Sem vložte zadání Vaší práce

Sem vložte zadání Vaší práce.

České vysoké učení technické v Praze Fakulta informačních technologií Katedra číslicového návrhu

Bakalářská práce

Jednoduchý mobilní telefon pro seniory Jiří Janovec

Vedoucí práce: Ing. Tomáš Vaňát

2. května 2014

Poděkování Děkuji své rodině, lidem z 3DprintFIT a vedoucímu práce za pomoc.

Prohlášení Prohlašuji, že jsem předloženou práci vypracoval(a) samostatně a že jsem uvedl(a) veškeré použité informační zdroje v souladu s Metodickým pokynem o etické přípravě vysokoškolských závěrečných prací. Beru na vědomí, že se na moji práci vztahují práva a povinnosti vyplývající ze zákona č. 121/2000 Sb., autorského zákona, ve znění pozdějších předpisů. V souladu s ust. § 46 odst. 6 tohoto zákona tímto uděluji nevýhradní oprávnění (licenci) k užití této mojí práce, a to včetně všech počítačových programů, jež jsou její součástí či přílohou a veškeré jejich dokumentace (dále souhrnně jen „Dílo“), a to všem osobám, které si přejí Dílo užít. Tyto osoby jsou oprávněny Dílo užít jakýmkoli způsobem, který nesnižuje hodnotu Díla a za jakýmkoli účelem (včetně užití k výdělečným účelům). Toto oprávnění je časově, teritoriálně i množstevně neomezené. Každá osoba, která využije výše uvedenou licenci, se však zavazuje udělit ke každému dílu, které vznikne (byť jen zčásti) na základě Díla, úpravou Díla, spojením Díla s jiným dílem, zařazením Díla do díla souborného či spracováním Díla (včetně překladu), licenci alespoň ve výše uvedeném rozsahu a zároveň zpřístupnit zdrojový kód takového díla alespoň srovnatelným způsobem a ve srovnatelném rozsahu, jako je zpřístupněn zdrojový kód Díla.

V Praze dne 2. května 2014

.....................

České vysoké učení technické v Praze Fakulta informačních technologií c 2014 Jiří Janovec. Všechna práva vyhrazena.

Tato práce vznikla jako školní dílo na Českém vysokém učení technickém v Praze, Fakultě informačních technologií. Práce je chráněna právními předpisy a mezinárodními úmluvami o právu autorském a právech souvisejících s právem autorským. K jejímu užití, s výjimkou bezúplatných zákonných licencí, je nezbytný souhlas autora.

Odkaz na tuto práci Janovec, Jiří. Jednoduchý mobilní telefon pro seniory. Bakalářská práce. Praha: České vysoké učení technické v Praze, Fakulta informačních technologií, 2014.

Abstract The objective of this work is to create a simple functional cell phone for seniors who have difficulty understanding the consumer electronics today. The elaboration include parts available in the Czech Republic only. The price of the final product should be comparable to the price of the current products in stores. Keywords simple mobile phone, phone for seniors, GSM module, Microchip

Abstrakt Cílem této práce je vytvořit jednoduchý funkční mobilní telefon pro seniory, kteří mají problémy s pochopením ovládání spotřební elektroniky současnosti. K vypracování je použito pouze součástek dostupných v České republice. Cena výsledného produktu by měla být srovnatelná s cenou současných produktů na trhu. Klíčová slova Microchip

jednoduchý mobilní telefon, telefon pro seniory, GSM modul,

ix

Obsah Úvod

1

1 Analýza a návrh 1.1 Existující řešení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Návrh řešení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 3 7

2 Realizace 19 2.1 Implementace programu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2 Elektronika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.3 Mechanické díly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3 Testování 3.1 Ovládání . . . . 3.2 Spotřeba . . . . 3.3 Signál . . . . . 3.4 Reální uživatelé 3.5 Náklady . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

35 35 35 36 37 38

Závěr

39

Literatura

41

A Seznam použitých zkratek

43

B Seznam použitého software

45

C Uživatelský manuál 47 C.1 První spuštění . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 C.2 Instrukce pro seniora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 D Obsah přiloženého CD

51 xi

E Graf automatu mikroprocesoru

53

F Masky desek telefonu

55

G Fotografie

59

xii

Seznam obrázků 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16

Mobilní telefony dle skupin seniorů . . . . . . . . . . . . . Mobilní telefon pro seniory . . . . . . . . . . . . . . . . . Složité nabídky telefonu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . SOS tlačítko . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mini USB konektor pro dobíjení . . . . . . . . . . . . . . Nestabilní stojánek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vnitřek GSM modulu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . GSM moduly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Microchip vs Atmel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . LCD displeje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . OLED displej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nákres telefonu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Různá tlačítka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vypnutí telefonu a zavěšení hovoru pod jedním tlačítkem Vypnutí telefonu pod vlastním tlačítkem . . . . . . . . . . Blokové schéma telefonu . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

3 4 5 5 5 6 7 8 12 14 15 16 17 17 17 18

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13

MPLAB X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Čas sestavení programu z více zdrojových souborů . . Čas sestavení programu z jednoho zdrojového souboru UART test přijímače . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Program usbpicprog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pokusná deska audiozesilovače . . . . . . . . . . . . . Pokusné desky GSM modulů . . . . . . . . . . . . . . Deska telefonu pro Quectel M10 . . . . . . . . . . . . Deska telefonu 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Deska telefonu 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schéma desky telefonu 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . Deska tlačítek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3D model krytu telefonu . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

19 20 20 23 27 27 28 28 29 30 31 32 32

xiii

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

2.14 Šablona stojánku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.15 Pohled ze shora stojánku, kontakty pro nabíjení . . . . . . . . . . . 2.16 Stojánek pro dobíjení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33 33 34

3.1 3.2 3.3

Průběh proudu v jednotlivých stavech . . . . . . . . . . . . . . . . GSM anténa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nápověda pro seniory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36 36 37

C.1 Bok telefonu - vypínač . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C.2 USB čtečka SIM karet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C.3 Bok telefonu - slot na SIM kartu . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47 48 48

F.1 Maska desky telefonu pro fotochemický proces . . . . . . . . . . . F.2 Maska desky tlačítek pro fotochemický proces . . . . . . . . . . . .

56 57

G.1 G.2 G.3 G.4 G.5 G.6

59 59 60 60 61 61

Jednoduchý mobilní telefon . . . . Telefon pod zadním krytem . . . . Telefon zevnitř - boční pohled . . . Telefon zevnitř - spodní pohled . . Návrh telefonu z modelíny . . . . . Upravený UsbPicProg programátor

xiv

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

Seznam tabulek 1.1

Srovnání displejů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

3.1 3.2

Spotřeba telefonu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Náklady . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35 38

xv

Úvod Nabídka mobilních telefonů pro seniory v současné době není dostatečná. Existuje mnoho různých modelů od různých firem, avšak většina zařízení si je podobná konstrukcí i ovládáním. Ovládání těchto zařízení pro technicky méně nadané seniory není dostatečně jednoduché. Použít takovýto přístroj může být tedy dlouhodobý problém. Tato práce vznikla za účelem návrhu a výroby jednoduššího mobilního telefonu pro kategorii nejstarších seniorů. Výstupem této práce bude funkční prototyp zařízení za dostupnou cenu. Práce obsahuje výběr jednotlivých komponent, implementaci řídícího programu, sestavení elektroniky a výrobu mechaniky telefonu. Pro komunikaci byl zvolen GSM modul od firmy SIMCom na základě testů a příznivé ceny. Pro řízení telefonu byl vybrán mikrokontrolér od firmy Microchip. Tyto mikroprocesory mají nízkou spotřebu a jednoduchou instrukční sadu. Jako indikační prvek byl použit OLED display i přes jeho vyšší cenu. Jednotlivé kapitoly popisují postup vývoje a realizaci prototypu. Na začátku byla provedena analýza existujích řešení. Společně se skladovou dostupností jednotlivých komponent byl vytvořen návrh řešení. Poté bylo realizováno řešení skládající se z tří hlavních částí: implementace řídícího programu, zapojení elektronického obvodu a výroba mechanických částí telefonu. V poslední kapitole jsou popsány prováděné testy a měření realizovaného prototypu.

