P3 — Vending Machine

Maquina Expendedora En Arduino UNO

Este blog se centra en la descripción de una maquina expendedora realizada con Arduino UNO, concretamente con el kit Elegoo UNO R3. La maquina se centra en el funcionamiento de maquina expendedora de café, pero cuenta con una estructura general compatible con ampliaciones, o modificaciones de su uso, ya que se basa en un FSM(Finite State Machine).

Hardware

Introducción

En vez de realizar el código de manera estricta e intrínseca para una maquina expendedora de café, se ha estructurado de manera generalizada para que solamente realizando cambios en sus estados la maquina cambie de comportamiento. Para ello todas las funciones de los sensores están encapsuladas en funciones intrínsecas a su comportamiento, o threads dedicados a ellos, por ello si queremos ampliar los estados de la máquina y en ellos usar distintos sensores se puede realizar, llamando a las funciones pertinentes o los threads pertinentes.

• Threads:
  • LedThread
    • getCounter()
    • resetCounter()
  • IncrementLedThread
    • resetBrightness()
  • UltraSound
    • getPulseTime()
    • getDistance()
    • resetDistance()
  • Dht11
    • getHumidity()
    • getTemperature()
• Functions:
  • joystick_x()
  • joystick_y()
• Interruptions:
  • jy_button()
  • pressed_button()

Estados de FSM

1. START: Estado inicial donde la máquina se está cargando.
   • Transición: Después de mostrar el mensaje de carga y cuando el contador de LedThread llegue a 3, pasa a SERVICE.
2. SERVICE: La máquina espera la presencia de un cliente.
   • Transición: Si el sensor ultrasónico detecta un cliente a una distancia menor a CM_DISTANCE, la máquina pasa a MEASURES.
3. MEASURES: Estado donde se muestran las medidas (temperatura y humedad).
   • Transición: Después de mostrar las medidas, pasa a ATTENDING cuando pasa S_MEASURES*1000.
4. ATTENDING: Estado donde se muestra el menú de café para que el cliente elija.
   • Transición: El cliente selecciona el café con el joystick (arriba o abajo), si presiona el joystick la máquina transita a SERVING.
5. SERVING: Estado en el que la máquina prepara la bebida seleccionada.
   • Transición: Después de un tiempo aleatorio de preparación (entre 4-8 segundos), la máquina pasa a ATTENDED.
6. ATTENDED: Estado final donde se indica que la bebida está lista para ser retirada.
   • Transición: Después de que el cliente retire la bebida, cuando pasa S_DRINK*1000, la máquina vuelve a SERVICE.
7. ADMIN: El menú de administración donde se pueden ver los datos de los sensores, los segundos de la placa o modificar precios.
   • Transición de llegada: Manteniendo el botón más de MIN_S_ADMIN * 1000.
   • Transiciónes: Dependiendo de la opción seleccionada en el menú, puede pasar a ADMIN_I, ADMIN_II, ADMIN_III, o ADMIN_IV, seleccionando con joystick,
   • Transición de salida: Manteniendo el botón más de MIN_S_ADMIN * 1000.
8. ADMIN_I a ADMIN_IV: Sub-estados del menú de administración donde se pueden ver o modificar configuraciones.
   • Transición: De vuelta a ADMIN si se navega hacia atrás, o a SERVICE si se mantiene el botón más de MIN_S_ADMIN * 1000.
9. EXIT: Estado de salida, sin uso.

Caracteristicas Destacadas

1. Estado START

En el estado de arranque nos encontramos una función start_machine(), el cual realiza la representación, en el LCD, de CARGANDO y una serie de puntos que dan dinamismo a la representación. Lo más característico de este estado es que controlamos el tiempo que tenemos que cargar mediante el parpadeo de un led. Por ello hemos arrancado un thread LedThread que en run() solamente hace la labor de cambio de estado de HIGH a LOW, y cada vez que hace una transición cuenta 1 a su contador interno, y llamando a su método ledThread1->getCounter() vemos cuantas veces a parpadeado y si tenemos que cambiar de estado.

2. Movimientos Joystick

El joystick cumple un papel principal en la máquina, la comunicación cliente maquina, gracias a el el cliente puede “comunicarse” con la maquina. Al ser un rol tan importante he tratado de darle el máximo dinamismo posible, por ello tenemos dos funciones principales joystick_x()/ joystick_y() las cuales marcan la dirección del movimiento siendo arriba y abajo gracias al eje y, y derecha e izquierda gracias al eje x.

