Microduino 公益项目 -- 聪明的鸟蛋！完结前的汇报

wasdpkj

Step 1: 项目由来


International Centre for Birds of Prey （国际猛禽中心）要做一个保护秃鹫的公益项目。
主要是要做一个假鸟蛋，放到猛禽窝里，来观察猛禽到底是怎么孵蛋的。
这个假鸟蛋里面要有温度、湿度和姿态传感器，一个MCU和数据记录装置。
考虑到对方是猛禽，这个系统需要把鸟蛋内监测到的数据以无线的方式传输出来，电池要求至少70天的电池续航时间。
另外需要一个数据库/图形界面来显示这些数据, 最好有实时曲线。

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Step 2: 项目规划


这个应用有很多挑战：

• 在鸟蛋的狭小空间中集成所有所需功能，并保证其可靠性。
• 70 天的续航时间，对系统功耗、系统稳定性是个巨大考验。
• 社区项目的组织、执行、协调和完成是个难题。
  

Microduino计划将此项目分为以下几部分来做：

• 蛋内采集端
• 数据中继端
• 服务器云端
  

我们将此项目拆分成三个部分，每个部分都需要招募志愿者负责，最为关键的是志愿者之间工作的协调，这将成为本项目成功与否的决定性因素。
我们还要设计三个部分的通信方式以及协议，还有至关重要的续航挑战：70天！

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Step 3: 志愿者

@小文 作为项目的硬件支持 家乡是江西省九江市的，目前是在校学生，学的是应用电子专业。会一些电子硬件电路设计。 参加这个项目主要是对它比较感兴趣，同时也想为这种公益项目作一点小小的贡献！

@袖手蹲 作为项目的中继支持 厨师 原来专业化工自动化仪表 法律专业 爱好电子。

@火卫一 作为项目的鸟蛋端支持 祖籍是黑龙江省宁安县；现在是北京人儿。03年开始进入手机行业，负责软件开发。现在专注于蓝牙产品的设计、开发。 参加这个项目，是希望通过自己的努力对“公益项目”做出一点儿贡献，同时学到更多的东西、认识更多的志同道合的人。

@leeturn 作为项目的云端&网页支持 湖北人，从事web开发，熟悉PHP。 希望能更多地接触硬件，在提升自己的同时也为公益奉献一份微薄之力，也希望自己在快乐中与大家共分享、共进步。

@铵君 作为项目的中继端支持（香蕉派） 内蒙古人，喜欢树莓派，捣鼓程序的的高中生。

@老锅 作为项目的云端&数据库支持 现在在深圳工作，资深工程师，喜欢Microduino，喜欢开源精神。                   被年轻人的热情感动了，毅然决定支持这个公益项目。

@问天鼓 作为项目的云端&网页支持 祖籍湖北，现在北京工作，老程序员，基本上从前到后什么都干过，目前专注于智能硬件、大数据分析领域。 从小就爱看动物世界，喜欢亲近自然，能参与动物保护是件很cool的事。参加这个项目为了能更深入地了解智能硬件相关技术，认识更多志同道合的朋友。

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Step 4: 项目要求


我们所需要的数据有：

• 蛋内的温度分布数据
• 蛋内的湿度数据
• 蛋在孵化时候的姿态数据
  

我们将要把以上数据都进行储存，还需要一个网页来展现出这些数据：

• 温度、湿度、气象站数据以数字形式展现出来；
• 建立3D鸟蛋模型，实时将姿态展现出来；
• 温度以云图分布形式在3D鸟蛋上表现出来。
  

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• 因为蛋内待机要达到70天，必须考虑低功耗，因此我们将大多数数据的处理、计算、数据库、互联网都安排在蛋外；
• 我们会在蛋外设置一个中继，用以作为数据的处理、储存以及连接网络的管理单元；
• 当然，为了接入互联网，一个云端平台也是必不可少的。
  

到此为止，我们的三个平台就基本构思好了！下面是这三个平台具体任务分配：

数据采集端

• 检测鸟蛋温度、湿度、姿态
• 无线传输数据到蛋外
• 采集间隔时间频率，精度
• 可以连续工作70天
  

数据中继端

• 接受蛋内数据无线中继
• 作为外界环境气象站
• 拥有准确的RTC作为时间轴
• 将数据存入树莓派部分数据库
• 没互联网时，可以自带网页查看实时信息
• 可以将数据库最新数据推入互联网
  

服务器&云端

• 数据来自树莓派内数据库
• 将最新数据在网页中展现
• 建立鸟蛋3d模型以展示姿态与温度
  

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有可能的话，将此套系统做成一个大平台，用作全世界的濒危猛禽保护工作：
因此我们需要在中继以及云端上面独立出每个蛋以及数据的唯一ID，以便今后的组网工作。

