VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV TELEKOMUNIKACÍ FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF TELECOMMUNICATIONS
NÍZKOPŘÍKONOVÝ BEZDRÁTOVÝ SENZOROVÝ UZEL S ATMEGA328
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS
AUTOR PRÁCE AUTHOR
BRNO 2015
JAKUB KLVAŇA
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV TELEKOMUNIKACÍ FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF TELECOMMUNICATIONS
NÍZKOPŘÍKONOVÝ BEZDRÁTOVÝ SENZOROVÝ UZEL S ATMEGA328 LOW-POWER WIRELESS SENSOR NODE WITH ATMEGA328
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS
AUTOR PRÁCE
JAKUB KLVAŇA
AUTHOR
VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR
BRNO 2015
Ing. ONDŘEJ KRAJSA, Ph.D.
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav telekomunikací
Bakalářská práce bakalářský studijní obor Teleinformatika Jakub Klvaňa 3
Student: Ročník:
ID: 146037 Akademický rok: 2014/2015
NÁZEV TÉMATU:
Nízkopříkonový bezdrátový senzorový uzel s ATMega328 POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ: Navrhněte a realizujte bezdrátový senzorový modul s mikroprocesorem ATMega328P. Pro bezdrátovou komunikaci využijte modul s obvodem nRF24L01. Řešení optimalizujte na co nejmenší spotřebu. DOPORUČENÁ LITERATURA: [1] EVANS, Brian. Beginning arduino programming. New York: Apress, 2011, xx, 252 s. ISBN 978-1-4302-3777-8. Termín zadání:
9.2.2015
Termín odevzdání:
2.6.2015
Vedoucí práce: Ing. Ondřej Krajsa, Ph.D. Konzultanti bakalářské práce:
doc. Ing. Jiří Mišurec, CSc. Předseda oborové rady
UPOZORNĚNÍ: Autor bakalářské práce nesmí při vytváření bakalářské práce porušit autorská práva třetích osob, zejména nesmí zasahovat nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a musí si být plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č.40/2009 Sb.
ABSTRAKT Cílem této bakalářské práce je návrh nížkopříkonového bezdrátového senzorového uzlu, jenž bude sloužit k měření teploty, tlaku a vlhkosti. První část se zabývá popisem centrální jednotky Raspberry Pi, která bude shromažďovat naměřená data. Druhá část je věnována samotnému návrhu bezdrátového uzlu, který je tvořen mikrokontrolérem ATMega328P, třemi senzory (teploty, tlaku a vlhkosti), baterií dobíjenou fotovoltaickým článkem a bezdrátovým modulem. Třetí část je věnována cenové kalkulaci, konstrukci bezdrátového uzlu a především měření odběru proudu při sběru dat a v klidovém režimu. Závěr je stručným shrnutím této práce.
KLÍČOVÁ SLOVA Arduino, ATMega328P, bezdrátový uzel, DHT22, Raspberry Pi, nRF24L01+, senzor
ABSTRACT The aim of this bachelor thesis is to design low-power wireless sensor node, which will be used to measure temperature, humidity and pressure. The Ąrst part deals with the central unit Raspberry Pi, which will collect the Measured data. The second part is devoted to design for a wireless node that is formed by ATMega328 microcontroller, three sensors (temperature, pressure and humidity), baterry which is charged by photovoltaic cell and the wireless module. The third part is devoted to price calculation, construction of a wireless node, and especially measuring the current consumption at data collection and in idle mode. Conclusion is a brief summary of this work.
KEYWORDS Arduino, ATMega328P, wireless node, DHT22, Raspberry Pi, nRF24L01+, sensor
KLVAŇA, Jakub Nízkopříkonový bezdrátový senzorový uzel s ATMega328: bakalářská práce. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav telekomunikací, 2014/2015. 53 s. Vedoucí práce byl Ing. Ondřej Krajsa, Ph.D.
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že svou bakalářskou práci na téma ĎNízkopříkonový bezdrátový senzorový uzel s ATMega328Ş jsem vypracoval(a) samostatně pod vedením vedoucího bakalářské práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor(ka) uvedené bakalářské práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této bakalářské práce jsem neporušil(a) autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl(a) nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a/nebo majetkových a jsem si plně vědom(a) následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon), ve znění pozdějších předpisů, včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č. 40/2009 Sb.
Brno
...............
.................................. podpis autora(-ky)
PODĚKOVÁNÍ Rád bych poděkoval vedoucímu diplomové práce panu Ing. Ondřeji Krajsovi, Ph.D. za odborné vedení, konzultace, trpělivost a podnětné návrhy k práci.
Brno
...............
.................................. podpis autora(-ky)
Faculty of Electrical Engineering and Communication Brno University of Technology Purkynova 118, CZ-61200 Brno Czech Republic http://www.six.feec.vutbr.cz
PODĚKOVÁNÍ Výzkum popsaný v této bakalářské práci byl realizován v laboratořích podpořených z projektu SIX; registrační číslo CZ.1.05/2.1.00/03.0072, operační program Výzkum a vývoj pro inovace.
Brno
...............
.................................. podpis autora(-ky)
OBSAH Úvod
11
1 Centrální Jednotka 1.1 Raspberry Pi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Operační systém pro Raspberry Pi . . . . . . . . . . . 1.2.1 Instalace operačního systému . . . . . . . . . . 1.3 GPIO konektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1 Zprovoznění GPIO konektoru . . . . . . . . . . 1.3.2 Rozhraní SPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3 Rozhraní I2C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4 Schéma zapojení pro komunikaci s bezdrátovým uzlem
. . . . . . . .
12 12 14 14 16 17 18 19 19
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
20 20 20 22 23 23 24 24 24 25 25 25 26 26 27 28 28 29 30
. . . .
32 32 33 33 33
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
2 Bezdrátový uzel 2.1 Mikrokontrolér ATMega328P . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Módy spoření energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Arduino Nano 3.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Programování Arduina . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Bezdrátový modul nRF24L01+ . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Měřené veličiny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1 Senzor Dallas18B20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2 Senzor Bosch BMP180 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.3 Senzor DHT-22 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 Napájení bezdrátového uzlu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.1 Lithium-iontová baterie (Li-ion) . . . . . . . . . . . . . 2.5.2 Lithium-polymerová baterie (Li-Pol) . . . . . . . . . . 2.5.3 Lithium-železo-fosfátová baterie (Li-Fe-PO4) . . . . . . 2.5.4 Výběr baterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6 Fotovoltaický článek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7 Nabíjení Baterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8 Měnič napětí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.9 Blokové schéma komunikace bezdrátového uzlu s Raspberry Pi 3 Cena, Konstrukce, Měření 3.1 Cena . . . . . . . . . . . 3.2 Konstrukce . . . . . . . 3.2.1 Meteostanice . . 3.2.2 Nabíječka . . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . .
3.3
Měření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.3.1 Výpočet výdrže baterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4 Závěr
38
Literatura
39
Seznam symbolů, veličin a zkratek
41
Seznam příloh
43
A Nabíječka a měnič
44
B Meteostanice
49
C Obsah přiloženého DVD
53
SEZNAM OBRÁZKŮ 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 A.1 A.2 A.3 A.4 A.5 A.6 B.1 B.2 B.3 B.4
Raspberry Pi model B Ű rozložení konektorů . . . . . . . . . . . . . . ĎWin 32 Disk Imager Ş- Instalace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vzdálené připojení přes ĎPUTTYŞ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ĎOknoŞ nastavení při prvním spuštění . . . . . . . . . . . . . . . . . Rozložení portu GPIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schéma zapojení Rasbperry Pi a bezdrátového modulu nRF24L01+ . Mikrokontroler ATMega328P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arduino Nano Ű Rozložení pinů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Senzor Dallas 18B20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Senzor Bosch BMP180 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Senzor DHT-22 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Blokové schéma komunikace mezi bezdrátovým uzlem a Rasbperry Pi Schéma zapojení nabíjecí části . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schéma zapojení měniče napětí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Deska plošných spojů nabíječky a měniče - spodní strana . . . . . . . Deska plošných spojů nabíječky a měniče - horní strana . . . . . . . . osazovací plán nabíječky a měniče - spodní strana . . . . . . . . . . . osazovací plán nabíječky a měniče - horní strana . . . . . . . . . . . . Schéma zapojení meteostanice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Deska plošných spojů meteostanice - spodní strana . . . . . . . . . . Deska plošných spojů meteostanice - horní strana . . . . . . . . . . . Osazovací plán meteostanice - spodní strana . . . . . . . . . . . . . .
14 15 16 17 18 19 20 23 24 25 25 30 46 47 47 47 48 48 50 51 51 52
SEZNAM TABULEK 1.1 1.2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 A.1 A.2 A.3 B.1
Porovnání parametrů Raspberry Pi modelů B+ a B . . . . . Porovnání parametrů Raspberry Pi modelů 2B a B . . . . . . Módy spoření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Srovnání baterií . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Parametry baterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Parametry fotovolataického článku . . . . . . . . . . . . . . . Rozsah napájecích napětí senzorů a mikrokontroléru . . . . . . Celková cena bezdrátového uzlu . . . . . . . . . . . . . . . . . Celková cena centrální jednotky . . . . . . . . . . . . . . . . . Odběr proudu při snímání a zasílání dat . . . . . . . . . . . . Rozsah odběru proudu při měření a zasílání dat dle datasheetu Odběr proudu při klidovém stavu . . . . . . . . . . . . . . . . Rozsah odběru proudu při klidovém stavu dle datasheetu . . . Seznam součástek pro nabíječku 1. část . . . . . . . . . . . . . Seznam součástek pro nabíječku - 2. část . . . . . . . . . . . . Seznam součástek pro měnič . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Seznam součástek pro meteostanici . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .
