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Créer une boite aux lettres connectée avec Constellation

Sebastien Warin — Wed, 27 Sep 2017 10:29:50 +0000

Projet réalisé par Judith Caroff, Jeanne Leclercq, Luc Fermaut, Pierre Hourdé, Jean-Baptiste Lavoine et Victorien Renault.

Introduction

Étudiants en 3^ème année à l’ISEN-Lille, nous avons eu l’idée de développer une boîte aux lettres connectée en utilisant la plateforme Constellation.

En réalisant ce projet, nous voulions proposer une solution de boîte aux lettres connectée à un prix raisonnable et possédant une interface fluide pour améliorer l’expérience de l’utilisateur. Pour cela, nous avons acheté des composants peu coûteux à placer sur notre boîte aux lettres, et développé une application Ionic.

Notre boîte aux lettres est connectée à la plateforme Constellation par le biais d’un ESP8266, vous pouvez le connecter facilement à votre Constellation en suivant cette documentation sur le site Constellation.

Nous détectons ensuite la présence de courriers à l’aide de capteurs à ultrasons.

Avec un lecteur de cartes NFC, nous contrôlons l’accès à notre boîte aux lettres. Celui-ci nous permet de savoir qui a ouvert la boîte aux lettres et donc d’envoyer les bonnes informations à notre Constellation. Le lecteur NFC nous permet également de vérifier qu’une carte ou qu’un badge a les autorisations nécessaires afin de commander l’ouverture via un servo-moteur.

L’application, développée avec le framework ionic nous permet d’offrir une interface utilisateur ergonomique. En la connectant à Constellation, l’utilisateur a accès à toutes les informations nécessaires très facilement.

La boîte aux lettres connectée

Prérequis : Avoir connecté l’ESP8266 à Constellation.

Composants utilisés

Pour connecter notre boîte aux lettres à Constellation, nous avons utilisé :

Un ESP8266 D1 Mini (8€ sur Amazon)
Des capteurs à ultrasons HC SR04 (3€ sur Amazon)
Un lecteur de cartes NFC (8€ sur Amazon)
Un servo-moteur (6€ sur eBay)

Voici la correspondance pour définir les différents pins avec cet ESP :

D0	D1	D2	D3	D4	D5	D6	D7	D8	RX	TX
16	5	4	0	2	14	12	13	15	3	1

Etape 1 : Détecter la présence d’une lettre grâce à un capteur ultrason

Nos capteurs fonctionnent avec une alimentation de 5V

Les capteurs à ultrasons nous permettent de mesurer une distance en créant une impulsion sur une des broches. Grâce à cette mesure, nous pouvons détecter une variation de la distance lorsqu’un courrier et inséré dans la boîte aux lettres. Nous envoyons alors l’information à Constellation grâce à un MessageCallback.

Relier le capteur à notre ESP est assez simple, notre capteur à ultrasons possède 4 branches, chacune branchée sur un pin de notre ESP.

Ci-dessous, les correspondances entre les branches du capteur à ultrasons et les pins de l’ESP8266 :

Branche du capteur à ultrasons	Pin de l’ESP8266
VCC	5V
GND	GND
TRIG	D4
ECHO	D3

Dans notre code, nous configurons les pins dans le setup afin de préparer l’impulsion.

void setup() {
   pinMode(TRIGGER, OUTPUT);
   digitalWrite(TRIGGER, LOW); //La broche TRIGGER doit être à LOW au repos
   pinMode(ECHO, INPUT);
   Serial.begin(9600);
 }

Nous envoyons ensuite de façon continue des impulsions pour savoir si un obstacle est présent puis, s’il y en a un, nous envoyons un Message Callback.

void loop() {    
    /* 1. Lance une mesure de distance en envoyant une impulsion HIGH de 10 µs sur la broche TRIGGER */
   digitalWrite(TRIGGER, HIGH);
   delayMicroseconds(10);
   digitalWrite(TRIGGER, LOW);
   
   /* 2. Mesure le temps entre l'envoi de l'impulsion ultrasonore et son écho (s'il existe) */
   long measure = pulseIn(ECHO, HIGH);                
                                                                                 
   /* 3. Calcul la distance à partir du temps mesuré */
   long distanceMeasured = measure *vitesse ;
  
   /* 4. Envoie d'un MessageCallback à Constellation si on rentre dans le if */ 
   if(distanceMeasured < defaultValue){
     constellation.sendMessage(Package, "Brain", "message");
   }
}

Etape 2 : Gérer les accès à la boîte aux lettres grâce à un lecteur de carte NFC

Dans cette partie, nous allons envoyer un Message Callback à Constellation grâce à l’ID du badge NFC détecté par notre lecteur de cartes.