1

Kapitola

Analýza a návrh 1.1

Existující řešení

V nabídce prodejců mobilních telefonů se před několika lety objevily modely „Pro seniory“, které uživatelům nabízejí velká tlačítka, velký display, hlasité zvonění a SOS tlačítko. Dále existují modely, které vypadají jako staré stolní telefony s připojením na pevnou linku, které však komunikují přes mobilní síť, stejně jako mobilní telefony. Těmito modely je u nás známa firma Jablotron. Pro jednoduší představu jsem si seniory rozdělil na tři skupiny. V první skupině jsou lidé, kteří mají rádi technologické novinky. Jejich telefon může mít dotykový displej a různé aplikace. V druhé skupině jsou lidé, kteří preferují klasický tlačítkový telefon. Z telefonu dokáží volat a posílat sms. V poslední skupině jsou senioři, kteří mají problémy s používání spotřební elektrotechniky současnosti. Telefon se spoustou tlačítek je pro ně velmi komplikovaný. Poslední skupina zahrnuje seniory obvykle nad 80 let. Všechny zde prezentované skupiny mají reálné zástupce.

Obrázek 1.1: Mobilní telefony dle skupin seniorů 3

1

1. Analýza a návrh Proč dostupné telefony na trhu nezohledňují potřeby třetí skupiny seniorů?

1.1.1

Mobilní telefony „pro seniory“

Pro posouzení existujících produktů byly použity názory kupujících v on-line e–shopech, dostupné obrázky a informace z internetu. K praktickému posouzení byly použity dva mobilní telefony – „mivvy 112d“ a „Alcatel onetouch 2000X“. Přístroj značky mivvy je zástupcem staršího modelu a přístroj od Alcatelu novějšího.

Obrázek 1.2: Mobilní telefon pro seniory Mobilní telefony pro seniory s velkými tlačítky vypadají prakticky. Funkčnost telefonu značně znehodnocuje uživatelsky komplikovaný řídící software. Příkladem může být: při příchozím volání nejsou aktivní pouze tlačítka pro zvednutí a položení hovoru, ale i všechna ostatní. Telefon obsahuje velké množství nabídek, ve kterých se senioři špatně orientují. Použitím nevhodné nabídky ztrácí senior kontrolu nad telefonem. U modelu mivvy je častá nekonzistence akcí pod horními tlačítky. V některých nabídkách jsou tyto akce popsány na displeji nad tlačítky, v jiných nabídkách tyto popisky chybí úplně. U telefonu Alcatel je nepraktická funkce aktivace 4

1.1. Existující řešení rádia na hlavní obrazovce stisknutím šipky nahoru. Vypnutí rádia se neprovádí tlačítkem „zpět“, ale vyvoláním další nabídky a výběrem řádku „Vypnout“. Za přebytečné funkce lze považovat fotoaparát, rádio, UV LED dioda a rozhraní bluetooth. Tyto funkce senioři třetí skupiny nedokáží využít ani aktivovat.

Obrázek 1.3: Složité nabídky telefonu SOS tlačítko má za úkol rychle zavolat pomoc, například sanitku nebo někoho z příbuzných. Zdá se to jako skvělý nápad, avšak mnohem častěji se stane, že nevhodně umístěné tlačítko senior zmáčkne omylem, třeba při vytahování z tašky. Model od Alcatelu má tlačítko citlivé jen v horní polovině jeho plochy, takže při potřebě stisknout SOS tlačítko může dojít k nesplnění požadované funkce. Některé modely nabízejí SOS tlačítko na boku přístroje. Při pevném uchopení telefonu může dojít k nechtěnému alarmu. Za vhodné umístění lze považovat, stejně jako pro vypínací tlačítko, horní stranu přístroje.

Obrázek 1.4: SOS tlačítko Další nevýhoda je konektor na dobíjení. U starších modelů obvykle konektor USB (mini, mikro apod.). Pro většinu seniorů je problém připojit malý konektor do telefonu, proto je často telefon používán až do úplného vybití akumulátoru a vypnutí telefonu.

Obrázek 1.5: Mini USB konektor pro dobíjení 5

1. Analýza a návrh Během zpracování této práce se v nabídkách objevily telefony se stojánkem. Podle hodnocení kupujících [2] je stojánek nízký a vratký. Tento problém nastal i při testování modelu Alcatel. Jako nevhodné se jeví i spojení stojánku s adaptérem pomocí konektoru. Při odpojení stojánku od adaptéru opět nastává problém s konektorem. Design stojánku jednoznačně neurčuje směr vložení telefonu.

Obrázek 1.6: Nestabilní stojánek

1.1.2

Stolní telefony

Klasicky vypadající telefon je pro staré lidi uživatelsky příjemnější, jelikož jej z minulosti znají. Zvednout sluchátko, vyťukat číslo, zavěsit. Problémy jsou jiné. Tento telefon si nelze vzít s sebou na nákup či na procházku. Neumožňují to rozměry ani poloha sluchátka na přístroji. Nabízené modely mají relativně vysokou cenu [7] (3000 - 5000 Kč). Levnější modely [5] nezaručují podporu českého jazyka.

1.1.3

Ostatní telefony

Během analýzy bylo nalezeno několik atypických konstrukcí telefonů. Modely, které byly konstruovány pro seniory, nebyly dlouhodobě dostupné na trhu. Informace o těchto modelech byly nalezeny v archivních materiálech. Šlo například o telefony bez displeje, s omezeným počtem tlačítek a s pevně přiřazenými čísly [9] [14]. Samostatnou kategorii tvoří „dětské telefony“ [4] s malým displejem a nevhodným nabíjecím konektorem. Často s anglickou lokalizací [11]. Uvedené příklady neumožňují rozšíření o další kontakty. 6

1.2. Návrh řešení

1.2

Návrh řešení

Jak sestavit jednoduchý mobilní telefon? Mobilní telefon můžeme rozdělit do následujících částí: komunikační, řídící, indikační, napájecí, ovládací a mechanická konstrukční. Použity budou komponenty od dodavatelů v České republice. Zohledňovaným parametrem bude i cenová dostupnost pro seniory – materiálový odhad prototypu je 2000 Kč. Hlavní kritéria jsou: snadná ovladatelnost, hlasitost vyzvánění i hovoru, viditelnost indikace, lokalizace (čeština), vyloučení složitých funkcí, stálý aktivní stav a snadné dobíjení.

1.2.1

Komunikace

Komunikační část zajišťující spojení s operátorem, lze ji sestavit z jednotlivých součástek. Takovéto řešení je technicky pro stavbu prototypu nevhodné. Proto bude využit komerčně vyráběný komunikační GSM modul, který splňuje předpisy pro provoz v síti GSM.

Obrázek 1.7: Vnitřek GSM modulu První GSM modul Quectel M10 byl zvolen na základě článku [3] týkajícího se stavby GSM alarmu. V článku byl doporučen místo modulu SIMCom SIM900D. Pro objektivní porovnání a posouzení bylo analyzováno chování obou modulů. 7

1. Analýza a návrh Moduly jsou velice podobné, ovládají se přes sériové rozhraní UART. Příkazy podstatných funkcí jsou stejné, například zavěšení hovoru ATH\r\n. U přidaných funkcí se rozcházejí. Například u zesílení mikrofonu – SIMCom přijímá AT+CMIC=0,15\r\n a Quectel přijímá AT+QMIC=0,15\r\n. Parametry příkazu jsou shodné. První číslo označuje kanál (0/1/2) a druhé číslo zesílení (0-15). Díky těmto malým rozdílům bude program mikrokontroléru jednoduše upravitelný pro jiný GSM modul. Cenový rozdíl obou modulů je zanedbatelný. Dokumentace, která je k dispozici, obsahuje dostatečné množství informací. Modul SIMCom byl vybrán, protože obsahuje vlastní obvod pro dobíjení akumulátoru. Důležitý byl i tón zvonění klasického telefonu 1 . Velká spotřeba uváděná v článku [3] ani nekompatibilita se SIM kartami [3] se nepotvrdila. Zvonění Quectelu je frekvenčně vyšší a z vlastností lidského sluchu a jeho stárnutí je patrné, že je vhodnější použít nižší tóny.

Obrázek 1.8: GSM moduly

1 Při návrhu byla zvažována varianta zvonění generovaném v mikroprocesoru, klasický tón zvonění GSM modulu byl vyhovující.