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Step 5: 项目方案


系统框图：

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数据要求：

数据 [@蛋内]

运动姿态：（有符号int16）
需要获取：

• 俯仰(pitch)
• 偏航(yaw)
• 滚转(roll)
• 加速度（可选）
  

将用到三轴加速度和陀螺仪，在此选用MPU6050
需要实时性很高的数据，捕捉每一个动作发生时的变量：为了省电，不让MCU一直刷新，利用MPU6050内的中断

• 附：“可程式控制的中断(interrupt)支援姿势识别、摇摄、画面放大缩小、滚动、快速下降中断、high-G中断、零动作感应、触击感应、摇动感应功能” （点击我）
  

为了降低蛋内的运算量，只要求蛋传出：

• 三轴加速度数据
• 三轴陀螺仪数据
  

温度数据：（直接取用18B20获取温度，不用除以16）

• 需要14个温度传感器覆盖在蛋表面的各个位置，刷新速率10s到60s就行
• 温度传感器选用DS18B20传感器，单总线通讯，只需一个I/O口即可连接十几个传感器
  

湿度数据：（将湿度数据乘以10发送）

• 需要一个湿度传感器布置在蛋内，刷新速率10s到60s就行
• 温度传感器选用sht21传感器，I2C通讯
  

数据 [@中继]

时间轴：

• 中继需要一个准确的RTC提供时间，来创建时间轴匹配接受到的蛋内数据
• RTC采用Microduino RTC模块，PCF8563芯片
  

@中继（Microduino）将处理蛋内所有传来数据：

• 将解析出蛋内传来的所有数据，存在@中继（树莓派）数据库中
  

中继需要作为一个小型气象站：

• 当前环境的温度数据
  
  • 为了利于和蛋内数据相比较，温度传感器同样选用DS18B20传感器，单总线通讯
    
• 当前环境的湿度数据
  
  • 为了利于和蛋内数据相比较，温度传感器同样选用sht21传感器，I2C通讯
    
• 当前环境的光照数据
  
  • 选用TSL2561，I2C通讯
    
• 当前环境的气压数据
  
  • 选用BMP180，I2C通讯
    

数据库 [@中继（树莓派）]

@中继（树莓派）会将收到@中继（Microduino）所处理好的@蛋内所有的数据储存到自己的数据库中
蛋内数据数据库：
     https://github.com/gaoyichuan/Vu ... ts/Egg_Database.sql
气象站数据数据库：
     https://github.com/gaoyichuan/Vu ... eather_Database.sql

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通讯方式：

通讯方式 [@蛋内与@中继（Microduino）]

通讯实现方式：

• 基于BLE协议饯：
• 蛋内使用基于BLE协议饯编程后的CC2541
• 蛋外使用BLE模块，与蛋内通过BLE协议饯串口透传数据
• 要求在BLE协议饯的基础上，每个蛋要有唯一ID，中继也要有唯一ID
• @中继（Microduino）能够扫描到蛋的ID，并且与之建立连接
  

发送条件：

• 各项类型数据采集到的时候，分别发送；比如采集完所有14个温度传感器后，发送温度数据，采集完姿态数据后，发送姿态数据
  

协议数据格式：

• 0xAA 0xBB [type] [data] 0x0D 0x0A
• 0xAA 0xBB 是固定的数据头
• [type]是类型代码：
• 姿态：0xAA，温度：0xBB，湿度：0xCC
• [data]是数据，每个数据占2个字节，低位在前，比如：0xA9 0x01数据；数据是低位在前，所以0x01 0xA9是数据，值是425
• 姿态数据：数据从前往后分别代表accelX-axis，accelY-axis，accelZ-axis，gyroX-axis，gyroY-axis，gyroZ-axis；6个数据，共12个字节；低位在前
• 湿度数据：1个数据，共2个字节；低位在前
• 温度数据：数据从前往后分别代表1~14个温度传感器值；14个数据，共28个字节；低位在前
• 0x0D 0x0A是固定的数据尾
  

示例（温度）：

• AA BB BB 1A 01 2A 01 3A 01 4A 01 5A 01 6A 01 7A 01 8A 01 9A 01 1B 02 2B 02 3B 02 4B 02 5B 02 0D 0A
  

通讯方式 [@中继（Microduino）与@中继（树莓派）]

通讯实现方式：

• 串口
  

连接鸟蛋：

• 中继可以从多个鸟蛋中获取数据，我们将需要获取的鸟蛋数目、对应ID事先在@中继（Microduino）内设置，中继将从第一个开始轮流连接/接收鸟蛋数据
  

发送条件：

• @中继（Microduino）获取到@蛋内传来数据后，配上中继时间轴、ID等数据，分别转发给@中继（树莓派），比如获取温度后发送温度数据，获取姿态后发送姿态数据
• @中继（Microduino）获取/发送气象站条件：
  
  • 接收到姿态数据：不需要气象站数据
  • 接收到温度或者湿度数据，需要气象站数据
    

数据协议：

• ::= ...::= ;::= "Egg" | "Weather"if = "Egg"   ::= <蓝牙ID>;;[<加速度数据>];[<陀螺仪数据>];[<温度数据>];[<湿度数据>]if = "Weather"   ::= ;<温度数据>;<湿度数据>;<光照数据>;<气压数据>......................
  