12 13 21 27 28 28 30 32 33 34 34 35 35 44 45 45 49
ÚVOD Tato práce se věnuje návrhu bezdrátového uzlu, který bude měřit neelektrické veličiny jimiž jsou teplota, vlhkost vzduchu a barometrický tlak vzduchu. Jedná se tedy o takovou malou meteorologickou stanici, kterých je v současné době spousta. Ovšem tyto meteorologické stanice měří dané veličiny s velkou relativní chybou a povětšinou se jejich zdroj energie Ű čímž jsou nejčastěji tužkové baterie Ű při prvních náznacích zimy nenávratně zničí. Cílem této práce je vytvořit nízkoenergetický uzel, s využitím mikrokontroléru ATMega328P. Tento uzel bude optimalizován tak, aby měl co nejmenší možnou spotřebu energie. Zdroj energie bude uzel čerpat z vhodné baterie, která ustojí i velmi nízké teploty. Alternativní zdroj energie a zároveň dobíjení baterie bude řešeno pomocí solárního článku. Data z této meteostanice budou zasílána pomocí bezdrátového modulu nrf24l01+ na jednočipový počítač Raspberry Pi, který vyniká zejména svými rozměry a nízkou pořizovací cenou.
11
1 1.1
CENTRÁLNÍ JEDNOTKA Raspberry Pi
Ke shromažďování dat z bezdrátového uzlu byl vybrán jednočipový ĎminipočítačŞ Raspberry Pi. Minipočítač, z toho důvodu, že se díky svým malým rozměrům (86x58x15 mm) vejde i do kapsy, ale zastane funkci osobního počítače, který sice není příliš výkonný, ale pro tento projekt je naprosto dostačující. Raspberry Pi je napájen 5 V přes micro USB kabel a je k dostání v různých variantách: • Raspberry Pi model B • Raspberry Pi model B+ • Raspberry Pi 2 model B Pro tento projekt byl použit model B. Model B je z výše tří zmíněných modelů nejlevnější a zároveň také nejméně výkonný ale naprosto vyhovuje požadavkům, které jsou na něj kladeny. Tyto požadavky jsou GPIO konektor pro připojení bezdrátového modulu a síťové rozhraní LAN pro připojení k internetu, Připojení k internetu tady hraje taky svou roli, protože kvůli absenci obvodu reálného času, si musí Raspberry Pi synchronizovat čas z internetu, čož je důležité především kvůli měření a shromažďování dat v pravidelných časových intervalech.
Tab. 1.1: Porovnání parametrů Raspberry Pi modelů B+ a B Model B+
Model B
Typ procesoru ARM11 ARM11 Model procesoru Broadcom BCM2835 Broadcom BCM2835 Frekvence procesoru 1x 700 MHz 1x 700 MHz Operační paměť 512 MB (sdílená s GPU) 512 MB (sdílená s GPU) GraĄcký procesor Broadcom VideoCore IV Broadcom VideoCore IV Úložiště Slot pro MicroSD kartu Slot pro SD kartu Síťové rozhraní LAN (RJ45) LAN (RJ45) USB 4 x USB 2.0 2 x USB 2.0 Audio 3,5 mm 4-pólový jack , HDMI 3.5 mm jack, HDMI Video HDMI, Composite RCA HDMI, Composite RCA Podporovaný OS Linux, Android Linux, Android Rozměry (mm) 86x56x15 86x56x17 Hmotnost 45 g 45 g
12
Model B+ navíc disponuje dvojitým převodníkem snižujícím napětí z 5 V na 3,3 V, ochranou proti přepólování, 2 A pojistkou a ochranou Ďhot-swapŞ, díky které lze odpojit či připojit USB bez nutnosti restartování desky. Navíc má model B+ 40ti vývodový GPIO konektor namísto standartního 26ti vývodového, s tím že prvních 26 vývodů je totožných jako u modelu B a dalších 9 je Pro GPIO a 2 pro identiĄkační EEPROM desky. Porovnání modelu B+ s modelem B je uvedeno v tabulce 1.1. Ještě je vhodné zmínit Raspberry Pi 2 model B, který je v nabídce teprve pár měsíců. Tento model disponuje čtyřjádrovým procesorem o taktu 900 MHz, což je oproti modelům B a B+ více než pětinásobný výkon, přičemž rozložení desky je stejné jako u modelu B+. Porovnání modelů 2B a B je uvedeno v tabulce 1.2. Tab. 1.2: Porovnání parametrů Raspberry Pi modelů 2B a B Model 2B
Model B
Typ procesoru ARM11 ARM11 Model procesoru Broadcom BCM2835 Broadcom BCM2835 Frekvence procesoru 4x 900 MHz 1x 700 MHz Operační paměť 1024 MB 512 MB (sdílená s GPU) GraĄcký procesor Broadcom VideoCore IV Broadcom VideoCore IV Úložiště Slot pro SD kartu Slot pro SD kartu Síťové rozhraní LAN (RJ45) LAN (RJ45) USB 4 x USB 2.0 2 x USB 2.0 Audio 3.5 mm jack, HDMI 3.5 mm jack, HDMI Video HDMI, Composite RCA HDMI, Composite RCA Podporovaný OS Linux, Android, Windows 10 Linux, Android Rozměry (mm) 86x56x15 86x56x17 Hmotnost 45 g 45 g
Kromě standardních vstupně/výstupních konektorů jako je například USB či HDMI 1.2 nabízí Raspberry Pi také sběrnice pro připojení externích zařízení. jsou to zejména tyto sběrnice: • CSI konektor: Pomocí tohoto konektoru můžeme připojit k Raspberry Pi kameru • DSI konektor: Konketor sloužící k připojení LCD panelu • GPIO Konektor: K tomuto konektoru jdou připojit například různé senzory moduly či expandéry. Obsahuje 26 vstupně/výstupních pinů. Z toho 8 z nich jsou přímo GPIO piny. 13
• JTAG konektor: Tento konektor se požívá zejména k testování plošných spojů a programování FLASH pamětí. Rozložení všech vstupně/výstupních zařízení je uvedeno na obrázku 1.1.
Obr. 1.1: Raspberry Pi model B Ű rozložení konektorů
1.2
Operační systém pro Raspberry Pi
Raspberry Pi podporuje celou řadu operačních systémů na platformě linux a andriod. Pro tento projekt byla zvolena oĄciální linuxová distribuce operačního systému, která nese název ĎRaspbian-wheezyŞ. Tato distribuce je založena na Debianu a je optimalizována právě pro Raspberry Pi. Výrobce nabízí i několik dalších distribucí, které je možné stáhnout z oĄciálních stránek: http://www.raspberrypi.org/ downloads/.
1.2.1
Instalace operačního systému
Jelikož Raspberry Pi nedisponuje žádným interním úložištěm, ale pouze slotem pro SD kartu, bylo nutno tuto kartu dokoupit zvlášť. Pro instalaci operačního systému bylo u SD karty důležité pouze zvolení její optimální kapacity. Při stažení ZIP archivu s operačním systémem ĎRaspbian - wheezyŞ měl tento archiv necelý 1 GB. Ovšem po jeho následném rozbalení nabyla velikost tohoto souboru s názvem Ď2014-09-09-wheezy-raspbian.imgŞ na 3,05 GB. Aby zbylo na SD kartě nějaké volné místo pro případné aplikace či data, byla zvolena SD karta o kapacitě 8 GB. Samotná instalace operačního systému probíhá velmi jednoduše: • Vložíme SD kartu do PC či notebooku,
14
• Pak se pomocí programu ĎWin 32 Disk ImagerŞ najde cesta k rozbalenému souboru Ď2014-09-09-wheezy-raspbian.imgŞ, • Dále je třeba zvolit disk na který se bude operační systém instalovat, čož je v našem případě SD karta. (U tohoto kroku je třeba dbát zvýšené opatrnosti, protože pokud bychom zvolili jiný disk, tak by při instalaci došlo k nenávratné ztrátě dat na onom disku), • Nakonec se stiskne tlačítko ĎwriteŞ a pak probíhá samotná instalace, která trvá ĎzhrubaŞ 10 minut.