8

1.2. Návrh řešení Ukázka komunikace UART V ukázce jsou použity značky ← pro znaky přicházející z GSM modulu a znaky → opačným směrem. Zprávy z GSM modulu jsou ve tvaru \r\n zpráva \r\n. Zprávy z mikroprocesoru jsou ve tvaru zpráva \r\n . (Uvedená telefonní čísla a jména jsou pouze vymyšlená.) Zapnutí GSM ← RDY ← +CFUN: 1 ← +CPIN: READY ← +PACSP: 1 ← +CREG: 0 ← +CREG: 2 ← +CREG: 1,"878C","4B79" → AT+ICF=3,3 ← OK → AT+IPR=9600 ← OK → AT+CSCLK=1 ← OK → AT+CPBS="SM" ← OK → AT+CMGF=1 ← OK → AT+CSCS="PCCP" ← OK → AT+CREG=2 ← OK → AT+CLIP=1 ← OK → AT+CRSL=4 ← OK → AT+CLVL=80 ← OK → AT+SIDET=0,0 ← OK → AT+CMIC=0,8 ← OK → AT+CALS=10 ← OK → AT+CLVL=80 ← OK ← Call Ready

9

1. Analýza a návrh Stav READY → AT+CSQ ← +CSQ: 19,0 ← OK → AT+CBC ← +CBC: 0,70,3858 ← OK → AT+CSQ ← +CSQ: 19,0 ← OK → AT+CBC ← +CBC: 0,69,3851 ← OK Stav SLEEPING, žádná sériová komunikace Stav LISTING, listování seznamem kontaktů → AT+CPBR=01 ← +CPBR: 1,"+420123123123",145,"Jana" ← OK → AT+CPBS? ← +CPBS: "SM",6,220 ← OK → AT+CPBR=02 ← +CPBR: 2,"+420123456123",145,"Milena" ← OK → AT+CPBR=03 ← +CPBR: 3,"+420123456789",145,"Honza" ← OK Vytočení 3. čísla ze seznamu, volaný hovor nepřijímá → ATD>03; ← OK → AT+CLVL=8 ← OK ← BUSY → AT+CLVL=80 ← OK

10

1.2. Návrh řešení Příchozí hovor, známé číslo, volající po chvíli zavěsí ← RING ← +CLIP: "+420123456789",145,"",,"Honza",0 ← RING ← +CLIP: "+420123456789",145,"",,"Honza",0 ← RING ← +CLIP: "+420123456789",145,"",,"Honza",0 ← NO CARRIER → AT+CLVL=80 ← OK Příchozí hovor, známé číslo, zvednutí a zavěšení ← RING ← +CLIP: "+420123456789",145,"",,"Honza",0 ← RING ← +CLIP: "+420123456789",145,"",,"Honza",0 → ATA ← OK → AT+CLVL=8 ← OK → ATH ← OK → AT+CLVL=80 ← OK Příchozí hovor, neznámé číslo, automatické zavěšení ← RING ← +CLIP: "+420987654321",145,"",,"",0 → AT+CLVL=80 ← OK → ATH ← OK → AT+CLVL=80 ← OK

11

1. Analýza a návrh

1.2.2

Řízení

Řídící část je třeba realizovat komponentou, která dokáže komunikovat s GSM modulem. Modul umožňuje komunikaci přes sériové rozhraní s počítačem, FPGA a s různými druhy mikroprocesorů. Z výše jmenovaných byly vybrány mikroprocesory od firmy Microchip. Důvodem byla nízká spotřeba, malé rozměry, příznivá cena a praktické zkušenosti s používáním. K výběru vhodného typu bylo využito vyhledávacího nástroje [8] na webu Microchipu. V parametrech byl zvolen rozsah napětí pro práci z baterie telefonu, alespoň jedno rozhraní UART, vlastní oscilátor, odhadovaný počet pinů, EEPROM pro uchování konfigurace, alespoň 8k programové paměti, absence možnosti samopřepisovat program (pro eliminaci nechtěných chyb). Výběr byl omezen na 8-bitové mikroprocesory, s výhodou nižší spotřeby. Uvedené parametry vedly k výběru typu PIC16F916 a PIC16F917. Požadovaný počet pinů (více než 28) vedl k výběru PIC16F917.

Obrázek 1.9: Výběr mikroprocesoru Jednotlivé vývody mikroprocesoru budou použity takto: 1. RX - přijímač sériového spojení s GSM modulem 2. RD4 / DB0 - výstup paralelních dat displeje 3. RD5 / DB1 - výstup paralelních dat displeje 4. RD6 / DB2 - výstup paralelních dat displeje 5. RD7 / DB3 - výstup paralelních dat displeje 6. Vss - zem 7. VDD - napájecí napětí 8. RB0 / DB4 - výstup paralelních dat displeje 9. RB1 / DB5 - výstup paralelních dat displeje 10. RB2 / DB6 - výstup paralelních dat displeje 12

1.2. Návrh řešení 11. RB3 / DB7 - výstup paralelních dat displeje 12. nezapojen 13. nezapojen 14. RB4 - nezapojen 15. RB5 - výstup DTR modulu GSM, umožňuje spustit úsporný režim modulu 16. PGC - hodinový vstup pro naprogramování mikrokontroléru 17. PGD - datový vstup/výstup pro naprogramování mikrokontroléru 18. M CLR/VP P - programovací napětí 19. RA0 - nezapojen 20. RA1 - výstup pro podsvícení zeleného tlačítka 21. RA2 - výstup pro podsvícení žlutého tlačítka 22. RA3 - výstup pro podsvícení červeného tlačítka 23. RA4 - nezapojen 24. RA5 - výstup pro spuštění audio zesilovače (vstup SHU T DOW N ) 25. RE0 - vstup zeleného tlačítka 26. RE1 - vstup žlutého tlačítka 27. RE2 - vstup červeného tlačítka 28. VDD - napájecí napětí 29. Vss - zem 30. OSC1 - krystalový oscilátor 31. OSC2 - krystalový oscilátor 32. RC0 - výstup pro zapnutí GSM modulu (vstup PWRKEY) 33. nezapojen 34. nezapojen 35. RC1 - vstup, GSM modul je zapnutý/vypnutý (výstup STATUS) 36. RC2 - vstup z nabíječky pro informaci o nabíjení 13

1. Analýza a návrh 37. RC3 - výstup, napájení displeje 38. RD0 - nezapojen 39. RD1 - nezapojen 40. RD2 - nezapojen 41. RD3 - vstup, SIM karta vložena 42. RC4 - výstup RS do displeje, udává zda je posílána instrukce či data 43. RC5 - výstup ENABLE do displeje, udává, že jsou data i RS nastavena a je třeba je načíst 44. TX - vysílač sériového rozhraní s GSM modulem

1.2.3

Indikace

Nejjednodušší indikace jsou jednotlivé LED indikující stav telefonu. Indikovat je třeba informaci o příchozím hovoru, slabém signálu a vybitém akumulátoru. Důležitou vlastností je zobrazení jména volané osoby, proto je zvolen displej místo LED diod. Hlavní kritéria výběru displeje: spotřeba, velikost písma a kontrast. Omezujícím parametrem je velikost displeje, ovlivňující výslednou velikost telefonu. Prvním krokem je výběr LCD displejů podle nejnižší ceny v různých barevných variantách.

Obrázek 1.10: Alfanumerické LCD displeje LCD displeje používají k zobrazení polarizační filtry a podsvícenou plochu. Pomocí napětí se polarizují tekuté krystaly, které buď světlo propustí nebo odfiltrují. Každý bod displeje řídí řadič zvlášť.

14

1.2. Návrh řešení

Obrázek 1.11: Alfanumerický OLED displej

Následuje další krok – test alfanumerického OLED displeje. OLED displeje na rozdíl od LCD nic nepolarizují a nepotřebují podsvícenou plochu. Jednotlivé body jsou zdrojem světla, podobně jako LED diody. Každý bod řadič rozsvěcí a zhasíná. OLED displej má lepší čitelnost než LCD display.

Typ LCD LCD LCD OLED

Barva Zelená Bílá Žlutozelená Žlutá

Znaků 8 8 12 8

Min. napětí [V] 4,8 3,3 4,5 2,9

Proud [mA] 90 20 50 10

Cena [Kč] 95,00 150,00 200,00 280,00

Tabulka 1.1: Srovnávací tabulka displejů

Z analyzovaných dat je patrné, že OLED display splnil všechny důležité parametry. Druhým vhodným displejem byl LCD displej s bílým podsvícením (negativní – bílé písmo), který měl při vybité baterii nižší kontrast. OLED displej drží kontrast v celém rozsahu od nabité baterie až po vybitou.