Cela nous permettra par la suite de gérer les autorisations d’accès à la boîte aux lettres, de contrôler l’ouverture par notre servo-moteur, et d’avertir l’utilisateur qu’un colis a été livré ou que le courrier a été récupéré. Nous devrons donc enregistrer les différents utilisateurs en renseignant leur ID de badge et leur statut (facteur ou utilisateur).

Voici le câblage réalisé pour cette partie entre le NFC et l’ESP :

Branche du NFC	Pin de l’ESP8266
RST	D1
SDA(SS)	D2
MOSI	D7
MISO	D6
SCK	D5
GND	GND
3.3 V	3.3 V

Il faut commencer par télécharger la bibliothèque suivante :

Voici ensuite la fonction nécessaire à l’envoi d’un Message Callback lorsque nous captons un nouveau badge.

void NFC() {
    // Regarde s'il y a une nouvelle carte, s'il n'y en a pas on quitte la fonction
    if ( ! mfrc522.PICC_IsNewCardPresent()) {
        return;
    }
    // S'il n'arrive pas à lire la carte on quitte la fonction
    if ( ! mfrc522.PICC_ReadCardSerial()) {
        return;
    }
    char sochar[256]; // 256 correspond à un octet
    String UID= dump_byte_array(mfrc522.uid.uidByte, mfrc522.uid.size); 
    /* Permet de transformer un tableau de bit en String */
    UID.toCharArray(sochar, 256);
    constellation.sendMessage(Package, "Brain", "Authorisation", sochar); /* envoie un message Callback du package Brain appelé Authorisation*/
}

Etape 3 : Ouvrir et fermer la porte grâce à un servo-moteur

Le servomoteur va nous servir à commander notre verrou. Ce dernier va donc s’abonner à un State Object nous donnant l’état de la porte (verrouillée ou déverrouillée). Ainsi, lorsque notre lecteur NFC captera un ID autorisé, notre State Object changera, ainsi que l’état de verrouillage de la porte.

Voici les branchements qui relient notre moteur à l’ESP :

PIN DU MOTEUR	Pin de l’ESP8266
5 V (câble orange)	5 V
GND (câble marron)	GND
Commande (câble jaune)	D8

Avant d’utiliser le code ci-dessous, il faut vérifier que vous avez bien installé les bibliothèques suivantes :

Dans le Setup ci-dessous, nous nous abonnons à un StateObject qui nous permet d’ouvrir et de fermer la porte lorsqu’il change d’état.

void setup() {
    monServo.attach(15); // Définit le moteur au D8
    monServo.write(0); // ServoMoteur à sa position initiale
    constellation.registerStateObjectLink("*", "Brain", "Porte_ouverte", [](JsonObject& so) {
     delay(100); // délai afin d'attendre la connexion à  Constellation
     if (so["Value"]== true){   
       monServo.write(90);  // Position de la porte ouverte
       }
 
    if (so["Value"]== false){
       monServo.write(0);   // Position de la porte fermée
       }
       delay(3000); // attendre au minimum 3 secs avant que la porte ne change d'état.
   });  
 }

Etape 4 : Synchroniser toutes nos parties avec un package Constellation

Vous pouvez retrouver notre code complet pour la boîte aux lettres sur GitHub pour plus de précision (https://github.com/Sqyluck/Boite-aux-lettres-connectee).

Il est ensuite nécessaire de créer un package Constellation, qui va nous permettre de traiter toutes les données de nos différents éléments.

→ Voici les différents Message Callbacks créent dans le package afin de répondre à nos besoins.

→ Voici la liste des State Objects générés par le package pour permettre l’affichage de nos données dans l’application et l’envoi d’ordre au servomoteur via l’ESP8266.

Etape 5 : Fabrication de la boîte aux lettres

Nous avons utilisé des planches en bois afin de réaliser notre boîte aux lettres. Nous avons vissé les planches entre elles, puis nous avons fixé nos éléments sous le toit de la boîte.