Obr. 1.2: ĎWin 32 Disk Imager Ş- Instalace Ukázka instalace pomocí programu ĎWin 32 Disk ImagerŞ je zobrazena na obrázku 1.2. Po úspěšné instalaci se SD karta vloží do Raspberry Pi a k prvnímu spuštění už stačí jen připojit napájení 5 V pomocí micro USB kabelu a LAN konektor pro přístup do sítě. Bohužel micro USB kabel se k Raspberry Pi nedodává a tak bylo nutno ho dokoupit zvlášť. Jakmile připojíme k Raspberry Pi napájení a síťový kabel je třeba si zjistit IP adresu, kterou Raspberry Pi obrdrželo. Rasbperry Pi je implicitně nastaveno tak, aby automaticky obdželo IP adresu z DHCP serveru. Tuto IP adresu zjistíme jednoduše tím, že se přihlásíme do routeru a podíváme se na aktuálně připojená zařízení a podle jména ĎraspberrypiŞ zjistíme jakou adresu Raspberry Pi dostalo. Vzdálené připojení do terminálu Rasbperry Pi probíhalo přes SSH klienta ĎPUTTYŞ 1.3. Jakmile bylo připojení uskutečněno bylo třeba zadat přihlašovací jméno ĎpiŞ a heslo ĎraspberryŞ, které stanovuje výrobce. Nutno dodat, že heslo ĎraspberryŞ, bylo změněno na heslo ĎpiŞ, kvůli jednoduchosti. Po prvním přihlášení se zobrazí ĎoknoŞ 1.4, kde je možno změnit již zmiňované přihlašovací jméno a heslo, nastavit časovou zónu, dále pak povolení či zakázání sběrnic jako SPI a I2 C a mnohé další nastavení. Toto ĎoknoŞ 1.4 se zobrazí pouze po prvním spuštění. Pokud bychom ho chtěli vyvolat znovu, je nutno zadat tento příkaz: sudo raspi-config
15
Obr. 1.3: Vzdálené připojení přes ĎPUTTYŞ Mimo zmiňovaného SSH klienta ĎPUTTYŞ, jenž vzdáleně zobrazuje jenom terminál se k Raspberry Pi lze připojit také programem ĎTightVNC ViewerŞ, který slouží ke sdílení vzdálené plochy. Můžeme jej nainstalovat pomocí příkazu: sudo apt-get install tightvncserver Ovšem protože se všechny příkazy zadávají v terminálu, vystačíme si pouze s ním.[1]
1.3
GPIO konektor
GPIO neboli General Purpose Input/Output, jak již bylo uvedeno výše je konektor obsahující 26 pinů, které jdou programovat. Samotných GPIO pinů je 8 a dále pak 2 piny UART, 2 piny pro I2 C, 6 pinů pro SPI, které jdou přenastavit k využití GPIO a dále také výstupy pro napájení 3,3 V a 5 V a zem. Do těchto pinů můžem posílat elektrický signál nebo ho z nich naopak můžeme přijímat. Tímto způsobem docílíme toho aby s námi komunikoval připojený hardware. Rozložení GPIO portu je zobrazeno na obrázku 1.5. Při používání jakéhokoli pinu je třeba si dávat pozor, jelikož piny jsou připojeny bez ochrany přímo na čip, který snese napětí maximálně 3,3 V. Pokud bychom toto napětí překročili, mohlo by dojít ke zničení čipu a tím i celého Raspberry Pi. [2]
16
Obr. 1.4: ĎOknoŞ nastavení při prvním spuštění
1.3.1
Zprovoznění GPIO konektoru
Ke zprovoznění komunikace s GPIO konektorem je třeba nainstalovat příslušné ovladače. V první řadě je zapotřebí zakomentovat řádky s moduly Ďspi-bcm2708Ş a Ďi2c-bcm2708Ş pomocí nástroje ĎnanoŞ, který slouží jako textový editor v linuxu. sudo nano /etc/modprobe.d/raspi-blacklist.conf Řádky se zakomentují jednoduše pomocí ĎmřížkyŞ, takže ve výsledku by řádky měly vypadat takto: #blacklist spi-bcm2708 #blacklist i2c-bcm2708 Následně se nainstaluje jazyk Python příkazem: sudo apt-get install python-dev Aby se modul I2 C sám automaticky spouštěl při zapnutí Raspberry Pi je nutno vložit do souboru etc/modules na konec řádku text i2c-dev. Sobour jednoduše editujeme příkazem: sudo vim /etc/modules Po editaci souboru etc/modules následuje aktualizace a restart: sudo apt-get update sudo shutdown -r now 17
3V3
1
2 5V
2 SDA
3
4 5V
3 SCL
5
6 GND
4
7
8 TXD
GND
9
10 RXD
I2C CLK
SPI
UART
17 11
12 18
27 13
14 GND
22 15
16 23
3V3 17
18 24
MOSI 19
20 GND
MISO 21
22 25
SCLK 23
24 CS1
GND 25
26 CS0
PWM
SPI
Obr. 1.5: Rozložení portu GPIO Po restartu stáhneme ovladače pro GPIO, rozbalíme a nainstalujeme: wget https://pypi.python.org/packages/source/R/RPi.GPIO/RPi.GPIO-0.5.3a.tar.gz tar -xzvf RPi.GPIO-0.5.3a.tar.gz cd RPi.GPIO-0.5.3a/ sudo python setup.py install sudo apt-get install i2c-tools [3].
1.3.2
Rozhraní SPI
Neboli Serial Peripheral Interface představuje externí sériovou sběrnici. Tato sběrnice slouží k propojení dvou nebo více navzájem komunikujících zařízení, kde jedno toto zařízení je typu master a ostatní jsou typu slave. Zařízení pracující jako master disponuje generátorem hodinového signálu. Hodinový signál je přenášen vodičem označovaným symbolem SCLK do ostatních zažízení. Pro plně duplexní přenos dat slouží dva vodiče označované MISO (Master in Slave Out) a MOSI (Master Out Slave In). Poslední vodič této sběrnice značený CS, složí pro výběr zařízení, které 18
pracuje v režimu slave. Přenosová rychlost sběrnice se pohybuje v rozmezí od 1 MHz až do 10 MHz. Ovšem nedostatkem této sběrnice je, že data je možno posílat pouze na kratší vzdálenosti. Dalším kámenem úrazu je absence signálu ACK , který slouží k potrvzení přijatých dat.
1.3.3
Rozhraní I2C
Dalsí rozhraní I2 C tedy Inter-Intergrated Circuit, je sériová sběrnice podobající se výše zmiňované SPI. Podobnost spočívá zejména v existenci hodinového signálu a možnosti jednoho zařízení typu master. Ovšem narozdíl od SPI, kde byl umožněn plně duplexní přenos dat použitím vodičů MISO a MOSI, disponuje I2 C jenom jedním jedním vodičem, kterým je SDA (Serial Data). To znamená, že přenos u této sběrnice je pouze poloduplexní. Dále narozdíl od SPI tu není použit výběr zařízení typu master pomocí signálu CS, ale každému zařízení je přiřazena adresa. I2 C je tedy o něco složitějsí sběrnice, ale na druhou stranu je mnohem Ćexibilnější a je možné ji použít i na delší vzdálenosti. [4].
1.4
Schéma zapojení pro komunikaci s bezdrátovým uzlem
Pro komunikaci s bezdrátovým uzlem slouží modul nRF24L01+, který je připojen k Raspberry Pi přes sériové rozhraní SPI. viz obrázek 1.6.
R aspberry Pi GND 3,3V GPIO25 CS 0 S CLK MOS I MIS O GPIO
1 2 3 4 5 6 7 8
25 17 22 24 23 19 21
nR F24l01+ GND VCC CE CS N S CK MOS I MIS O IR Q R ADIO
Obr. 1.6: Schéma zapojení Rasbperry Pi a bezdrátového modulu nRF24L01+
19
2
BEZDRÁTOVÝ UZEL
Tato část se zabývá návrhem senzorového bezdrátového uzlu s použitím mikrokontroléru ATMega328P. Tento uzel je třeba navrhnout a optimalizovat tak, aby měl co nejmenší spotřebu. Pro bezdrátovou komunikaci je použit nízkoenergetický modul nRF24L01+. Dalšími prvky této části jsou senzory teploty, tlaku a vlhkosti. Napájení uzlu je řešeno baterií a fotovoltaickým článkem.
2.1
Mikrokontrolér ATMega328P
Bezdrátová část je postavena na open-source platformě Arduino Nano 3.0 a hlavním prvkem této části je mikrokontroler ATMega328P 2.1 od Ąrmy Atmel. Uváděné napájecí napětí tohoto mikrokontroléru je v rozsahu hodnot 1,8 V - 5,5 V a je schopen pracovat v rozsahu teplot −40 °C až +85 °C. Tento mikrokontroler byl vybrán hlavně kvůli své nízké spotřebě, čož je v této úloze prioritou. Verze ĎPŞ (ATMega328P) narozdíl od svého staršího modelu (ATMega328), využívá technologie ĎpicoPower", která se uplatní především v úspoře energie a tím i v prodloužení životnosti baterie. Technologie PicoPower využívá různé techniky k tomu, aby nedocházelo ke zbytečnému plýtvání energií v různých módech spoření energie. Patří sem zejména tyto techniky: • BOD (Brown-out detection), který složí jako ochrana mikroprocesoru k tomu, aby jeho napájecí napětí nekleslo pod deĄnovanou úroveň, • PRR (Power reduction register), který slouží k minimalizaci napětí na jednotlivých periferiích, • DIDR (Dedicated Input Disable Register), který vypíná digitální vstupy jednotlivých vývodů.
Obr. 2.1: Mikrokontroler ATMega328P
2.1.1
Módy spoření energie
Módy spoření energie umožňují aplikaci vypnutí nepoužívaných můdulů v MCU a tím výrazně šetří energii. Pokud je například povolen výše zmiňovaný BOD, který aktivně monitoruje napájení, je možné jej v některých řežimech úspory zakázat. 20
Mikrokontrolér ATMega328P 2.1 disponuje šesti různými režimy úspory. K aktivaci jednoho z těchto šesti režimů musí být SE bit v SMCR registru (Sleep mode control register) zapsán jako logická 1 a instrukce SLEEP, která aktivuje režim úspory bude provedena. Bity SM2, SM1 a SM0 v SMCR registru určují, který z těchto šesti režimů úspory (Idle, ADC Noise Reduction, Power-down, Power-safe, standby, nebo Extended Standby) bude aktivován. Přehled nastavení bitů pro daný Spořící mód je uveden v tabulce 2.1.
Tab. 2.1: Módy spoření SM2 SM1 SM0 Sleep mode - Mód spoření 0 0 0 0 1 1 1 1
0 0 1 1 0 0 1 1
0 1 0 1 0 1 0 1
Idle ADC Noise Reduction Power-down Power-save Reserved Reserved Standby Extended standby
Idle Mode Zapsáním hodnot 000 do bitů SM2 - SM0 nastaví instrukce SLEEP MCU jednotku do tzv. Idle Mode (klidový režim) Zastavením CPU. V podstatě tento režim zastaví clkCPU a clkFLASH . Idle mode umožňuje probudit MCU jak z vnějších přerušení tak i z interních, jako je časovač. Pokud není zapotřebí probouzení přerušením z analogových hodnot, může být tento analogový komparátor vypnut nastavením ACD bit analogových hodnot v ACSR. Toto nastavení sníží odběr energie v Idle módu. ADC Noise Reduction Mode Nastavením tohoto módu se zastaví CPU, ale nadále funguje ADC převodník, vnější přerušení, I2 C sběrnice, časovač/čítač a Watchdog, pokud jsou povoleny. oproti Idle módu, který zastavuje clkCPU a clkFLASH , zastavuje tento mód ještě navíc clkI/O . Tato skutečnost snižuje šum ADC převodníku a tím umožňuje i vyšší přesnost měření.