1.2.4

Napájení

Jako každý mobilní telefon i prototyp by měl mít nabíjecí akumulátor. V rámci této práce není nutné vytvářet další nekompatibilní produkt ani používat jednotlivé články. Bude využita některá z komerčně vyráběných baterií pro mobilní telefony. Řešení bylo inspirováno kamerou do auta, která pod krytem ukrývala běžně dostupnou baterii pro mobilní telefony značky Nokia. Ze sortimentu byla vybrána baterie s dostatečnou kapacitu za příznivou cenu 3.2, Nokia BL-5J s kapacitou 1320 mAh. Nabíjení telefonu bude probíhat umístěním do stojánku, čímž se odstraní problém manipulace s konektory. 15

1. Analýza a návrh

1.2.5

Kryt

Konstrukce telefonu bude pevně uzavřená, aby nedošlo k náhodnému uvolnění baterie. Přístup k baterii není u mobilních telefonů nutný. Přístup k SIM kartě bude na boku přístroje pomocí systému „push–push“. Vypínač celého telefonu bude ukryt v těle přístroje a bude stisknutelný pomocí hrotu, například špendlíku nebo kancelářské sponky. Kryt bude vytištěn na 3D tiskárně, jelikož se jedná o prototyp.

Obrázek 1.12: Nákres jednoduchého mobilního telefonu

1.2.6

Ovládání

Důvodem proč většina mobilních telefonů seniorům nevyhovuje je komplikovaný software. Na otázku co je mobilní telefon a k čemu je, dostanete často od seniorů odpověď: „Telefon je ta věc, se kterou se volá na jiný telefon.“. Z tohoto důvodu byly vyřazeny jakékoli dnes již běžné funkce, jako je kalkulačka, budík a dokonce SMS. Jediná funkce, která zde zůstane, je adresář kontaktů, na které je možné zavolat. Mobilní telefon by měl mít co nejméně tlačítek, dobře viditelných a velkých. Tlačítka by měla být co nejsnadněji stisknutelná. Pokud tlačítko „cvakne“, mělo by také vytvořit spoj. Na ovládání adresáře a řízení hovoru stačí jen tři tlačítka. 1. zvednout hovor, zavolat na číslo 2. zobrazit další položku adresáře 3. zavěsit hovor, zavřít adresář 16

1.2. Návrh řešení Z dostupných tlačítek jsou na výběr levná, bez podsvícení, s nespolehlivým spojením kontaktů a dražší, s podsvícením a spolehlivějším spojem. Při stisknutí je u obou typů slyšitelné „cvaknutí“.

Obrázek 1.13: Různá tlačítka Zavěšování hovorů na běžných telefonech může kolidovat s vypnutím přístroje, tyto funkce jsou totiž pod stejným tlačítkem. Hrozí zde možnost, že senior při ukončování hovoru telefon vypne.

Obrázek 1.14: Vypnutí telefonu a zavěšení hovoru pod jedním tlačítkem Vypínání by mělo být u mobilního telefonu pro seniory využíváno jen vyjímečně. Telefon je vypnutý před prodejem a během výměny SIM karty. V ostatních situacích by se neměl telefon vypínat vůbec. Napájení celé elektroniky tedy půjde vypnout jen skrytým vypínačem. Mikroprocesor se pak postará o to, aby udržel GSM modul co nejdéle zapnutý, dokud se nevybije baterie. Existují i telefony s jedním tlačítkem, které zajišťuje pouze zapnutí a vypnutí přístroje.

Obrázek 1.15: Vypnutí telefonu pod vlastním tlačítkem Další funkcí telefonu je filtrování příchozích hovorů. Je-li telefonní číslo v adresáři, telefon zazvoní a vypíše jméno na displej. Není-li v adresáři, hovor bude bez jakékoli informace zavěšen (eliminace nevyžádaných hovorů). 17

1. Analýza a návrh

1.2.7

Zapojení

Předběžný návrh zapojení je postaven na doporučených zapojeních z katalogových listů. Mikroprocesor ovládá displej, tlačítka a GSM modul. Do GSM modulu vede vše potřebné pro komunikaci, tedy anténa, mikrofon, sluchátko a SIM karta. V případě použití modulu SIM900D i nabíječka. Modul Quectel M10 nabíjení nepodporuje. Nabíjení je třeba řešit externím obvodem.

Obrázek 1.16: Blokové schéma telefonu

18

Kapitola

Realizace 2.1

Implementace programu

Pro psaní programů bylo použito vývojové prostředí MPLABX od firmy Microchip, které je zdarma a obsahuje debugger. Jako jazyk je použit assembler. Většina procesorů Microchip má velmi podobnou jednoduchou instrukční sadu i umístění registrů.

Obrázek 2.1: vývojové prostředí MPLAB X IDE v1.95 19

2

2. Realizace Během vývoje byl použit jeden jediný soubor se zdrojovým kódem na jeden projekt. Z programátorského hlediska se nejedná o dobrou konvenci, avšak pro realizaci tohoto projektu to přineslo několik výhod. Jeden soubor se snadno zálohuje a tiskne. Hledání části projektu je na úrovni jednoho souboru snadnější a postačí jakýkoli jednoduchý nástroj. Dalším důležitým argumentem je překlad a simulace programu. Při použití více zdrojových souborů se musí každý zvlášť přeložit a poté slinkovat dohromady. Tento proces je tedy mnohem delší, je třeba ho vykonat před nahráním do hardware a před simulací programu. Rozdíl v časech nebyl zanedbatelný, jelikož při hledání chyb se tento proces často opakuje.

Obrázek 2.2: Čas sestavení programu z více zdrojových souborů

Obrázek 2.3: Čas sestavení programu z jednoho zdrojového souboru Samotná simulace s více soubory probíhá pomaleji, při pozastavení simulace je označen příslušný řádek programu. Vývojové prostředí (simulátor) tak musí přepínat mezi okny se zdrojovým kódem. Výsledný kód byl pro přehlednost do více souborů rozdělen a popsán komentáři. Struktura výsledného projektu: p16f877.inc adresy jednotlivých registrů procesoru a jeho konfigurace, součást kompilátoru MPASM equ.inc adresy registrů zabraných pro tento program např. DISP_STATE a makra dm_states.inc adresy stavů automatu pro příjem ze sériového rozhraní start.asm hlavní soubor obsahující konfiguraci procesoru a spuštění buttons.asm funkce pro obsluhu tlačítek disp_state.asm funkce pro obsluhu stavů telefonu display.asm funkce pro řízení displeje dm.asm deterministický automat pro příjem ze sériového rozhraní functions.asm základní funkce, např. zapnutí GSM modulu 20

2.1. Implementace programu gsm_state.asm funkce pro obsluhu stavů GSM interrupt.asm funkce pro obsluhu přerušení io.asm funkce pro čtení vstupů a zápis výstupů mikroprocesoru memorry.asm definice dat, např. příkazy posílané do GSM modulu sleep.asm funkce pro pozastavení programu na definovanou dobu uart.asm funkce pro sériové rozhraní ostatní *.inc hlavičkové soubory funkcí

2.1.1

Testovací program

Pro otestování jednotlivých displejů byl zapotřebí krátký program, který vypisuje po sobě jdoucí informace. Všechny testované displeje jsou alfanumerické s vlastní pamětí písmen, které není třeba generovat. Pro displeje byly využity funkce uvedené v manuálových stránkách. Všechny displeje pracovaly se stejným protokolem. Na začátku probíhá inicializace displeje, nastavuje se výběr fontu, počet řádek, směr otáčení, zobrazení kurzoru a jeho umístění první pozici displeje. Testovací program obsahuje funkce na zobrazení jednotlivých písmen na displeji a uchovává informaci o pozici. Pokud kurzor ukazuje mimo řádek, nastaví se adresa druhého řádku. Je-li kurzor pod posledním řádkem, vrací se na začátek prvního řádku. Testovací program využil tyto připravené funkce k zobrazení testovacích informací, jako je „Zapnuto“, „Mimo signál“ a příklad jmen s telefonním číslem.

2.1.2

Základ

První část implementace obsahovala jen to nejnutnější. Program načítal stav tlačítek v určitém intervalu a podle stisku vyslal po sériovém rozhraní příkaz „ATH\r\n“ – zavěsit hovor a příkaz „ATA\r\n“ – přijmout hovor. Dále byla využita část testovacího programu se zavedením funkcí pro zobrazení stavu na displeji.

21

2. Realizace

2.1.3

Po spuštění

Po startu mikroprocesoru se spustí základní konfigurace, což je nastavení vstupů a výstupů, hodnoty pro sériový port a povolení přerušení. Sériový port mikroprocesoru (UART) je nastaven na 9600 Bd, 8 datových bitů, žádná parita a 1 stop-bit. Rychlost se nastaví v registru SPBRG dle vzorce:

SP BRG =

FOSC BaudRate·HighSpeed

−1=

4000000 9600·16

− 1 = 25

FOSC je frekvence vstupního oscilátoru mikroprocesoru. Baud Rate je přenosová rychlost, tedy počet změn úrovní za sekundu. High Speed je konstanta o hodnotě 16, která se nastavuje v registru TXSTA, bit BRGH. Low Speed je konstanta o hodnotě 64. Dále program nastaví výchozí hodnoty registrů a pokračuje skokem do hlavního programu „Main“.