L’interface utilisateur

Prérequis : disposer de Node.js et de npm

Etape 1 : Créer une application avec ionic

Afin de réaliser notre interface utilisateur, nous avons décidé dans un premier temps de développer notre application avec Ionic 2 dans Visual Studio. Mais avec cette méthode nous étions obligé de développer notre application en langage typescript ce qui était plus compliqué pour connecter l’application à la plateforme Constellation. Nous avons donc décidé d’utiliser Ionic 1 afin de développer notre application en javascript et de la connecter plus facilement.

Avant de commencer, il faut lancer l’installation de Ionic 1 depuis l’invite de commande :

npm install – g cordova ionic

(Attention : cette commande ne fonctionnera pas si vous ne disposez pas auparavant de node.js et de npm)

Une fois que nous nous sommes placé dans le dossier dans lequel nous souhaitons développer notre application, nous pouvons utiliser la commande suivante pour lancer la création d’un nouveau projet.

ionic start myApp tabs --type ionic1

(Nous venons ici de créer un nouveau projet ionic 1 de type tabs intitulé myApp)

Dans l’invite de commande, placez-vous dans le dossier de l’application (en utilisant la commande cd).

La commande ionic serve permet d’exécuter l’application dans un navigateur.

Lorsque le projet est créé, vous devez éditer vos différentes pages (par ex. sur Notepad++). Les fichiers à modifier se trouvent dans le dossier « www » :

Le fichier index.html
Les fichiers .html appartenant au dossier “templates” → C’est ici que vous pouvez modifier le contenu de chaque page de votre application.
Le fichier app.js dans le dossier “js” → Vous devez définir votre constellation à cet endroit.
Le fichier controllers.js dans le dossier “js” → Chaque controller est associé à une page html. Vous pouvez utiliser les variables et les fonctions définies dans ces pages grâce aux “Scopes”.

Etape 2 : Visualiser notre application sur un smartphone

Si vous souhaitez utiliser votre application sur votre smartphone, vous pouvez utiliser l’application “ionic view” disponible sur l’App Store et Google Play. Cette application vous permettra de visualiser directement l’application que vous êtes en train de développer sur votre smartphone.

Une fois l’application installée, vous devez ensuite vous rendre sur ce site, créer un compte, puis cliquez sur “New App”. Il ne vous reste plus qu’à faire le lien avec votre application et l’envoyer sur votre appareil. Pour cela, dans le dossier de votre application, utilisez les deux commandes suivantes dans votre invite de commande

ionic link 
ionic upload

Ouvrez ensuite ionic view et visualisez votre application.

Vous pouvez également, après avoir branché votre téléphone et avoir activé le mode debug, utiliser la commande cordova run android afin de simuler directement votre application sur votre téléphone android.

Etape 3 : Connecter notre application à constellation

Afin de connecter notre application à la plateforme constellation, nous allons modifier le fichier app.js ainsi que le index.html.

Pour cela, nous allons importer les bibliothèques suivantes dans le fichier index.html :

jquery-2.2.4.min.js
jquery.signalr-2.2.1.min.js
Constellation-1.8.1.min.js
ngConstellation-1.8.1.min.js

Les librairies sont disponibles sur cette page. Nous vous conseillons de créer un dossier intitulé constellation dans le dossier « lib » et d’y enregistrer ces différentes bibliothèques.

Il ne vous restera plus qu’à ajouter les lignes de code suivantes dans le fichier index.html :

Puis nous allons ajouter le code suivant à notre fichier app.js :

1. Modifier la ligne angular.module, y ajouter ‘ngConstellation’ comme ci-dessous :

angular.module('starter', ['ionic', 'starter.controllers', 'ngConstellation'])

2. Modifier la fonction .run, y ajouter $rootScope et constellationConsumer :

.run(function($ionicPlatform, $rootScope, constellationConsumer)

3. Ajouter le code suivant dans la fonction .run :

constellationConsumer.initializeClient("http://192.168.43.171:8088", "123456789", "Application Ionic");
    constellationConsumer.onConnectionStateChanged(function (change) {
        if (change.newState === $.signalR.connectionState.connected) {
            console.log("Connecté à constellation");
            $rootScope.isConnected = true;
        }
    });
    constellationConsumer.connect();
    $rootScope.constellation = constellationConsumer;

Vous pouvez maintenant vérifier que vous êtes bien connecté à votre constellation en regardant dans votre console (f12 dans votre navigateur).