21
Power-down mode Nejvíce spořící mód. V tomto módu je zastaven externí oscilátor. Vnější přerušení jako I2 C a Watchdog stále pokračují v provozu, pokud jsou povoleny. Jednotku MCU může probudit pouze externí reset, watchdog reset, Brown-out reset, externí úroveň přerušení na INT0 a INT1 nebo změna pinu. Tento mód tedy zastaví všechny vytvořené hodiny, což umožňuje provoz pouze asynchronních modulů. Power-save mode Tento mód spoření je stejný jako Power-down mode, avšak s jedinou vyjímkou a tou je skutečnost, že pokud je povolen časovač/čítač, bude jej udržovat v chodu během tohoto módu. MCU se může probudit buď z časovače přetečením nebo výstupem porovnávajícím události časovače/čítače. Ovšem jestli časovač/čítač není povolen, je lepší nastavit Power-down mode namísto tohoto módu. Standby mode Opět totožný s Power-down mode, jen s tím rozdílem, že oscilátor je stále aktivní. Jednotka MCU se probouzí v šesti hodinových cyklech. Extended standby mode Mód totožný s Power-save mode, až na to, že oscilátor je stále v provozu. Jednotka MCU se probouzí v šesti hodinových cyklech, tak jako u Stanby modu. [5]
2.2
Arduino Nano 3.0
Z počátku je třeba zmínit, že tento mikrokontrolérový modul je užit pouze k prvotnímu testování funkčnosti zapojení, jako například zkoušky s blikáním LED diody, test komunikace s bezdrátovým modulem a také pro měření odbřeru proudu. Jako Ąnální modul byla vytvořena deska na platformě Arduino Nano s mikrokontrolérem AMTega328P. Je to vývojový modul založen na mikrokontroléru ATMega328P Ąrmy Atmel, který je nejmenší ze všech arduin. Jeho rozměry jsou přibližně 4,32cm x 1,86cm. Pracuje s napětím 5 V a je napájen přes mini USB konektor, pomocí kterého ho lze také programovat. Tento mikrokontrolérový modul disponuje 14ti vstupně/výstupními digitálními piny, přičemž 6 z těchto 14ti pinů lze použít jako PWM výstupy. Dále disponuje také 6ti analogovými vstupy, SPI a I2 C sběrnicí. Celé Arduino je nápájeno 7 V - 12 V. Jeden vstupně/výstupní pin arduina je schopen dodat maximálně ĎažŞ 40 mA, avšak doporučená hodnota je 20 mA. Rozložení
22
číslování a popis jednotlivých vstupně/výstupních pinů je znázorněno na obrázku 2.2.
2.2.1
Programování Arduina
Jak je výše již zmíněno, Arduino Nano slouží jen pro prvotní testování jako je blikání LED diody a podobně. K těmto pokusům je třeba Arduino naprogramovat a k tomu slouží oiciální verze softwaru s názvem Arduino 1.0.6, který v sobě nese jak nástroj k naprogramování arduina, tak i velmi užitečné knihovny k různým pokusům. K naprogramování je samozřejmě je zapotřebí připojit arduino k počítači přes mini USB kabel. [6]
TX1 DX0 RST
VIN ARDUINO NANO V3.0
GND RST
GND
5V0
D02
A07
D03
A06
D04
A05
D05
A04
D06
A03
D07
A02
D08
A01
D09
A00
D10
REF
D11
3V3
D12
D13
Obr. 2.2: Arduino Nano Ű Rozložení pinů
2.3
Bezdrátový modul nRF24L01+
nRF24L01+ je jednočipový vysílač/přijímač, který pracuje na freknenci 2,4 GHz a je vhodný pro bezdrátovou komunikaci jak v domě, tak i ve volném prostranství. Tento modul je schopen pronikat i přes velké překážky a umožňuje obousměrný datový tok typu poloviční duplex. Dosah tohoto modulu je volném prostranství ± 100 m. Ovšem pokud mu v cestě stojí více překážek je jeho dosah zhruba třetinový. Modul byl vybrán hlavně pro svoji velmi nízkou spotřebu, což je pro tento úkol nejvyšší prioritou. Podporuje přenosovou rychlost 1 Mbps, 2 Mpbs a oproti starší verzi (nRF24L01) podporuje verze Ď+Ş také rychlost 250 kbps v tzv. dálkovém režimu. Užitím nižší
23
rychlosti bezdrátového přenosu dává přijímači vyšší citlivost, před rychlostí, ale bohužel také zvyšuje spotřebu energie. Naopak vyšší rychlost dává nižší průměrnou spotřebu proudu a také snižuje pravděpodobnost kolizí. Napájecí napětí tohoto modulu se pohybuje v rozmezí 1,9 V - 3,6 V. [7]
2.4
Měřené veličiny
Jak už bylo v úvodu zmiňováno senzorový uzel bude měřit 3 neelektrické veličiny a těmi jsou teplota, barometrický tlak vzduchu a vlhkost vzduchu. Senzory byly vybrány s ohledem na jejich nízkou spotřebu, přesnost měření a nízkou cenu. Pro měření teploty byl vybrán senzor Dallas 18B20, dále pro měření barometrického tlaku senzor Bosch BMP180 a k měření vlhkosti vzduchu senzor DHT22, který mimo jiné měří i teplotu, ale již vybraný senzor Dallas18B20 je k měření teploty mnohem přesnější, takže DHT22 bude použit pouze k měření vlhkosti a pro teplotu bude sloužit pouze jako záložní.
2.4.1
Senzor Dallas18B20
Je digitální senzor pro měření teploty. Napájen je 3 V - 5,5 V. Tento senzor komunikuje přes ĎOne-wireŞ sběrnici, čili ke komunikaci potřebuje pouze jednu datovou linku a zem. Rozsah Provozních teplot je −55 °C až +125 °C a s přesností 0,5 °C měří teplotu v rozsahu −10 °C až +85 °C. Senzor Dallas je zobrazen na obrázku 2.3.
Obr. 2.3: Senzor Dallas 18B20
2.4.2
Senzor Bosch BMP180
Digitální senzor barometrického tlaku Bosch BMP180 obrázek 2.4, který se díky své velké přesnosti a velmi malým rozměrům (3,6 x 3,8 x 0,9)mm uplatnil zejména v mobilních zařízeních. Typická absolutní přesnost tohoto senzoru podle výrobce je ±1 hPa. Napájecí napětí je v rozsahu 1,8 V - 3,6 V a díky tomu je schopen komunikovat přímo s mikrokontrolerem přes sběrnici I2 C. Dle datasheetu je průměrný odběr proudu tohoto senzoru zhruba 12 ÛA. 24
Obr. 2.4: Senzor Bosch BMP180
2.4.3
Senzor DHT-22
Kombinovaný digitální senzor teploty a vlhkosti vzduhu pracující v celém rozsahu 0 % - 100 % RH a s velkou přesností ±2 % RH. Základem senzoru DHT-22, který je uveden na obrázku 2.5 je kapacitní vlhkostní čisdlo, termistor a relativně velmi jednoduchý mikrokontrolér, který zajišťuje převod analogových hodnot na digitální a také výpočet vlhkosti v % a tepltoty ve °C. Rozsah napájení senzoru je 3,3 V - 6 V.
Obr. 2.5: Senzor DHT-22
2.5
Napájení bezdrátového uzlu
Velmi podstatnou součástí bezdrátového uzlu Ű aby mohl vůbec fungovat Ű je výběr kvalitního zdroje energie, což je v tomto případě baterie. V současné době je na trhu velké množství napájecích baterií jako například Li-ion, Li-Pol, Li-Fe-PO4 a mnoho dalších. Samotné názvy těchto baterií o sobě moc nevypovídají a tak je třeba se na tuto problematiku podívat trochu důkladněji.
2.5.1
Lithium-iontová baterie (Li-ion)
Je to typ nabíjecí baterie ve které je tvořena kladná elektroda Ű anoda Ű z materiálu obsahujícího ionty lithia a záporná elektroda Ű katoda Ű je vyrobena z uhlíku. Jako elektrolyt je použita lithiová sůl. Tento typ baterií je asi nejrozšířenější. Hlavní výhodou této baterie je, že může být vyrobena v různých tvarech, což umožňuje použití ve velké ve velké škále přístrojů. Můžeme je nalézt zejména pak v mobilních telefonech, tabletech, přenosných počítačích, dále pak také v letadlech 25
či některých hybridních elektrických vozidlech. Další výhodou této baterie je vysoká hustota energie až 200 Wh/kg a to je 3krát více než už staršího typu baterie jako Ni-MH (Nikl-Metal Hydridová baterie). Tato skutečnost dovoluje mít baterii s celkem vysokou kapacitou a zárověn malým objemem a malou hmotností. Samovybíjení této baterie je zhruba do 5 %. Nemá paměťový efekt a tím pádem ji není nutno formátovat, což znamená několikrát ji úplně vybít a nabít než se prvně použije. Její životnost se pohybuje kolem 500 - 1200 nabíjecích cyklů. Mezi její nevýhody patří zejména stárnutí, což má za následek, že ztrácí svoji maximální kapacitu, bez ohledu na to, jestli je používána nebo ne. Pokud je baterie vystavena vyšší teplotě, tím více stárne. Dalším neduhem této baterie je nebezpečí výbuchu či vznícení, pokud je baterie například zkratována či přebíjena na vyšší kapacitu, než je schopna pojmout. Pokud je úplně vybita, čili její napětí klesne pod hranici 2,8 V, může dojít k jejímu nenávratnému zničení.