2.1.4

Deterministický automat - Přerušení

Aby mohl mikroprocesor reagovat na odpovědi z GSM modulu, bylo třeba, aby data ze sériového rozhraní přijímal. Vzhledem k tomu, že modul může odeslat informace prakticky kdykoli, nesmí na ně mikroprocesor aktivně čekat. K přijímání dat je využilo přerušení, přijetím znaku do mikroprocesoru se program přeruší, uloží pozici programu na zásobník a spustí obslužný podprogram pro příchozí znak. Obslužný podprogram dostává informace po jednotlivých znacích, musí tedy rozlišit typ zprávy, pozici ve zprávě a informaci, kterou předává. Na to se nejlépe hodí deterministický automat, který udržuje informaci o vnitřním stavu a pro každý vstupní znak má definován přechod do dalšího stavu. Ve stavu může automat vykonat nějakou činnost, například zapsat znak na display. Automat je navržen tak, aby při příchodu jednoho znaku ze sériového rozhraní stihl změnit stav a vykonat příslušné činnosti před příchodem následujícího znaku. Interval mezi znaky je dán přenosovou rychlostí 9600 Bd. Každý znak potřebuje 10 změn při přenosu, počet znaků za sekundu je maximálně 960, tedy 960 krát za sekundu může dojít k přerušení. Časový úsek je větší než 1ms (1000µs). Oscilátor procesoru pracuje na 4MHz. Každá instrukce je vykonávána 4 takty, doba jedné instrukce je 1µs. Z výše uvedeného vyplývá, že v přerušení může být maximálně 1000 instrukcí. Všechny stavy automatu tuto podmínku splňují, kromě jednoho. Jedná se o poslední stav při zobrazování jména z adresáře. Má za úkol vyplnit displej mezerami za účelem překrytí původních znaků. Tento jev nastane v případě, že bylo na displeji jméno delší a následuje kratší. Displej potřebuje určitý čas na zapsání informace a při opakovaném zadávání mezer, se překročí limit 1000 instrukcí (1ms). 22

2.1. Implementace programu

Obrázek 2.4: Test přijímajícího automatu přes sériový port počítače

V této části programu se však nepředpokládá okamžité přijmutí jiné informace z GSM modulu, po dobu odesílání mezer na displej je přerušení vypnuto. GSM modul má určité intervaly čekání mezi odeslanými informacemi. V případě asynchronní události příchozího hovoru je tato informace modulem opakována a tak nedojde k její ztrátě.

2.1.5

Zásobník, funkce

Procesory PIC16F917 i PIC16F877 mají, na rozdíl od procesorů Atmel (kde se využívá paměti RAM), zásobník s velikostí pouhých 8 adres. Na zásobník jsou ukládány adresy programu pro návrat při volání funkcí (příkaz CALL). Při zavolání se ukazatel zásobníku inkrementuje. Při návratu z funkce (příkaz RETURN) je adresa použita ke skoku a ukazatel zásobníku se dekrementuje. Jde tedy o omezení množství funkcí, které je možné zavolat v sobě (zanořit). V tomto programu je třeba brát v úvahu, že jednu pozici zásobníku zabere přerušení programu při přijetí znaku, což může nastat kdykoli je zapnut GSM modul. Aby se zamezilo problému přetečení zásobníku, bylo třeba upravit program, a tak snížit počet příkazů CALL a RETURN. Toho bylo docíleno pomocí nalezení největších zanoření, nahrazením příkazy GOTO, makry a kopiemi menších částí programu (např. LDinstr, DBtoBUFF). Nejdelší část programu se nacházela pod funkcí „FILL_LINE_A“, která měla za úkol vyplnit horní řádek displeje mezerami. Používala vnořeně funkce pro zápis znaku (dat) na displej i funkce pro zápis instrukcí do řadiče displeje. V nejvíce vnořené části dosahoval ukazatel na zásobník hodnoty 6. Pokud by v této části programu došlo k přijetí znaku ze sériového portu, mohlo by dojít k přetečení zásobníku. Během přerušení se ukazatel zásobníku může navýšit o hodnotu 4. 23

2. Realizace Dále mohlo dojít k problému ve funkci pro posílání indexu adresáře kontaktů přes sériový port, jelikož ukazatel na zásobník dosahoval hodnoty 5. Došlo tak ke změně ve funkcích pro displej a sériový port.

2.1.6

Main - hlavní funkce

Hlavní část programu neustále kontroluje důležité změny a vypisuje informace na displej. Tato část běží po zapnutí a nastavení mikroprocesoru neustále až do vypnutí. 1. zkontroluje, zda je GSM modul spuštěný, případně se jej pokusí spustit 2. zkontroluje přítomnost SIM karty, bez SIM karty program nepokračuje a čeká 3. zkontroluje stav tlačítek, případně vyvolá akci dle stisknutého tlačítka a stavu telefonu 4. zkontroluje, zda došlo ke změně stavu telefonu, pokud ano, nastaví výstupy a vypíše informaci na displej 5. zkontroluje stav GSM, používá se pouze k zavěšení neznámého čísla, zavěšení není možné stihnout během přerušení 6. čekání (42 ms) 7. u zapnutého telefonu připojeného k síti GSM testuje sílu signálu, nabití baterie a iteruje čítač pro uspání telefonu 8. dosáhne-li čítač hodnoty pro uspání (45 sekund nečinnosti), telefon uspí (zhasne podsvícení tlačítek a nastaví GSM pin DTR na úsporný režim) Tento program může být kdykoli přerušen příchozím znakem z GSM modulu. Po skončení přerušení pokračuje program v místě přerušení.

2.1.7

Stavy

Stav telefonu pro vyhodnocení mikroprocesorem musí být uložen v paměti. Pro tuto informaci je třeba čtyř registrů (4 · 8 bitů). První registr uchovává celkový stav telefonu (DISP_STATE). Druhý uchovává stavy potřebné pro GSM modul (GSM_STATE). Další dva registry uchovávají kopii posledního stavu těchto registrů, aby bylo možné porovnáním detekovat změnu stavu. Telefon se může nacházet v následujících stavech: OFF – telefon se právě zapnul a předpokládá se, že je vše kromě mikroprocesoru vypnuto 24

2.1. Implementace programu NOT_READY – GSM modul je zapnut a mikroprocesor čeká na připojení k síti READY – telefon je zapnut a připojen k síti SLEEPING – telefon je zapnut a připojen k síti, GSM modul je v úsporném režimu RINGING – na telefon volá známé číslo, zvoní, audio zesilovač je aktivní a displej zobrazuje informaci, kdo volá CALLING – probíhá hovor LISTING – listování seznamem kontaktů DISCHARGED – po opakovaných marných pokusech o spuštění GSM modulu oznámí vybitou baterii a čeká na připojení nabíječky Stavy GSM modulu: LOW_BAT – GSM modul hlásí vybitou baterii LOW_SIG – GSM modul hlásí nízký signál NO_SIM – GSM modul nenašel SIM kartu, tato informace byla nahrazena slotem s hardwarovou detekcí karty NO_CONNECTION – telefon je zapnut, připojení k síti bylo neúspěšné (např. zablokovaná SIM karta) NO_NAME – na telefon volá neznámé číslo, mikroprocesor automaticky zavěsí Po zapnutí se telefon nachází ve stavu OFF a registry stavu GSM modulu jsou vynulovány. V jednotlivých stavech se zobrazují různé informace na displeji. Informace se zobrazují v českém jazyce. Během implementace byly testovány další jazyky, které řadič displeje umožňoval zobrazit. Test byl úspěšný v angličtině a slovenštině. Použití němčiny by vyžadovalo víceznakový displej, jelikož německé výrazy potřebují více než 8 znaků. Ruština, kterou displej také podporuje, byla problémem pro prostředí MPLABX. To by vyžadovalo zapsat každý znak hexadecimální hodnotou. Česky zobrazované informace v paměti mikroprocesoru: Dej do stojánku – GSM modul se opakovaně nepodařilo zapnout (velmi vybitá baterie) nebo GSM modul hlásí nízký stav baterie, je potřeba připojit nabíječku 25

2. Realizace Nabíjení baterie – po připojení nabíječky při velmi vybité baterii dochází k přednabití baterie před dalším pokusem o zapnutí Mimo signál – telefon je zapnut, GSM modul hlásí nízkou úroveň signálu GSM sítě Chyba – nečekaný stav, např. nefunkční SIM karta, aktivované PIN na SIM kartě a podobně Zapnuto – telefon je zapnutý, připraven pro komunikaci Hledání signálu – telefon se připojuje k síti GSM Zapínám – zapínání a nastavování GSM modulu Volá – informace o příchozím hovoru, text je zobrazen společně se jménem volajícího Není SIMkarta – v telefonu není vložena SIM karta, před vložením je potřeba telefon vypnout

2.2

Elektronika

Veškeré desky plošných spojů byly vyrobeny fotocestou v domácím prostředí. Výsledná cena prototypu 3.2 je výrazně závislá na cenách českých prodejců při kusovém odběru.