// 1 is up, -1 is down, 0 no moved
int joystick_y() {
  int index = 0;
  int vy = analogRead(joy_y_pin);
  if (vy > 800) {
    return 1;
  } else if (vy < 300) {
    return -1;
  }
  return 0;
}
        

// -1 is left, +1 is right, 0 no moved
int joystick_x() {
  int index = 0;
  int vx = analogRead(joy_x_pin);
  if (vx > 800) {
    return 1;
  } else if (vx < 300) {
    return -1;
  }
  return 0;
}
        

Además para darle el dinamismo deseado podemos scrollear hacia arriba y abajo manteniendo el joystick en una dirección, pero para ello hay que realizar esperas entre movimiento y movimiento ya que si no al iterar tan rápido no seriamos capaces de controlarlo. Por ello cuando usamos el joystick, principalmente en nuestro caso arriba y abajo joystick_y(), hacemos realizamos esperas definidas en S_JOY_REACT*1000.

  if (millis() - time_ >= (S_JOY_REACT*1000)) {
    m_index = joystick_y();
    time_ = millis();
  }

3. Sensor De Humedad/Temperatura

Para tratar este sensor hemos tenido que importar una librería, DHT sensor library dedicada a nuestro sensor, el sensor DHT11. Esta librería nos facilita el uso del sensor mediante un tipo de dato DHT(DHTPIN, DHTYPE), que al pasarle el pin y el tipo de sensor, en nuestro caso DHT11, ya nos establece el sensor. Cuando llamamos a su método begin() lo configuramos de la manera correcta, permitiéndonos su uso. A partir de ahí podemos realizar las llamadas sus métodos dht->readHumidity() y dht->readTemperature().

Para facilitar su uso, esta integrado todo en una clase Dht11, que se trata de un thread, el cual al arrancarlo y seleccionar su intervalo de recopilación de datos el sensor guardará los datos en unos atributos de su clase, y para extraer su valores están los métodos:

• getHumidity()
• getTemperature()

4. Sensor De UltraSonido

El funcionamiento del sensor ultrasónico HC-SR04 se basa en dos pines principales: Trigger y Echo, que se encargan de emitir y recibir las ondas ultrasónicas, respectivamente. Para su operación, se envía un valor HIGH al pin Trigger durante 10 microsegundos para emitir una onda ultrasónica. Luego, se cambia a LOW para dejar de emitir. Posteriormente, se utiliza la función pulseIn(ECHOPIN, HIGH) para medir el tiempo que tarda la onda en regresar, lo que corresponde al ancho de pulso.

Con este valor, se puede calcular la distancia al objeto utilizando la fórmula:

distancia = (t_pulso * 0.034) / 2

Donde:

• t_pulso es el tiempo medido en microsegundos.
• 0.034 es la velocidad del sonido en el aire (en cm/µs).
• El factor 2 se debe a que el tiempo medido es el de ida y vuelta de la señal.

5. Modificación De Precios

Cuando se arranca el programa hay un precios predefinidos pero estos precios pueden ser modificados en el estado ADMIN_IV, al cual se accede desde ADMIN. En este “subestado” del ADMIN, se hace uso de todos los ejes del joystick:

• x: Para movernos hacia atrás(izq), ya sea volver a ADMIN o volver a la selección del café que queremos modificar su precio, o hacia adelante(drch) para seleccionar el apartado precio y modificarlo.

• y: Para scrollear arriba y abajo, y así elegir el café correspondiente o modificar subiendo bajando su precio.

Además cuenta con dinamismo de imagen, ya que al seleccionar el precio este parpadea como símbolo de elección.

6. Interrupciones De Botones

La maquina cuenta con dos interrupciones, tanto el botón del joystick como el botón común. Ambos gestionados mediante circuito PULL_UP, nos marcan si se ha presionado o no los respectivos botones. Estos botones solo tienen uso en distintos estados, ya sea:

• Joystick button: Solo tiene uso para seleccionar el café deseado, y seleccionar la información deseada del ADMIN.
• Common button: Su uso es durante todo el código, y dicta si se accede a la función de ADMIN, o se sale, o si has avanzado más del estado SERVICE para poder salir y esperar a un cliente.

Videos

• Vending Machine:

Conclusión

El uso de threads para organizar las tareas de manera más limpia y estructurada facilita el entendimiento del código y distribuye las funciones de forma eficiente. Aunque las operaciones de los threads sean secuenciales, la concurrencia que ofrecen da la impresión de que se ejecutan simultáneamente, mejorando la percepción de fluidez del sistema.

Además, el uso de interrupciones en los botones permite que la máquina nunca esté detenida ni realizando espera activa para comprobar estados, ya que las propias interrupciones se encargan de gestionar los cambios necesarios de manera eficiente.

Finalmente, el empleo de un watchdog proporciona una solución robusta para evitar bloqueos de la máquina. Gracias a la facilidad que ofrecen los threads y su funcionamiento concurrente, es posible utilizar tiempos de comprobación más cortos, minimizando el uso de funciones como delay() y mejorando la reactividad del sistema.

  wdt_disable();
  wdt_enable(WDTO_1S);
  ...
  ...
  wdt_reset();