2.5.2
Lithium-polymerová baterie (Li-Pol)
Tento typ baterie byl vyvinut z Lithium-iontových baterií. Jako elektrolyt je použit pevný polymer. Anoda je u těchto baterií tvořena stejně jako Li-ion a tím je opět materiál který obsahuje ionty lithia. Záporná elektroda katoda sestává povětšinou z oxidu lithia a kobaltu. Takto vytvořené vrstvy se buď vrství skládáním na sebe, nebo se rolují a tím pádem lze u těchto baterií dosáhnout různých tvarů, jako u Li-ion baterií. Ovšem narozdíl od nich dosahují Li-Pol baterie větší kapacitní hustoty, která v dnešní době sahá k 250 Wh/kg. Používají se více méně tam, kde Li-ion baterie, čili mobilní telefony, přenosné počítače ale především u RC modelů. Opět stejně jako Li-ion baterie jsou Li-Pol bez paměťového efektu a samovybíjení činí zhruba 5 %. Bezpečné provozní teploty jsou −10 °C až +40 °C. Za zmínku ještě stojí velmi dlouhá životnost, která sahá až k 2000 nabíjecích cyklů. K nevýhodám, stejně jako u Li-ion baterií patří možnost výbuchu či vznícecí, pokud je s baterií špatně zacházeno a také se projevuje klesání kapacity ať už je baterie používána nebo ne a při poklese napětí pod 2,7 V je velká pravděpodobnost zničení baterie.
2.5.3
Lithium-železo-fosfátová baterie (Li-Fe-PO4)
Baterie založené na lithium-železo-fosfátu a díky tomu také získaly své označení ��� �� �4. Kladná elektroda anoda je vyrobena z uhlíku. Tyto baterie jsou naproti Li-ion bateriím schopny dodat vyšší proud a disponují také velmi vysokým rozsahem provozních teplot, který se pohybuje od −20 °C až do +70 °C a některé zdroje
26
dokonce udvádějí rozsah teplot už od −45 °C. U tohoto typu baterií prakticky neexistuje efekt samovybíjení a je umožněno je nabíjet v jakémkoli stavu vybití, jelikož nemají paměťový efekt. V porovnání s Li-ion bateriemi je Li-Fe-PO baterie o mnoho bezpečnější a nedochází ke vzplanutí či vznícení při případných zkratech, přebíjení nebo jiných způsobech nesprávného zacházení. K výbuchu či jiné havárii dochází až při velmi vysokých teplotách, které se pohybují od 800°C a výš. Udávaná životnost je u těchto baterií až 500 nabíjecích cyklů. Mezi nevýhody u tohoto typu baterií patří především to, že pokud jsou vybity pod úroveň 33 % své kapacity, tak velmi rychle selhávají. Další vec, která dosti zkracuje životnost této baterie je její přilíš rychlé nabíjení. Maximální nabíjecí napětí je 3,6 V. [8]
Tab. 2.2: Srovnání baterií Hustota energie Paměťový efekt Nominální napětí Životnost Provozní teplota Samovybíjení
2.5.4
Li-ion Li-Pol Li-Fe-PO 200Wh/kg 250Wh/kg 170Wh/kg Není Není Není 3,7V 3,7V 3 - 3,3V 500 - 1200 cyklů až 2000 cyklů 500 cyklů 0°C - 45°C -10°C - 40°C -20°C - 70°C 5% za měsíc 5% za měsíc žádné
Výběr baterie
Při porovnání tří výše uvedených baterií je těžké se rozhodnout, která z nich by byla ideální pro napájení bezdrátového uzlu. Každá z těchto baterií, má své výhody i nevýhody. Stručné shrnutí těchto tří typů baterií je uvedeno v tabulce 2.2. Po nahlédnutí do tabulky se jako nejlepší volba jeví baterie Li-Pol, především díky své vysoké životnosti a provozním teplotám, ale z důvodu možnosti vznícení nebo výbuchu Ű stejně jako u Li-ion Ű při nechtěném přebití či jiném špatném zacházení už to není úplně nejlepší volba. Z tohoto důvodu byla vybrána Lithium-železo-fosfátová baterie (Li-Fe-PO4) u které nehrozí výbuch ani vznícení například při přebití, dalším důvodem k výběru této baterie je její schopnost práce při velmi nízkých teplotách až −20 °C a taky u ní prakticky neexistuje žádné samovybíjení. Konkrétní vybraná baterie má nominální napětí 3,3 V a kapacitu 1100 mAh. Doporučené nabíjecí napětí této baterie je 3,6 V. Další parametry baterie jsou uvedeny v tabulce 2.3. [10]
27
Tab. 2.3: Parametry baterie Velikost Typ Napětí Kapacita Standardní nabíjení Rychlo nabíjení Maximální vybíjecí proud Rozměry Hmotnost
2.6
18650 Li-Fe-PO4 3,3 V 1100 mAh 1500 mA při 3,6 V 4000 mA při 3,6 V 30 A 18,2 x 64,95 mm 39 g
Fotovoltaický článek
K zajištění co nejdelší funkčnosti bezdrátového uzlu nepostačí jenom samotná baterie, protože i když bude uzel odebírat co nejméně energie to půjde, baterie se dříve či později vybije a tím i zcela zničí. Tomuto je třeba se vyhnout a vyřešit její dobíjení. Nejjednodušším řešením je fotovoltaický článek, který se v dnešní době používá k dobíjení například zahradních lampiček, hodinek, kalkulaček a spousty dalších podobných zařízení. Fotovoltaický článek je tenký plátek z monokrystalického či polykrystalického křemíku, který je dopován dalšími prvky. Tento článek dokáže přeměnit dopadající sluneční záření na tok elektronů, čili na elektrický proud, kterým pak dále dobíjí baterii. Aby byl článek schopen dobíjet baterii musí mít dostatečný výkon, ale zároveň jsou také požadovány pokud možno co nejmenší rozměry. Pro tuto aplikaci byl vybrán článek s následujícími parametry 2.4. Tab. 2.4: Parametry fotovolataického článku Napětí při maximálním výkonu Proud při maximálním výkonu Nominální výkon Rozměry
2.7
6V 333 mA 2W 180 x 130 x 3 mm
Nabíjení Baterie
Jak už bylo řečeno, naše baterie snese maximální nabíjecí napětí 3,6 V a solární článek dodává napětí 6 V při maximálním výkonu, čili nelze připojit článek k bateri
28
ĎnatvrdoŞ, ale musí to být řešeno jinak. K vyřešení tohoto problému poslouží integrovaný obvod od Ąrmy Texas Instruments, který nese označení BQ24650. Tento obvod sleduje proud tekoucí do baterie a zároveň i napětí panelu a spínáním tranzistorů QA a QB velikost proudu řídí. Obvod je určen přímo k nabíjení baterií solárními články a Mezi jeho hlavní vlastnosti patří: • Vstupní napětí 5 - 28 V • MPPT - Hlídání maximálního výkonu při nastavitelném napětí • Řízení spínání N-MOS tranzistorů pro snižující měnič • Indikace stavu pomocí LED diod • Detekce pripojené baterie • Automatický režim spánku Firma Texas Instruments na svých stránkách nabízí spousty různých zapojení s tímto integrovaným obvodem a jedno z těchto Ąrmou nabízených zapojení je určeno právě pro řízení napájení Li-Fe-PO4 baterií ze solárního článku a právě toto (přílohaA.1) zapojení je použito i pro naši aplikaci. [9]
2.8
Měnič napětí
Napětí dodávané z baterie může s postupem času kolísat v závislosti na jejím vybití a tak je třeba zajistit aby bylo dodáváno konstantní napětí. Tento problém je řešen pomocí měniče napětí, jehož základem je opět integrovaný obvod od Ąrmy Texas Instruments s označením TPS61020. Tento obvod byl vybrán na základě jeho vysoké účinnosti, která podle datasheetu činí až 96 % [11]. Mezi jeho další vlastnosti patří: • Klidový proud 25 ÛA • Vstupní napětí v rozsahu 0,9 - 6,5 V • Pevné a nastavitelné výtupní napětí až do 5,5 V • Úsporný režim pro zvýšenou účinnost při nízkém výkonu • Konstantní výstupní napětí při změně vstupního Pro napájení meteostanice bylo nutné zvolit vhodné napájecí napětí s ohledem na napájecí napětí senzorů a mikrokontroléru. Při porovnání napájecích napětí v tabulce 2.5 byla zvolena hodnota 3,3 V, toto výstupní napětí se nastavuje dvojicí rezistorů R16 a R22. Maximální proud, který můžeme odebírat je 200 mA. Za zmínku ještě stojí to, že výstupní napětí lze nastavit také na 5V a to pomocí jumperu přepnutím na rezistor R24. S touto nabíječkou je tedy možné napájet zařízení, která mají napájecí napětí 3,3 V a 5 V.
29
Tab. 2.5: Rozsah napájecích napětí senzorů a mikrokontroléru Dallas18b20 Bosch BMP180 DHT22 ATMega328P
2.9
3 - 5V 1,8 - 3,6 V 3,3 - 6 V 1,8 - 5,5 V
Blokové schéma komunikace bezdrátového uzlu s Raspberry Pi
Fotovoltaický článek Nabíjení baterie BQ24650 Baterie LiFePO4
Měnič napětí TPS 61020
Senzor teploty Dallas 18 b20
Senzor vlhkosti DHT22
ATMega328 P
Bezdrátový modul nRF24 l01 +
Bezdrátový modul nRF24 l01 +
Raspberry Pi
Senzor tlaku BMP180
Obr. 2.6: Blokové schéma komunikace mezi bezdrátovým uzlem a Rasbperry Pi Na výše uvedeném obrázku 2.6 je znázorněno blokové schéma bezdrátového uzlu komunikujícího s Raspberry Pi . Celé blokové schéma lze rozdělit do tří části. První částí je část napájecí, kde na fotovolatický článek dopádá sluneční záření, ten přeměňuje dopadající záření na elektrický proud. Tato energie je poslána na vstup integrovaného obvodu BQ24650, který sleduje proud tekoucí do baterie a dvěma tranzistory jej řídí. Z baterie putuje energie dále na měnič napětí TPS61020, který mění napětí dodávané z baterie na 3,3 V.