2.2.1

Programování mikrokontrolérů

Jak již bylo zmíněno, byly použity pouze 8–bitové mikrokontroléry od společnosti Microchip. Pro naprogramování čipu byl nezbytný programátor. Pro tyto účely byl vhodný upravený UsbPicProg [6] programátor. Programátor vyžadoval úpravu – napájení z externího zdroje, především z důvodu nižšího napětí a omezeného výkonu na USB portech. Programátor se připojuje pěti vývody k telefonu: 1. programovací napětí 2. napájecí napětí 3. data 4. hodiny 5. zem K samotnému naprogramování se využívá programu „usbpicprog“ [6], který je volně dostupný. 26

2.2. Elektronika

Obrázek 2.5: Okno programu usbpicprog

2.2.2

Výroba desek

První pokusná zapojení, například testování displejů, bylo provedeno na nepájivém pokusném poli. Jde o nejrychlejší způsob testování s rychlými změnami v zapojení. EAGLE Layout Editor K návrhu desek plošných spojů byl vybrán program EAGLE verze 6.3.0 Light Edition od společnosti CadSoft. Důvodem výběru byla zkušenost s programem a obsah velkých knihoven součástek. Verze Light Edition má omezení na rozměry desky 100x80 [mm], což omezuje i rozměry výsledného telefonu. Pro vytvoření delší desky byla anténa nakreslena přímo v editoru tištěného spoje (anténa není ve schématu uvedena jako součástka). Zesilovače zvuku Testy GSM modulů ukázaly potřebu použití audio zesilovače pro zvonění. Byly vybrány 4 typy zesilovačů vhodných pro srovnání. Požadavky na audio zesilovače: impedance zátěže 8Ω, malé rozměry, malý počet pinů, minimální napájecí napětí 3V, jeden kanál, výkon mezi 0,5 a 2W, vstup SHUTDOWN a skladová dostupnost. Vybrané typy: LM4889, LM4871, LM4890 a LM4861. Na zesilovače byly vyrobeny pokusné desky. Po naměření hodnot a poslechovém testu, byl vybrán typ LM4890 jako nejvhodnější.

Obrázek 2.6: Pokusná deska audiozesilovače 27

2. Realizace GSM moduly Díky spojení pokusné desky s počítačem přes sériový port bylo možné ověřit a navrhnout komunikační protokol mezi GSM modulem a mikrokontrolérem. Jednotlivé příkazy a piny modulů jsou popsány v jejich dokumentacích. Quectel M10 [10], SIMCom SIM900D [12] a [13].

Obrázek 2.7: Pokusné desky GSM modulů

První navržená deska Na začátku vývoje vznikl návrh desky telefonu s modulem Quectel M10. Návrh nebyl realizován. V tomto návrhu byl použit mikroprocesor PIC16F916. V další verzi byl nahrazen mikroprocesorem PIC16F917. První návrh ještě obsahoval LCD displej. Místo GSM antény sloužil vývod na zadní straně desky.

Obrázek 2.8: Deska telefonu pro modul Quectel M10

28

2.2. Elektronika První vyrobená deska telefonu Během vývoje první realizované desky proběhlo mnoho změn s ohledem na součástky a výsledky testů na pokusných deskách. Na první vyrobené desce telefonu je modul SIMCom SIM900D, při testování na pokusných deskách měl nejlepší výsledky. Návrh obsahuje PIC16F917, OLED displej, GSM anténu, zesilovač zvuku, programovací vývody. Držák na SIM kartu je umístěn blíž k okraji desky z důvodu jednoduchého vysouvání karty.

Obrázek 2.9: První deska telefonu

Na první desce při testování byly nalezly následující chyby. Prohození vývodů sériového portu. Ke zničení součástek (mikroprocesor, GSM modul) nedošlo díky omezujícím odporům. Plošky pro spojení vrstev byly příliš malé, což vadilo při neprůmyslové výrobě desky. Provrtání a propájení obou vrstev bylo obtížné. Původně navržený SMD krystal je zástavbově větší než krystal v pouzdru HC49S. Připojení k subdesce s tlačítky pomocí vodičů mělo za následek nevhodné křížení pod displejem (prostorově nevhodné uspořádání). Nejzávažnější zjištěný nedostatek byl v oblasti mikrofonu. Vývod vedený po délce desky je rušen indukcí signálu z GSM sítě. Následkem toho je hovor nesrozumitelný na obou stranách spojení. První deska byla využita k nalezení chyb a odladění firmware. Odladění na pokusných deskách je příliš složité, vyžaduje mnoho spojů mezi deskou GSM modulu a mikrokontrolérem.

29

2. Realizace Druhá vyrobená deska U návrhu druhé desky byly všechny výše uvedené chyby odstraněny. Byly upraveny jednotlivé součástky v knihovnách Eagle. Úpravy byly potřebné pro ruční osazování desky. Týkaly se velikostí a umístění ploch SMD součástek. Slot na SIM kartu byl zaměněn, což zjednodušilo její vysouvání i konstrukci krytu.

Obrázek 2.10: Druhá deska telefonu

Při realizace druhé desky se objevil problém s mikroprocesorem PIC16F917. Mikroprocesor obsahuje vnitřní oscilátor s možností využít také vnější oscilátor. Umožňuje přepnutí zdroje hodinového signálu za běhu programu. Program spuštěný s vnitřním oscilátorem není schopen správně synchronizovat sériové rozhraní pro spojení s GSM modulem. V programu je možné donastavit časování sériového portu, ale vnitřní oscilátor nemá přesně definovanou frekvenci. To by vyžadovalo nastavování u každého kusu mikroprocesoru zvlášť. Při využití externího oscilátoru nedošlo k nastartování programu a bylo třeba aktivovat funkci pro přepínání oscilátorů za běhu programu. Tato funkce způsobila, že po určité době spuštění dochází k „zamrznutí“ programu. Z výše uvedených důvodů a omezeném času na dokončení prototypu, bylo třeba najít jiný vhodný procesor. Po prozkoumání nabídek prodejců elektronických součástek byl zvolen PIC16F877. Tento mikroprocesor má vyhovující parametry, ale neobsahuje vnitřní oscilátor. Vyhledávací nástroj společnosti Microchip [8] používaný při analýze tento mikroprocesor neobsahuje.

30

2.2. Elektronika

Obrázek 2.11: Schéma druhé desky telefonu

31

2. Realizace Deska na tlačítka Jednoduchá deska obsahuje tři tlačítka s barevným podsvícením. Vstupem desky jsou řídící úrovně pro jednotlivé LED podsvícení. Výstupy tlačítka spojují s napájecím napětím baterie. Tyto výstupy přímo řídí činnost mikroprocesoru telefonu. Umístění tlačítek do hlavní desky telefonu brání výše popsané omezení programu Eagle verze Light (velikost desky). Proto byla použita pro tlačítka subdeska připevněná k hlavní desce.

Obrázek 2.12: Deska na tlačítka

2.3 2.3.1

Mechanické díly Kryt

Pro realizaci krytu jsem využil moderní technologii 3D tisku. Návrh krytu byl proveden v programu SketchUp Make (verze 14.0.4899) a exportován pomocí oficiálnho plug–inu do formátu STL pro 3D tisk. Kryt byl vytisknut v laboratoři 3D tisku na FIT ČVUT [1]. Model se skládá ze dvou částí, přední části a zadní krycí desky. Spojení obou dílů je provedeno pomocí šroubů.

Obrázek 2.13: 3D model krytu telefonu 32

2.3. Mechanické díly Prototypový kus z 3D tiskárny je mechanicky méně odolný, což u prototypu není na závadu. Při opakované výrobě telefonu pro seniory by bylo vhodné využít jinou technologii pro výrobu odolnějších plastových dílů.