详细说明：

• https://github.com/gaoyichuan/VultureEgg/blob/master/Documents/StringProtol.md
  

通讯方式 [@中继（树莓派）与@云端]

通讯实现方式：

• 互联网
  

@中继（树莓派）会把最新数据传送到互联网的服务器
这个服务器面向公众，承受流量
今后的@云端维护都利用这个服务器
发送条件：

• 有互联网
• 得到最新数据后
  

数据协议：

• 待定
  

详细说明：

• 待定
  

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硬件说明：
@蛋内：

所需模块：

• Microduino-Core BLE
• Microduino-10DOF
  

• 所需传感器：
  
  • 温度传感器采用DS18B20，仅仅需要三条线：地、电源、信号；单总线通讯，只需一个I/O口即可连接十几个传感器
  • 湿度传感器选用sht21传感器，I2C通讯，需要四条线，地、电源、信号SDA、信号SCL
    
  
  

@中继（Microduino）：

• 所需模块：
  
  • Microduino-Core+
  • Microduino-BLE
  • Microduino-RTC
    
• 所需传感器：
  
  • 温度传感器采用DS18B20，单总线通讯；仅仅需要三条线：地、电源、信号
  • 湿度（SHT21）、气压（BMP180）、光照（TSL2561）的传感器都是I2C通讯；需要四条线，地、电源、信号SDA、信号SCL
    

@中继（树莓派）：

• 所需模块：
  
  • 树莓派
    
• 所需转接底板：
  
  • Microduino转树莓派
    
• 采用串口通讯：
  
  • Core+的串口1（D2、D3）作为与BT模块的通讯管脚    （需跳线BT模块）
  • Core+的串口0（D0、D1）作为与树莓派的通讯管脚    （默认）
    