30
Druhá část je samotný mikrokontrolér ATMega328P, který přijímá data od senzorů teploty tlaku a vlhkosti. Data ze senzorů jež obdrží mikrokontrolér jsou přes bezdrátový modul nRF24l01+ zasílána do Raspberry Pi, což je třetí část tohoto schématu. Do Raspberry Pi jsou data ze senzorů posílána jendou za minutu. Komunikace probíhá jedním směrem a nenavazuje se žádné spojení. Senzory jednoduše přečtou data, mikrokontrolér je přijme a přes bezdrátový modul je okamžitě zasílá do Raspberry Pi. Celý tento proces čtení dat ze senzorů a následné zasílání do centrální jednotky trvá cca 2 vteřiny. Inhed po přečtení a odeslání dat se mikrokontrolér uspí do Power-down módu na 60 vteřin a celý proces se opakuje.
31
3
CENA, KONSTRUKCE, MĚŘENÍ
3.1
Cena
Všechny komponenty byly zakoupeny s přihlédnutím k ceně, ale především ke správné funkčnosti celého uzlu. Toto Zboží bylo zakoupeno z následujících internetových obchodů: • • • • •
http://www.gme.cz/ http://cz.farnell.com/ http://www.repasebaterii.cz/ http://www.ebay.com/ http://rpishop.cz/
Celková cena pro bezdrátový uzel s vyjímkou pasivních součástek je uvedena v tabulce 3.1. Nejdražší položkou v tomto seznamu je Arduino nano, které sice není součástí bezdrátového uzlu, ale bylo jej třeba k nahrávání programu do mikrokontroléru a také bylo použito k měření odběru proudu při různých módech spoření energie a z tohoto důvodu je uvedeno v seznamu použitých komponent. Tab. 3.1: Celková cena bezdrátového uzlu Název komponenty
Počet kusů
Mirkokontrolér ATMega328P Senzor Dallas DS18b20 Senzor Bosch BMP180 Senzor DHT22 LiFePO4 Baterie, 3,3V/1100mAh Pouzdro baterii 18650, s drátky Fotovoltaický článek 6V/2W Integrovaný obvod BQ24650 Integrovaný obvod TPS61020 Bezdrátový modul nRF24l01+ Arduino nano V3.0
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
Cena celkem:
Cena 98 Kč 59 Kč 85 Kč 83 Kč 198 Kč 47 Kč 259 Kč 145 Kč 46 Kč 49 Kč 1080 Kč 2149 Kč
Cena pro centrální jednotku je uvedena v tabulce 3.2. Zde je nejdražší položkou Raspberry Pi, které příjímá data. Celková cena za všechny komponenty dohromady, tedy jak bezdrátového uzlu tak centrální jednotky je 3203 Kč. Tato Cena je poměrně
32
vysoká, ale na druhou stranu má toto zařízení vlastní dobíjecí solární systém, díky kterému by mělo vydržet co možná nejdéle. Tab. 3.2: Celková cena centrální jednotky Název komponenty
Počet kusů
Raspberry Pi model B 1 Bezdrátový modul nRF24l01+ 1 Kingston Micro SDHC, 8GB Class 4 + adaptér 1 Cena celkem:
3.2
Cena 880 Kč 49 Kč 125 Kč 1054 Kč
Konstrukce
Celý bezdrátový uzel je složen ze dvou samostatných částí a to jest samotná meteostanice a nabíječka spolu s měničem.
3.2.1
Meteostanice
Jako první probíhal návrh zapojení B.1 a deska B.2 B.3 meteostanice. Tento návrh byl nejdříve testován na nepájivém poli, kde místo mikrokontroléru ATMega328P bylo použito právě zmiňované Arduino nano spolu se senzory teploty tlaku, vlhkosti a bezdrátového modulu. Testoval se sběr dat ze senzorů a jeho následné zaslání do centrální jednotky. Při tomto testování se také měřil odběr proudu jednotlivých senzorů a při měření a při klidovém stavu, stejně tak se měřil odběr proudu u bezdrátového modulu při zasílání dat a při režimu spánku. Po testování funkčnosti měření senzorů a zasílání dat z bezdrátového modulu byla deska vyrobena. Na desce jsou dvě řady dutinkových lišt umístěny tak, aby tam šlo zasadit Arduino nano. Tyto lišty jsou propojeny cestami s mikrokontrolérem a hlavním důvodem jejich přitomnosti je aby bylo možné za pomoci Arduina nahrát program do mikrokontroléru.
3.2.2
Nabíječka
Návrh schématu zapojení nabíječky sestává ze dvou částí. První část je samotná nabíječka A.1 s integrovaným obvodem BQ24650 a druhá část je měnič napětí na 3,3 a 5 V s integrovaným obvodem TPS61020 A.2. Ze spodní strany desky nabíječky je je připevněn držák pro baterii. Z Držáku vedou drátky do svorkovnice umístěné na horní straně desky. Na horní straně desky se nachází ještě druhá svorkovnice, která slouží jako vstup pro solární panel. Výstup měniče je vyveden na kolíkovou lištu, která se zasune do dutinkové lišty na meteostanici. 33
3.3
Měření
Měření probíhalo na nepájivém poli s arduinem. Měřil se především odběr proudu senzorů a bezdrátového modulu při snímání veličin a jejich následném zasílání do centrální jednotky. Poté se měřil odběr proudu při klidovém stavu, kdy byly senzory a bezdrátový modul nečinné a arduino v režimu spánku. Měření bylo pro každou komponentu provedeno 10. Tab. 3.3: Odběr proudu při snímání a zasílání dat Číslo měření nRF24l01+ DHT22 BMP180 DS18b20 Jednotky 1 1,48 1,44 0,036 0,60 mA 2 1,48 1,53 0,034 0,59 mA 3 1,50 1,29 0,033 0,56 mA 4 1,36 1,39 0,036 0,60 mA 5 1,50 1,52 0,035 0,59 mA 6 1,49 1,42 0,035 0,60 mA 7 1,39 1,51 0,035 0,60 mA 8 1,51 1,52 0,035 0,59 mA 9 1,50 1,44 0,033 0,59 mA 10 1,38 1,50 0,035 0,57 mA Průměr 1,46 1,46 0,035 0,59 mA Odběr proudu při snímání a následném zasílaní dat do centrální jednotky je uveden v tabulce 3.3. nejvyšší odběr proudu mají shodně hned dva komponenty a to bezdrátový modul nRF24l01+ a senzor vlhkosti vzduchu DHT22, které při měření a zasílání dat odebírají v průměru 1,46 mA. Naopak nejmenší spotřebu má senzor atmosférického tlaku Bosch BMP180, který při měření odebírá v průměru 35 ÛA. Tab. 3.4: Rozsah odběru proudu při měření a zasílání dat dle datasheetu nRF24l01+ DHT22 BMP180 DS18b20 Jednotky 7 - 11,30 1 - 1,50 0,003 - 0,032 1 - 1,50 mA Při porovnání naměřených odběrů a odběrů z datasheetu v tabulce 3.4 je vidět odychylka především u senzoru teploty dallas 18b20, který má minimální odběr dle datashetu 1 mA, ale v průměru bylo naměřeno 0,6 mA, tedy o 0,4 mA méně a to je velmi pozitivní. Odběr proudu bezdrátového modulu nRF24l01+ se též lišil od datasheetových hodnot. Datasheet uvádí při zasílání dat odběr 7 - 11,3 mA, přičemž naměřený odběr vyšel 1,46 mA, Tato skutečnost může být způsobena tím že měření probíhalo v laboratoři, kde byly bezdrátové moduly hned vedle sebe, tudíž neměli 34
mezi sebou téměř žádnou vzdálenost a nebylo potřeba vyvinout takový výkon jako kdyby byly například 20 metrů od sebe. Naměřené hodnoty senzoru vlhkosti DHT22 odpovídají rozsahu hodnot z datasheetu. Senzor Bosch BMP180 mírně přesahuje rozsah hodnot z datasheetu, ale na druhou stranu, tento senzor má odběr proudu ze všech nejmenší a tak se dá tento přesah považovat za zanedbatelný. Tabulka 3.5 obashuje naměřené odběry proudu jednotlivých komponent při klidovém stavu kdy je arduino v power-down módu. Při tomto klidovém stavu má nejvyšší spotřebu senzor dallas v průměru 39,2 ÛA. Nejmenší spotřebu má opět senzor Bosch BMP180, který při klidovém stavu odebírá pouhý 1 ÛA. Tab. 3.5: Odběr proudu při klidovém stavu Číslo měření nRF24l01+ DHT22 BMP180 DS18b20 Jednotky 1 18 12 1 40 ÛA 2 18 12 1 38 ÛA 3 18 12 1 40 ÛA 4 17 11 1 40 ÛA 5 18 11 1 40 ÛA 6 18 12 1 37 ÛA 7 18 12 1 39 ÛA 8 18 11 1 39 ÛA 9 18 12 1 40 ÛA 10 18 12 1 39 ÛA Průměr 17,9 11,6 1 39,2 ÛA Při opětovném srovnání naměřených hodnot s datasheetem (tabulka 3.6) jsou vidět velké rozdíly u senzoru dallas, který odebírá při klidovém stavu v průměru 39,2 ÛA, což je 39krát více než uvádí datasheet. Naopak na senzoru DHT22 bylo při klidovém stavu naměřeno 11,6 ÛA, přičemž datasheet uvádí 40 - 50 ÛA. Bezdrátový modul a senzor Bosch byly v rozsahu hodnot měření. Tab. 3.6: Rozsah odběru proudu při klidovém stavu dle datasheetu nRF24l01+ DHT22 BMP180 DS18b20 Jednotky 0,9 - 400 40 - 50 0,1 - 4 0,75 - 1 ÛA Jak bylo již řečeno, celé měření probíhalo na nepájivém poli, kde bylo místo mikrokontroléru ATMega328P použito arduino nano. Arduino nano obsahuje kromě mikrokontroléru ATMega328P také FTDI převodník, který slouží ke správné fuknci USB. Tento převodník sám o sobě odebírá cca 8 - 20 mA. Z tohoto důvodu nebylo možné přesně změřit odběr proudu samostatného mikrokontroléru.