2.3.2

Stojánek

Konstrukce stojánku byla navržena s ohledem na potřeby seniorů: stabilita, bezkonektorové připojení, snadné vkládání telefonu, variabilita vložení telefonu. Pro snadnou výrobu prototypu byl zvolen materiál Lexan, který lze zpracovat náhradní technologií. Vyřezaný rozvinutý tvar byl za pomocí horkého vzduchu naohýbán do požadovaného tvaru. Stojánek obsahuje kontakty připojené přímo k napájecímu adaptéru. Adaptér (MW 5V 1A) byl zakoupen jako hotový výrobek splňující kritéria bezpečnosti. Propojení s telefonem nastane přes kontakty na spodní straně telefonu a pružné kontakty ve stojánku. Svítící LED ve stojánku indikuje přítomnost napájecího napětí z adaptéru.

Obrázek 2.14: Šablona stojánku

Obrázek 2.15: Pohled ze shora stojánku, kontakty pro nabíjení

33

2. Realizace

Obrázek 2.16: Stojánek pro dobíjení

34

Kapitola

Testování 3.1

Ovládání

Množství funkcí bylo zredukováno podle požadavků na telefon. Zobrazuje se stav telefonu a seznam kontaktů. Pro ovládání se stiskne vždy jen jedno tlačítko v jeden okamžik. Ostatní stavy, např. více stisknutých tlačítek najednou, držení tlačítka dlouhou dobu nebo velmi krátké stisknutí, jsou ignorovány jako chybné zadání. Vybraná tlačítka zaručují bezpečné stisknutí, které je slyšitelné. V každém stavu svítí pouze tlačítka, které je možné stisknout. Vyjímkou je úsporný režim (SLEEPING), kdy nesvítí žádné tlačítko.

3.2

Spotřeba

Ve stavu NOT_READY dochází ke spojení GSM modulu s GSM sítí. To znamená, že telefon může špičkově odebírat proud 1 až 1,5 A. Z naměřených hodnot vychází, že na baterii s kapacitou 1200 mAh vydrží telefon zapnutý přibližně 3,5 dne. S plně nabitou baterií lze volat zhruba 4 hodiny. Stav OFF NOT_READY READY SLEEPING RINGING CALLING LISTING DISCHARGED

Proud [mA] 2 20 - 1000 40 14 78 - 98 280 47 10

Tabulka 3.1: Spotřeba telefonu v jednotlivých stavech 35

3

3. Testování Tyto hodnoty jsou dostatečné pro předpokládané využití seniory z třetí skupiny. Telefon lze nechávat trvale ve stojánku bez rizika přebíjení.

Obrázek 3.1: Průběh proudu v jednotlivých stavech

Průběh proudu byl naměřen pomocí digitálního osciloskopu Hantek DSO– 2250 a proudové sondy. Během vývoje a testování telefonu byl využit starý akumulátor z telefonu Nokia 3310 s kapacitou 650 mAh. Tento akumulátor pomohl otestovat situaci, kdy použitý akumulátor BL-5J zestárne, poklesne mu kapacita a vzroste vnitřní odpor článků. To umožnilo testování stavů vybité baterie, hlubokého vybití a funkcí dobíjení baterie.

3.3

Signál

V průběhu vývoje telefonu probíhajícího v oblasti silného pokrytí GSM signálem (v Praze) nebyl problém s dostatečnou úrovní signálu i bez připojené antény. Pro simulaci nízké úrovně signálu bylo použito stínění tak, aby snížená úroveň signálu vyvolala varování „Mimo signál“, které se zobrazilo ve stavu READY během 20 sekund po zastínění.

Obrázek 3.2: GSM anténa

36

3.4. Reální uživatelé

3.4

Reální uživatelé

Vyrobený prototyp byl předveden několika seniorům ze skupiny druhé a třetí k jejich posouzení.

3.4.1

Srozumitelnost

U druhé skupiny seniorů došlo k zaučení ovádání telefonu během 5 – 10 minut. Bylo třeba upozornit seniora, že telefon neumí pracovat s SMS a jediným komunikačním prostředkem je hovor. U třetí skupiny zaučení trvalo déle než u druhé, ale bylo mnohem kratší, než u běžně dostupných telefonů na trhu. Také bylo třeba sestavit návod s krátkými tištěnými informacemi. Velikost písma i kontrast displeje vyhovoval všem testovaným osobám.

Obrázek 3.3: Nápověda pro seniory

3.4.2

Hlasitost

Hlasitost zvonění byla posouzena jako dostatečná pro vnitřní prostory. Pro venkovní použití by bylo třeba zvonění částečně zesílit, nebo doplnit vybracemi. Hlasitost hovoru byla dostatečná na obou stranách spojení.

3.4.3

Cena

Cenový odhad seniorů se pohybuje mezi 1000 a 1500 Kč. Jako horní hranici senioři zvolili částku 2000 Kč. Pokud by částka tuto hranici překračovala, pravděpodobně by raději zvolili komerčně nabízený telefon.

37

3. Testování

3.5

Náklady

Toto prototypové zařízení bylo vyrobeno v jednom kuse, proto byly komponenty nakupovány od různých dodavatelů bez množstevních slev. Uvedené ceny jsou orientační, platné v době nákupu. Nejsou uvedeny náklady na dopravu a poštovné. Ceny se liší i podle jednotlivých prodejců. V tabulce uvedené ceny jsou včetně DPH, tabulka neobsahuje cenu za práci a další drobný materiál (barvy, chemické prostředky, materiál stojánku apod.). Výsledná cena prototypu přibližně odpovídá předpokládáným nákladům akceptovatelným seniory. Lze usuzovat že kalkulace sériové výroby bude výrazně levnější.

Součást GSM modul Microchip OLED displej GSM anténa Tlačítka Napájecí adaptér Držák SIM Audio zesilovač Sluchátko Mikrofon Deska Kryt Drobné součástky Baterie

Cena [Kč] 645,18 175,00 280,00 61,94 150,00 116,00 57,20 40,96 50,94 18,59 70,00 100,00 30,00 199,00

Celkem

1994,91

Tabulka 3.2: Náklady na prototyp mobilního telefonu

38

Závěr Cílem práce bylo vytvořit jednoduchý mobilní telefon vhodný i pro méně technicky nadané seniory. Podařilo se vyrobit jednoduchý, česky lokalizovaný, třítlačítkový produkt s kontrastním displejem. V průběhu vývoje bylo vyzkoušeno více druhů displejů, mikroprocesorů, GSM modulů, audiozesilovačů a slotů na SIM kartu. Pro testy vznikly pokusné desky plošných spojů a pokusné programy. Implementace finálního programu se skládá zhruba z 1000 řádek assembleru. Kryt přístroje byl vytištěn na 3D tiskárně a opracován. Během testování u reálných uživatelů došlo k rychlému zaučení seniora. Chybovost ovládání telefonu byla nízká i u třetí skupiny seniorů. Cena materiálu na jeden prototyp nepřesáhla očekávanou hranici 2000 Kč. V dalším pokračováním vývoje by bylo možné rozšířit telefon o funkci lokalizace polohy seniora pomocí SMS.

39

Literatura [1]

3DprintFIT: 3D tisk na FIT - Laboratoř 3D tisku. [online], [cit. 2014-0408]. Dostupné z: http://3dprint.fit.cvut.cz/

[2]

Anna, Petr a Zákazník: MyPhone Halo 9 červený. [online], 2013, [cit. 2014-2-4]. Dostupné z: http://www.alza.cz/myphone-halo-9-cervenyd416773.htm#recenze

[3]

Antonín Krch: GSM Alarm Profi 300. [online], 2012, [cit. 2013-9-2]. Dostupné z: http://www.alarmton.com/gsm_profi_elzapojeni.html

[4]

Compex spol s r.o.: Dětský telefon s GPS Konka Q3. [online], 2012, [cit. 2013-12-19]. Dostupné z: http://elektrocoleti.cz/mobily-tabletypc/1130-detsky-telefon-konka-q3-8594043587380.html

[5]

David Polesný: GE 23318: levnější a jednodušší než Jablotron. [online], 2005, [cit. 2013-10-26]. Dostupné z: http://www.mobilmania.cz/clanky/ ge-23318-levnejsi-a-jednodussi-nez-jablotron-test/uvodkonstrukce-design/sc-3-a-1110216-ch-1029252/default.aspx

[6]

Frans Schreuder: usbpicprog. [online], 2007, [cit. 2013-8-20]. Dostupné z: http://usbpicprog.org/

[7]

LAN SHOP: Stolní telefon Jablotron GDP–04A GSM maximobil. [online], 2010, [cit. 2013-10-26]. Dostupné z: http://www.lan-shop.cz/ jablotron-gdp-04a-94916

[8]

