modulationhttp://en.wikipedia.org/wiki/RJ45http://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardDuemilanove

Josip Budulica SEMINARSKI RAD - SPVP...

Documents

Transcript of Josip Budulica SEMINARSKI RAD - SPVP...