35
3.3.1
Výpočet výdrže baterie
Pokud sečteme průměrné naměřené odběry proudu při snímání a zasílání dat z tabulky 3.3 dostáváme odběr 3,545 mA. Po přičtení odběru proudu mikrokontroléru ATMega328P z datasheetu, který činí při 3,3 V zhruba 5,6 mA vychází odběr celého obvodu na 9,145 mA. Tento proud je odebírán jednou za minutu po dobu 2 vteřin, respektive po dobu 2 minut za jednu hodinu. Po sečtení naměřených odběrů proudu při klidovém stavu z tabulky 3.5 vychází odběr proudu na 69,7 ÛA. V datasheetu u mikrokontroléru ATMega328P je uveden odběr proudu při power-down módu, napětí 3,3 V a teplotě 25 °C cca 100 nA, což je nejméně ze všech komponent. Ovšem tento údaj je pouze ĎpapírovýŞ a skutečnost může být jiná. Nicméně s touto hodnotou budeme počítat, takže po přičtení této hodnoty k celkovému odběru v režimu spánku vychází odběr proudu na 69,8 ÛA. Nejdříve je třeba si spočítat průměrnou spotřebu proudu za celý cyklus dle vzorce 3.1 níže. ���ů�ě� =
��á�ěž × dobazátěže + ����� × dobaklid dobazátěže + dobaklid
[mA]
(3.1)
dosazení naměřených hodnot do rovnice
���ů�ě� =
9, 145 × 2 + 69, 8.10−3 × 60 2 + 60
[mA]
Po dosazení naměřených hodnot do rovnice 3.1 vychází průměrný odběr proudu: ���ů�ě� = 0, 362 mA Průměrnou spotřebu bezdrátového uzlu máme spočtěnou a výdrž baterie spočteme dle vzorce � ý��ž =
kapacita baterie ���ů�ě�
[h]
(3.2)
Kapacitu baterie známe, ta činí 1100 mAh a průměrný odběr proudu máme spočtěný, takže stačí jen dosadit � ý��ž =
1100 0, 362
36
[h]
Po dosazení nám vychází hodnota výdrže na 3034 hodin, což jsou v přepočtu výdrž 4 měsíce 6 dní a 10 hodin. Přibližně tuto dobu by měla baterie sama vydržet napájet bezdrátový uzel. Ovšem to záleží na mhona faktorech. Jeden z těchto faktorů je především vzálenost a jak už bylo uvedeno u bezdrátového modulu na kterém byl naměřen odběr podstatně menší než je v datasheetu, kvůli tomu že nebyl dostatečně daleko, tak bude spočtena výdrž baterie pro maximální datasheetovou hodnotu bezdrátového modulu. Pokud tedy sečteme naměřené hodnoty odběru proudu pouze senzorů z tabulky 3.3 a přičteme k nim maximální datasheetovou hodnotu odběru proudu bezdrátového modulu kteerá činí 11,3 mA pak nám vychází odběr proudu celého uzlu na 18,985 mA. Tento doběr dosadíme do rovnice 3.1 namísto předešlé hodnoty.
���ů�ě� =
18, 985 × 2 + 69, 8.10−3 × 60 2 + 60
[mA]
Po dosazení vychází průměrný odběr proudu: ���ů�ě� = 0, 679 mA Tuto hodnotu dosadíme do vzorce 3.2 pro výpočet výdrže � ý��ž =
1100 0, 679
[h]
Po dosazení dostáváme hodnotu výdrže baterie 1617 hodin, čili 2 měsíce 7 dní a 9 hodin, což je téměr o polovinu méně než v předchozím příkladě, ale jak bylo řečeno závisí zde na mnoha faktorech. Taky je třeba brát v potaz, že baterie bude dobíjena solárním článkem, takže výslednou výdrž baterie je těžké nějak přesněji určit.
37
4
ZÁVĚR
Úkolem mé bakalářské práce byl návrh a konstrukce nízkopříkonového bezdrátového senzorového uzlu, který slouží k měření neelektrických veličin, s využitím platformy Arduino a konkrétního mikrokontroléru ATMega328P. První kapitola byla seznámením s centrální řídící jednotkou pro bezdrátový uzel a tím je malý jendodeskový počítač Raspberry Pi. Byl uveden postup instalace operačního systému a jeho součástí jako jsou různé ovladače pro správnou funkci sběrnic, které budou komunikovat s bezdrátovým uzlem. Tento malý počítač příjíma naměřená data data z bezdrátového uzlu. Ve druhé kapitole byl rozebrán návrh samotného bezdrátového uzlu, který je postaven na opensource platformě Arduino a využívá mikrkontroléru ATMega328P. Bezdrátový uzel měří tři neelektrické veličiny jimiž jsou teplota, tlak a vlhkost vzduchu. Měření těchto veličin probíhá jednou za minutu. Celý proces měření veličin spolu s jeho zasíláním do centrální jednotky trvá cca 2 vteřiny, poté přechází bezdrátový uzel do power-down módu, čili do takzvaného módu spoření energie na 60 vteřin. O přechod do spořícího módu se stará program, který je v mikrokontroléru nahrán. Jako zdroj energie je použita lithium-železo-fosfátová baterie, jejíž výstup je směrován k měniči napětí na 3,3 V. Toto napětí pak napájí mikrokontrolér spolu se senzory a bezdrátovým modulem, který slouží k přenosu naměřených veličin. Aby baterie vydržela co nejdéle, byla obohacena o dobíjení solárním článkem. Dobíjení baterie je řešeno přes specializované zapojení s integerovaným obvodem, které slouží přímo pro dobíjení lithium-železo-fosfátových baterií solármím článkem. Ve třetí kapitole je zobrazena cenová kalkulace komponent jak bezdrátového uzlu, tak i centrální jednotky. Jsou zde také uvedeny webové stránky obchodů v nichž se komponenty nakupovaly. Dalé je zde pojednáno o konstrukci, měření odběru produ bezdrátového uzlu a výpočty pro výdrž baterie. Tato práce je základem pro pochopení funkce jednotlivých součástí centrální jednotky a bezdrátového uzlu. Poskytuje základní informace o centrální jednotce a instalaci jejího operačního systému, dále obsahuje seznámení platformou arduino a mikrokontrolérem ATMega328P. Jsou zde uvedeny senzory použité k měření a také je zde řešen zdroj energrie a jejo dobíjení. Také jsou uvedeny informace o ceně jednotlivých částí a odkazy na stránky obchodů kde byly komponenty kupovány.
38
LITERATURA [1] GUI na Raspberry Pi bez připojení k monitoru [online]. 2012, poslední aktualizace 12. 11. 2012 [cit. 5. 12. 2014]. Dostupné z URL:<www.4makers.info/ instalace-gui-raspberry-pi-bez-monitoru/>. [2] HORÁČEK, Petr. Raspberry Pi VIII. - Úvod do GPIO [online]. 2012, poslední aktualizace 10. 10. 2012 [cit. 5. 12. 2014]. Dostupné z URL:
. [3] Enabling Raspberry Pi GPIO [online]. 2014, poslední aktualizace 2. 12. 2014 [cit. 5. 12. 2014]. Dostupné z URL:. [4] TIŠNOVSKÝ, Pavel. Externí sériové sběrnice SPI a � 2 � [online]. 2008, poslední aktualizace 30. 12. 2008 [cit. 5. 12. 2014]. Dostupné z URL:. [5] Datasheet. Atmel 8-bit Microcontroller with 4/8/16/32KBytes In-System Programmable Flash [online]. 2014, poslední aktualizace 1. 10. 2014 [cit. 5. 12. 2014]. Dostupné z URL:. [6] Arduino Nano [online]. 2014, [cit. 5. 12. 2014]. Dostupné z URL:. [7] Datasheet. nRF24L01+ Single Chip 2.4GHz Transceiver [online]. 2008, poslední aktualizace září 2008 [cit. 6. 12. 2014]. Dostupné z URL:. [8] VILHELM, Ondřej. Kompozitní elektrodové materiály pro lithium-iontové akumulátory na bázi LiFePO4 [online]. 2011, poslední aktualizace 26. 5. 2011 [cit. 6. 12. 2014]. Dostupné z URL:. [9] Synchronous Switch-Mode Battery Charge Controller for Solar Power With Maximum Power Point Tracking [online]. 2010, poslední aktualizace červenec 2010 [cit. 28. 4. 2015]. Dostupné z URL:. [10] High Power Lithium Ion APR18650 [online]. 2008, [cit. 28. 4. 2015]. Dostupné z URL:.
39
[11] TPS6102x 96% Eicient Synchronous Boost Converter [online]. 2008, [cit. 28. 4. 2015]. Dostupné z URL:.