Etape 4 : Connecter notre application à la boîte aux lettres

Un certain nombre de State Objects et de Message Callbacks ont été réalisés dans notre package constellation afin de traiter nos différentes informations (ce package est disponible sur gitHub).

Le rôle de notre application ici est simplement de s’abonner aux State Objects et d’envoyer des messages Callbacks à notre constellation.

→ Exemple de récupération d’un State Object :

Les StateObjects se récupèrent dans le fichier app.js, à l’endroit où nous avons défini notre constellation. Voici un exemple de code correspondant à notre State Object « Users » :

//State Object Utilisateurs
constellationConsumer.registerStateObjectLink("*", "Brain", "Users", "*", function(so) {
    $rootScope.Users = so.Value;
    $rootScope.$apply();
});

Pour afficher nos utlisateurs, il nous suffit maintenant, dans notre page html d’utiliser le code suivant :


  {{user.firstName}} {{user.name}}
  {{user.client ? "client":"facteur"}}

→ Exemple d’envoi d’un message Callback :

Les messages Callbacks s’envoient dans le fichier controllers.js. Voici l’exemple de code pour le Message Callback « DeleteUser » :

//Message CallBack DeleteUser
$scope.name = $stateParams.name
$scope.firstName = $stateParams.firstName;
$scope.deleteUser = function() {
    var deleteUser = $ionicPopup.confirm({
      title: 'Supprimer cet utilisateur',
      template: 'Etes vous sur de vouloir supprimer cet utilisateur ?'
    });
    deleteUser.then(function(res) {
      if(res) {
          $rootScope.constellation.sendMessage({ Scope: 'Package', Args: ['Brain'] }, 'DeleteUser', [$scope.firstName, $scope.name ]);
          $state.go('tab.utilisateurs');
          console.log('deleted');
      } 
      else {
          console.log('do nothing');
      }
    });
};

Dans notre page html, on appelle maintenant la fonction créée dans notre controller.js dans un bouton par exemple :

En vous servant de cette base, vous pouvez réaliser une application vous permettant de recevoir un message sur votre application lorsque vous recevez un courrier ou un colis mais aussi d’ajouter ou de supprimer des accès à la boite aux lettres.

Il est également possible de réutiliser des packages existants, par exemple, nous nous sommes servis du package PushBullet afin de recevoir des notifications sur notre smartphone.

Voici un aperçu de notre application ionic :

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Créer un capteur de température, humidité et luminosité connecté

Sebastien Warin — Wed, 10 May 2017 15:55:52 +0000

Dans ce tutoriel créons un capteur de température, d’humidité et de luminosité connecté avec une page Web de visualisation des données en temps réel.

Prérequis

Un Arduino connecté ou un ESP8266
Des capteurs (DHT11 pour l’humidité et la température, un TSL2561 pour la luminosité par exemple)
Un serveur Constellation

Etape 1 : le montage

Ici nous utiliserons un D1 Mini Pro (ESP8266) avec un capteur DHT11 combinant la mesure de la température et de l’humidité ainsi qu’un capteur TSL2561 pour la luminosité.

Les deux capteurs seront alimentés en 3,3v par la D1 Mini.

Le TSL2561 dispose d’une interface I²C (SDA et SDL qu’on connectera sur D1 et D2) et le DHT11 n’a besoin que d’une entrée digitale (qu’on connectera sur D3).

Etape 2 : la programmation

Pour démarrer vous devez dans Constellation déclarer une sentinelle associée à une clé d’accès et un package virtuel. Ici notre ESP8266 est représenté par la sentinelle nommée “ESP8266” et le package virtuel se nomme “MySensor”.