Microchip Technology Inc.: Flash Products – Parametric Search Tool. [online], 2013, [cit. 2013-10-12]. Dostupné z: http://www.microchip.com/ ParamChartSearch/Chart.aspx?branchID=1012

[9]

Mr Dollar’Ria: mobile phone: Germany’s Vitaphone 1100 Cell Phone for Seniors. [online], 2010, [cit. 2013-12-21]. Dostupné z: http://mobile-phone88.blogspot.cz/2010/09/germany-vitaphone1100-cell-phone-for.html 41

Literatura [10] Quectel Wireless Solutions Co., Ltd.: QuectelM10.zip. 2013, [cit. 2013-0913]. Dostupné z: http://pandatron.cz/shop/ds/QuectelM10.zip [11] Safeguard-eshop: Dětský GSM telefon speciálně pro ochranu a dohled dětí - V2. [online], [cit. 2013-12-21]. Dostupné z: http://www.safeguard-eshop.net/zbozi/5657/Detsky-GSMtelefon-specialne-pro-ochranu-a-dohled.htm [12] Shanghai SIMCom wireless solutions Ltd.: SIM900 AT Commands Set. 2010, [cit. 2013-10-20]. Dostupné z: http://www.propox.com/download/ docs/SIM900_AT.pdf [13] Shanghai SIMCom wireless solutions Ltd.: SIM900D Hardware Design. 2012, [cit. 2013-09-12]. Dostupné z: http://mt-system.ru/sites/ default/files/documents/sim900d_hardware_design_v2.02_0.pdf [14] Vítězslav Kolek: Easy mobil - mobil pro seniory. [online], [cit. 201312-12]. Dostupné z: http://www.detske-chuvicky.cz/p/easy-mobil--mobil-pro-seniory

42

Příloha

Seznam použitých zkratek GUI Graphical user interface GSM Global System for Mobile Communications UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter OLED Organic Light Emitting Diode LCD Liquid Crystal Display LED Light Emitting Diode EAGLE Easily Applicable Graphical Layout Editor SOS Save Our Souls SIM Subscriber Identity Module USB Universal Serial Bus SMD Surface Mount Device DPH Daň z Přidané Hodnoty STL STereo Lithography DTR Data Terminal Ready PIN Personal Identification Number RAM Random Access Memory

43

A

Příloha

Seznam použitého software MPLABX IDE ver. 1.95 vývojové prostředí pro procesory Microchip usbpicprog ver 0.6 open-source Microchip programátor texmaker ver. 4.1.1 editor LATEX Graphviz ver. 2.36 nástroj na tvorbu grafů Dia ver. 0.97.2 nástroj na tvorbu diagramů Gimp ver. 2.8.4 obrázkový editor Eagle ver. 6.3.0 ECAD editor Safari ver. 6.0.5 webový prohlížeč SketchUp Make ver. 14.0.4899 3D editor

45

B

Příloha

Uživatelský manuál Dobrý den, děkujeme za výběr jednoduchého mobilního telefonu pro seniory. Před používáním tohoto přístroje doporučujeme přečtení návodu 2 . Upozornění! Telefon není určen pro práci s nepřijatými hovory a SMS. Přístroj je určen pouze pro telefonování.

C.1

První spuštění

Připojte stojánek telefonu do elektrické sítě pomocí adaptéru. Telefon umístěte do stojánku. První dobití baterie trvá cca 5 hodin. Vložte do telefonu SIM kartu s nahranými kontakty. Telefon zapněte pomocí tenkého hrotu vypínačem přístupným na boku přístroje. Nikdy nevkládejte a nevysouvejte SIM kartu, když je telefon zapnutý! Na SIM kartě musí být vypnuta ochrana pomocí PIN kódu, jelikož telefon nemá potřebnou klávesnici k jeho zadání. Po startu telefonu a spojení s operátorem se zobrazí nápis „Zapnuto“. V tomto stavu je telefon plně funkční. Nastane-li chyba mobilní sítě, chyba SIM karty nebo neznámá vnitřní chyba, zobrazí se nápis „Chyba“. Řešením může být vypnutí a opětovné zapnutí telefonu.

Obrázek C.1: Bok telefonu - vypínač 2

Návod slouží pro přednastavení telefonu a uvedení do provozu technicky zdatnější oso-

bou.

47

C

C. Uživatelský manuál

C.1.1

Vložení kontaktů

Pro vložení kontaktů využijte SIM kartu. Nahrajete jména pomocí jiného telefonu či USB adaptéru. Dejte pozor na délku jména. Velikost displeje je 8 znaků. Všechna telefonní čísla zadávejte včetně státní předvolby (např. ČR „+420“ ). Čísla bez předvolby jsou automaticky blokována. Nouzová telefonní čísla je nutné uložit na SIM kartu. Telefon neumožňuje použití těchto čísel bez SIM karty.

Obrázek C.2: USB čtečka SIM karet

Obrázek C.3: Bok telefonu - slot na SIM kartu

48

C.2. Instrukce pro seniora

C.1.2

Ovládání

Je-li telefon zapnutý ( nápis „Zapnuto“ ), je možné přijímat hovory nebo listovat seznamem kontaktů. Pro listování seznamem stiskněte prostřední žluté tlačítko. Zobrazí se první kontakt na SIM kartě. Opakovaným stisknutím žlutého tlačítka volíte další kontakty. Zeleným tlačítkem vytočíte daný kontakt, který je na displeji. Červeným tlačítkem zavřete seznam jmen, uvidíte nápis „Zapnuto“. V případě příchozího hovoru z čísla uloženého na SIM kartě telefon hlasitě zvoní. Zeleným tlačítkem hovor přijmete a červeným tlačítkem hovor ukončíte. Během hovoru lze červeným tlačítkem hovor ukončit. Příchozí hovor z čísla neuloženého na SIM kartě bude bez ohlášení automaticky blokován. Mimo použití doporučujeme telefon odkládat do stojánku. Trvalým odložením do stojánku nedochází k přebíjení baterie.

C.2

Instrukce pro seniora

• Zelené tlačítko - zvednout hovor nebo zavolat • Žluté tlačítko - zvolit jméno • Červené tlačítko - zavěsit a ukončit hovor • Telefon zvoní - přichází hovor • „Dej do stojánku“ - baterie telefonu vybitá • „Mimo signál“ - slabý signál, nelze volat

49

Příloha

Obsah přiloženého CD

readme ....................................... stručný popis obsahu CD dist ......................................... firmware mikroprocesoru src microchip..............zdrojové kódy implementace mikroprocesoru board.............zdrojové soubory pro výrobu desek tištěných spojů phone ............................................ deska telefonu keyboard ......................................... deska tlačítek lbr ................................ upravené knihovny součástek construction....................zdrojové soubory pro výrobu krytu thesis ...................... zdrojová forma práce ve formátu LATEX text ....................................................... text práce thesis.pdf ............................. text práce ve formátu PDF thesis.ps ................................ text práce ve formátu PS datasheets....................katalogové listy jednotlivých komponent SIMCom ...................................... GSM modul SIM900D Quectel..........................................GSM modul M10 WinStar ............................................. OLED displej Microchip...........................................mikroprocesor TE..........................................................anténa Attend.................................................slot na SIM TI ................................................. audio zesilovače 51

D

Příloha

Graf automatu mikroprocesoru zde vložte přílohu (formát A3)

53

E

Příloha

Masky desek telefonu

55

F

F. Masky desek telefonu Maska pro vytvoření hlavní desky plošného spoje telefonu pomocí fotochemického procesu. Jedna z vrstev je tištěna zrcadlově, aby při výrobě desky byla strana tisku přímo na fotocitlivé vrstvě. Měřítko tisku je 1:1. Velikost výsledné desky je 113,2mm × 42,5 mm.

Obrázek F.1: Maska desky telefonu pro fotochemický proces

56

Maska pro vytvoření desky plošného spoje tlačítek pomocí fotochemického procesu. Měřítko tisku je 1:1. Velikost výsledné desky je 44,2mm × 25,25 mm. Aby velikost desky souhlasila s velikostí hlavní desky telefonu, je po stranách obroušena (1mm z obou stran, výsledná šířka 42,2 mm).

Obrázek F.2: Maska desky tlačítek pro fotochemický proces

57

Příloha

Fotografie

Obrázek G.1: Jednoduchý mobilní telefon

Obrázek G.2: Telefon pod zadním krytem

59

G

G. Fotografie

Obrázek G.3: Telefon zevnitř - boční pohled

Obrázek G.4: Telefon zevnitř - spodní pohled

60

Obrázek G.5: Návrh telefonu z modelíny

Obrázek G.6: Upravený UsbPicProg programátor

61