40
SEZNAM SYMBOLŮ, VELIČIN A ZKRATEK ACK
Acknowledgement
ADC
Analog to digital converter
BOD
Brown out detector
CLK
Clock
CPU
Central processing unit
CS
Chip select
CSI
Camera interface speciĄcations
DHCP
Dynamic host control protocol
DIDR
Dedicated input disable register
DSI
Display serial interface
EEPROM
Electrically erasable programmable read only memory
FTDI
Future technology devices internationa
GPIO
General purpose input output
H
High
HDMI
High-deĄnition multi-media
I2 C
Inter-integrated circuit
INT
External interrupt request
IP
Internet protocol
JTAG
Joint test action group
LAN
Local area network
LCD
Liquid crystal display
LED
Light emitting diode
MCU
Microcontroller unit
MISO
Master in slave out 41
MOSI
Master out slave in
PRR
Power reduction register
PWM
Pulse width modulation
RH
Relative humidity
SCLK
Serial clock
SDA
Serial data
SE
Sleep enable
SMCR
Sleep mode control register
SPI
Serial peripheral interface
SSH
Secure shell
UART
Universal synchronous/asynchronous receiver and transmitter
USB
Universal serial bus
42
SEZNAM PŘÍLOH A Nabíječka a měnič
44
B Meteostanice
49
C Obsah přiloženého DVD
53
43
A
NABÍJEČKA A MĚNIČ Tab. A.1: Seznam součástek pro nabíječku 1. část Reference Hodnota C1, C7 10uF C2 10uF C3 1uF C4 2.2uF C5, C8, C10, C16 1uF C6, C12 0.1uF C14 0.1uF C15 22pF C17 22pF R1, R2 3.9R R3 10R R5 2.2R R6 0.02R R7, R10 0R R9 5.23k R11 100 R12 7.5k R13 78.7k R14 25k R15 120k R17 499k R18 1.4M R19 36k R20, R21 10k
44
Pouzdro Počet kusů C1206 2 C0603 1 C0603 1 C0805 1 C0805 4 C0603 2 C0603 1 C0603 1 C0603 1 R0805 2 R0805 1 R0805 1 R1206 1 R0805 2 R0603 1 R0603 1 R0603 1 R0805 1 R0603 1 R0805 1 R0603 1 R0805 1 R0603 1 R0603 2
Tab. A.2: Seznam součástek pro nabíječku - 2. část Reference L1 D1, D3 D2 D4, D5 Q1A, Q1B Q3 Baterie, Solar U1
Hodnota 10uH PDS1040 ZLLS350 Zelená AO3404A 2N7002 2,54mm BQ24650
Pouzdro Počet kusů L5650M 1 POWERDI-123 2 SOD523 1 CHIP-LED0603 2 SOT23 2 SOT23 1 Svorkovnice 2x1 2 RVAT 1
Tab. A.3: Seznam součástek pro měnič Reference C9 C11 C13 R4 R8 R16, R23 R22 R24 L2 SJ1 JP1 U2
Hodnota 10uF 2.2uF 47uF 2.1M 390k 1M 180k 1M62 6.8uH 2,54mm TPS6102
Pouzdro Počet kusů C1206 1 C1206 1 CT7343 1 R1206 1 R1206 1 R1206 2 R1206 1 R1206 1 PIS2408 1 Jumper 1 Kolíková lišta 2x1 1 VSON 1
45
VCC R E GN
D1 PDS1040-13
U1 VR E F TE R M_E N BTS T
1 12 16 15
R3 10 C5 1uF
R5 2.2
C14 0.1uF
GND
C6 0.1uF
C10 1uF
GND 1
1
C2
C3
0.1uF
C12
1uF GND L1 10uH
10uF GND Q1A AO3404A
Q1B AO3404A
GND
GND
R6 0.02 R7 0
D3
C1
10uF
1uF
C8
GND
C7
R 18 1.4M
R 10
0
GND GND R 13 78.7k
10uF
PDS1040-13
SOLAR 2 1
R2 3.9
6 7
MPPS E T HIDRV 14 13 11 10 9 8
R 15 120k
Q3 2N7002
3,6V
BATTERY
1 2
VYSTUP
C15
GND
22pF
BAT+ BAT-
Obr. A.1: Schéma zapojení nabíjecí části
C4 R 1 2.2uF 3.9
R 17 499k 2 4 TS PH LODRV GND SRP SRN VFB
D2
C17 22pF
R 19 36k
S TAT1 S TAT2
ZLLS 350-7
GND GND C16 1uF AGND R 11 100
CE
3 5
1
AGND
46
3 2 3 2
R9 5.23k
R 12 7.5k
AGND
AGND GR N D4 GR N D5
GND
BQ24650RVAT
GND
3
2
E PAD 17
R 20 10k R 21 10k R 14 25k
AGND
AGND
SPOJENIZEMI 0R
1 2
U2
10uF GND GND
R8 390k
GND GND
6 1 7
VBAT EN LBI
8
PS
5
GND
VOUT
2
FB
3
R 24 1M62
C11 2.2uF
47uF
1S J1 3
GND
R 23 1M GND
2
R4 2.1M
SW
180k POWE R PAD
6.8uH C9
9
LBO PGND
R 22
4
GND
10
GND
11
L2
BAT+
R 16 1M
C13
TPS 61020DR CR G4
Obr. A.2: Schéma zapojení měniče napětí
Obr. A.3: Deska plošných spojů nabíječky a měniče - spodní strana
Obr. A.4: Deska plošných spojů nabíječky a měniče - horní strana
47
VOUT 3.3V GND
D2
R5
C10
C6
R 11
S POJE NIZE MI C16
R 9 R 12
Obr. A.5: osazovací plán nabíječky a měniče - spodní strana
Q3
R 18
R 15
R 23
R7 R 10 R 13 C15
C1 BATTE RY
U2
C13
R6
C11
U1
C12
JP1
R 16 R 24
D3
LOAD1 C9
D4
C14
L1
R3 *
LS P2
C7 C8
D1
C5
R 20 R 21 R 14
R 19 C17 R 17
Q1B
Q1A
D5
R1 R2
C4
C2 C3
1
1
R 22 S J1
S OLAR
L2 R4
R8
Obr. A.6: osazovací plán nabíječky a měniče - horní strana
48
B
METEOSTANICE Tab. B.1: Seznam součástek pro meteostanici Reference C1, C2 C3, C4, C5 R1 R2, R3 R4, R9 R6 D1 D2 D3 XTAL SV1, SV4 SV3 SV5 BMP180 DHT22 DS18B20 IC1
Hodnota 22pF 0.1uF 700R 750R 4k7 10k Červená Žlutá Zelená 16MHz 2,54mm 2,54mm 2,54mm 2,54mm 2,54mm 2,54mm ATMEGA328P
Pouzdro C0805 C0805 R0805 R0805 R0805 R0805 LED 3mm LED 3mm LED 3mm HC49/S Dutinková lišta Dutinková lišta Dutinková lišta Dutinková lišta Dutinková lišta Dutinková lišta DIL28
49
Počet kusů 2 3 1 2 2 1 1 1 1 1 1x15 2 2x4 1 1x5 1 1x4 1 1x4 1 1x3 1 1
S V5 5 4 3 2 1
GND
22pF 0.1uF 0.1uF
DS 18B20
R4 4k7
VCC
1 2 3 4
R6
10k
XTAL3V3 16MHz
3V3
GND
4k7 R9
3V3
23 24 25 26 27 28
BMP180
S DA S CL GND VDD
VDD
DATA
GND
NULL
VDD
DHT22
DATA
GND
Obr. B.1: Schéma zapojení meteostanice
C3
ATME GA328PR OUND PC6(/R E S E T/PCI14) (PCI8/ADC0)PC0 (PCI9/ADC1)PC1 (PCI10/ADC2)PC2 AGND AR E F (PCI11/ADC3)PC3 (PCI12/ADC4/S DA)PC4 AVCC (PCI13/ADC5/S CL)PC5 PB6(XTAL1/TOS C1/PCI6)
3V3
R1
1 22 21 20 9
GND
2 4 CS N 6 MOS I 8 IR Q
50
1
S V3
750R
GND
D3 GR N
C1
GND DQ VCC
CE 3 S CK 5 MIS O 7
S V4
750R
10
2 3 4 5 6 11 12 13 CS N
PC5
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
D2 YE L
8 7
PB7(XTAL2/TOS C2/PCI7) (PCI16/R XD)PD0 (PCI17/TXD)PD1 (PCI18/INT0)PD2 GND (PCI19/INT1/OC2B)PD3 (PCI20/XCK/T0)PD4 VCC (PCI21/T1/OC0B)PD5 (PCI22/AIN0OC0A)PD6 (PCI23/AIN1)PD7
14 CE 15 16 17 MOS I 18 MIS O 19 S CK
PC4
VCC
(PCI0/ICP/CLKO)PB0 (PCI1/OC1A/OC1S )PB1 (PCI2/S S /OC1B)PB2 (PCI3/MOS I/OC2A)PB3 (PCI4/MIS O)PB4 (PCI5/S CK)PB5
IC1 TXD R XD RST GND PD2
PD4
PD3
PD5 PD6 PD7 PB0 PB1
PB5
R3
700R
C5 0.1u
15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
PB3 PB4
R2
D1 RED
GND 3V3
C4 C2
22pF
:01:37 f=1.07 C:\Users\Jakub\Desktop\Nová složka\meteo_nano_f.sch (S heet: 1/1)
S V1
3V3
GND 3V3 GND 3V3
GND
Obr. B.2: Deska plošných spojů meteostanice - spodní strana
Obr. B.3: Deska plošných spojů meteostanice - horní strana
51
4 S V4 1 BMP180
15
IC1
S V3
R2
1
YE L
C3
R1 C5
RED
S V1
1
5
S V5
1
C4 R6
8
GR N R 3 C1 C2 R4
XTAL 1
15
Dallas
R9
Obr. B.4: Osazovací plán meteostanice - spodní strana
52
C
OBSAH PŘILOŽENÉHO DVD
Na přiloženém DVD se nacházejí celkem čtyři složky: • Arduino - Obsahuje zdrojový kód pro mikrokontrolér a použité knihovny • Meteostanice_deska - Obsahuje schéma zapojení a desku metestanice • Nabíječka_měnič_deska Obsahuje schéma zapojení a desku nabíječky spolu s měničem • Raspberry_Pi - Obsahuje zdrojový kód pro příjem dat z bezdrátového uzlu a použité knihovny
53