Dans l’Arduino IDE, nous créons un nouveau projet à partir du Starter Kit Constellation pour ESP8266 dans lequel nous allons définir le nom de notre réseau Wifi (SSID) ainsi que sa clé d’accès puis nous configurerons le client Constellation en spécifiant l’identité de notre package virtuel, sa clé d’accès et l’adresse/port de notre serveur Constellation :

// ESP8266 Wifi
#include 
char ssid[] = "MON SSID";
char password[] = "macléWifi!!!!";

// Constellation client
Constellation constellation("X.X.X.X", 8088, "ESP8266", "MySensor", "xxxxxxxxxxxxxxxxx")

Encore une fois si tout cela est nouveau pour vous, je vous recommande de suivre ce guide d’introduction à l’API Constellation pour Arduino/ESP8266.

Lancez maintenant le « gestionnaire de bibliothèque » (menu Croquis > Inclure une bibliothèque > Gérer les bibliothèques) et installez les bibliothèques suivantes :

Adafruit Unified Sensor (par Adafruit)
DHT Sensor library (par Adafruit)
Adafruit TSL2561 (par Adafruit)

Une fois les librairies installées, ajoutez en entête de votre code :

#include 
#include 
#include

Déclarez ensuite, juste après la déclaration du client Constellation, le capteur TSL2561 et le DHT11 par les lignes :

DHT_Unified dht(D3, DHT11);
Adafruit_TSL2561_Unified tsl(TSL2561_ADDR_FLOAT);

Déclarez également un entier pour définir l’intervalle de temps (en ms) entre deux mesures que nous fixons à 10 secondes par défaut :

int interval = 10000; //ms

Dans la méthode « setup() » configurez les I/O utilisés par l’I²C (D1 et D2 dans notre cas) :

Wire.begin(D1, D2);

Initialisez ensuite le capteur DHT11 par la ligne :

dht.begin();

Puis le capteur TSL2561 :

if(!tsl.begin())
{
  Serial.print("No TSL2561 detected!");
  while(1);
}
tsl.enableAutoRange(true);
tsl.setIntegrationTime(TSL2561_INTEGRATIONTIME_13MS);

Toujours dans la méthode « setup », récupérons les settings de notre package sur Constellation et affectons le setting « Interval » si défini sur Constellation (autrement c’est la valeur de 10 secondes déclarée ci-dessus qui sera utilisée) :

JsonObject& settings = constellation.getSettings();
if(settings.containsKey("Interval")) {
  interval = settings["Interval"].as();
}

Pour finir dans la boucle principale, nous allons prendre les mesures de nos capteurs et publier trois StateObjects avec une durée de vie de deux fois l’intervalle de temps :

void loop(void) {
  constellation.loop();
  static int lastBeat = 0;
  if(millis() - lastBeat > interval) {
    lastBeat = millis();
    sensors_event_t event;
    // Luminosité
    tsl.getEvent(&event);
    if (event.light) {
      constellation.pushStateObject("Light", event.light, interval * 2);
    }  
    // Temperature
    dht.temperature().getEvent(&event);
    if (!isnan(event.temperature)) {
      constellation.pushStateObject("Temperature", event.temperature, interval * 2);
    }
    // Humidité
    dht.humidity().getEvent(&event);
    if (!isnan(event.relative_humidity)) {
      constellation.pushStateObject("Humidity", event.relative_humidity, interval * 2);
    }
  }
}

Et voilà votre capteur connecté est prêt !

Il ne reste plus qu’à téléverser votre programme et ouvrir votre Console Constellation pour constater qu’il est bien opérationnel :

Ouvrez maintenant le StateObject Explorer et rechercher le terme “MySensor” :

On retrouve bien, en temps réel, les trois mesures réalisées par notre ESP8266. N’hésitez pas à ouvrir ces StateObjects et cliquez sur « Subscribe » pour voir les mesures en temps réel dans la Console Constellation.

Etape 3 : Une page Web pour afficher votre capteur en temps réel

Créons maintenant une page Web pour afficher en temps réel les mesures de notre capteur connecté. Pour cela créez un fichier HTML sur votre poste avec une structure HTML de base.

Dans les entêtes ajoutez les scripts suivants :

Sur la balise ajoutez l’attribut :

ng-app="MyDemoApp"

Et sur la balise ajoutez l’attribut :

ng-controller="MyController"

Dans le corps de votre page, placez les valeurs vos StateObjects où bon vous semble. Par exemple :


    Temperature: {{Temperature}}°C
    Humidity: {{Humidity}}%
    Light: {{Light}} lux

Pour finir ajoutez le script suivant dans votre page (dans une balise