@云端服务器：

• 服务器
  




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Step 6: 项目进程



• 2014-09-11：设置Web显示最小屏幕尺寸，高度小于580时，显示区域不再缩小。2. 修正蛋的缩放只在WEBGL container内进行
• 2014-09-09：四元数姿态调整实现并测试，针脚朝下时蛋小头朝上，红轴为10dof 的 x ， 蓝轴为 y， 绿轴为 z
• 2014-09-05：中继 数据库 网页都配合四元数做了改动
• 2014-09-04：@火卫一 打通蛋内dmp数据
• 2014-09-03：@火卫一 开始改写dmp程序，中继和服务器相继更新；鸟蛋专题页面搭建完毕
• 2014-09-02：修正了一个中继数据溢出问题
• 2014-08-31：姿态BUG修正！但姿态角的Z轴不可用，计划更新为DMP处理方式
• 2014-08-29：经过志愿者们的努力，终于打通云端数据库！系统全部联通！
• 2014-08-27：1.迁移数据库到pi_report，egg_report两个表中，修正数据服务，将以前需要四次数据库连接才能完成的数据请求，优化为只需一次即可。2，修正在firefox上会多出一段滚动条的问题。3，调整对于不支持webgl的浏览器的信息显示位置为显示蛋的位置。
• 2014-08-24：@老锅 开始进行数据库&服务器调试工作！
• 2014-08-23：web site 微调，更新了页面布局、修复不支持webgl的浏览器不能出数据的问题（数据可见，蛋不见），修正渲染切换时color略不一致的问题
• 2014-08-22：web site 数据可视化实现，并对原实现方式进行了重构，将数据库连接部分单独抽取出来，形成一个返回JSON的数据服务。修正部分页面展示风格。
• 2014-08-18：鸟蛋的温度可视化、姿态变化基本完成。并重构了代码。
• 2014-08-15：@问天鼓 作为网页端志愿者加入了团队，完成了很酷的3d鸟蛋demo，包含温度云图
• 2014-08-12：@小文 完成中继新款底板的设计与调试
• 2014-08-11：湿度传感器读值问题成功解决！
• 2014-08-08: 联调成功，蛋内-中继(Microduino)-中继(树莓派)通讯完毕，树莓派数据库连接成功
• 2014-08-04: @蛋内和@中继（Microduino）通讯建立，解决几个BUG后正常运作
• 2014-08-02: 重新确定项目要求，具体改动是将树莓派作为转发服务器，互联网作为主服务器
• 2014-07-27: 网页和数据库对接完毕，但在构建3d鸟蛋的时候遇到了很多问题
• 2014-07-23: 中继与树莓派的通讯处理完毕
• 2014-07-22: 中继的气象站获取完毕
• 2014-07-20: 中继的时间戳获取完毕，数据库样本建立完毕，准备开始和网页的对接
• 2014-07-17: 蛋内到中继的通讯处理完毕，利用Microduino Core+即可解析蛋内发来数据
• 2014-07-12: 再次明确蛋内、中继、树莓派的通信协议
• 2014-07-10: 今天是创造性的一天，@火卫一 将蛋内Core BLE与蛋外BT模块的通讯成功打通！项目关键的一步完成了！
• 2014-07-08：@leeturn 制定了网页的基本要求：要做到网页3d显示实时姿态，支持树莓派本地查看+云端查看，可能需要用到html5；@袖手蹲 先用一个Core与10DOF模拟蛋内情况，用BT模块把数据按照协议格式透传给中继，做好了以后可以兼容蛋内的CoreBLE
• 2014-07-07： @铵君 和 @袖手蹲 在按照制订的协议规范研究串口通讯
• 2014-07-06： @火卫一 还在研究串口，验证蛋内的CoreBLE把数据给中继的BT模块，BT模串口透传块出来
• 2014-07-05： @老潘 制定出了详细的项目要求
• 2014-07-03：今天@铵君 加入了我们团队，作为中继和鸟蛋的技术支持，他提出了将用树莓派进行中继数据的处理以及储存，于是Microduino就将准备好的Microduino&树莓派转接板交给了他！是的，你可以用Microduino连接树莓派！
• 2014-06-30： 1.温度传感器纠结于要不要使用PT100 因为蛋内可能需要布置十几个温度传感器，每个PT100都需要设计运放底板，因此功耗和体积都成了影响因素。 再次考虑DS18B20、以及LM75A传感器。 2.完成对10dof中MPU6050中断引出的改版
• 2014-06-29： @leeturn 作为志愿者D加入团队，提供网络支持。 @火卫一 成功将MPU6050程序移植到蛋内的CC2541上运行。 @小文 计划将湿度传感器在SHT20、SHT21、HTU21D几个中进行选型。 需要权衡几点： - 精度 - 功耗 - 体积 - 占用I/O口
• 2014-06-27： 项目已经确定好了目标，志愿者手上已经收到了我们提供的硬件，项目正式启动。 @袖手蹲 将会先开始进行BLE通讯模块的采集实验、以及SD卡读写实验。 @火卫一 将会开始调试Microduino Core BLE（CC2541），在BLE协议饯的基础上展开数据采集实验。 @小文 将会开始PT100温度传感器的设计。
• 2014-06-26: 开始确认项目要求以及可行性分析
  



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Step 7: 相关资源



• 项目官网：http://www.eggduino.org
• 项目管理：https://trello.com/b/QVV6CjHp
• 项目起源：http://forum.arduino.cc/index.php?topic=247534
• 鸟蛋演示：http://egg.clouduino.cc
• 深度定制Arduino IDE：http://pan.baidu.com/s/1jGn56Ma
• github：
  
  • 蛋内：https://github.com/lixianyu/VultureEgg
  • 中继(Microduino)：https://github.com/wasdpkj/VultureEgg
  • 中继（树莓派）https://github.com/gaoyichuan/VultureEgg
    



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Step 8: 项目花絮


中继通信调试成功：


第一次联调：


中继数据库通信成功：


鸟蛋3D渲染成功：


新版气象站底板：


鸟蛋正常运转：

井底添蛙

赞赞                 

Paderboy

{:soso_e179:}好项目。。。赞

ranqingfa

很漂亮啊，非常有意义的项目

thomas

不考虑无线供电吗？

yyy_zc

好工艺 ，好公益，好公议

baicaiby

wow，很棒！

林定祥

好棒,但是最关键的蛋壳传感的70续航的电力问题怎么办,蛋壳里不可以放个大电池吧,蛋壳的材料也挺关键的,如果感觉不对,有鸟儿不愿意孵化的可能性.

看题目有个鸟的窝,是否电力可以在窝里提供,类似无线充电.

ianon

厉害厉害

topdog

爱心串起来的开源项目。

wasdpkj

林定祥 发表于 2014-9-17 11:48
好棒,但是最关键的蛋壳传感的70续航的电力问题怎么办,蛋壳里不可以放个大电池吧,蛋壳的材料也挺关键的,如果 ...

蛋内用的是BLE，非常省电~~

秋刀鱼z

太棒了！！！！！！！！！

水涌沧

{:soso_e179:}

wudan3551

好厉害啊！

火卫一

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