__________________________________________
* Politechnika Poznańska.
Krzysztof KRÓL*
BEZPRZEWODOWY POMIAR TEMPERATURY PRZY WYKORZYSTANIU MODUŁÓW RADIOWYCH
W artykule przedstawiono budowę i zasadę działania urządzenia do pomiaru temperatury opartego na module radiowym RFM 12 działającym w paśmie 433 MHz.
Omówiono komunikację między modułem, a procesorem oraz pomiędzy modułami.
Przedstawiono także wyniki badań ich zasięgu.
SŁOWA KLUCZOWE: czujnik temperatury, moduły radiowe, ramki danych, bezprzewodowy pomiar temperatury
1. WSTĘP
Podczas badania obiektu najważniejszą rzeczą jest dokonanie pomiaru za pomocą przetwornika analogowego, przetworzenie sygnału na cyfrowy, przesłanie go do odbiornika, w którym następuje obróbka sygnału i dostarczenie informacji dla użytkownika. Transmisja danych odbywa się zazwyczaj drogą kablową, ale nie zawsze ta metoda sprawdza się na przykład ze względu na zbyt drogie rozwiązania-długie przewody, a także przy prowadzeniu przewodów przez ściany, w specjalnych „korytach przewodowych”. Dlatego metodą bardziej opłacalną może być przesłanie danych za pomocą fal radiowych. Metoda ta nie jest droga, a zasięg w porównaniu do kosztów nadajnika zadawalający. Stosowana jest powszechnie podczas odczytywania liczników mediów.
2. ZASTOSOWANE ELEMENTY
W skład nadajnika i odbiornika wchodzi Atmega8 z kwarcem 16 MHz, moduł radiowy RFM12 na częstotliwość 433 MHz. Dodatkowo nadajnik wyposażony jest w czujnik temperatury ds18b20, produkowany przez firmę Dallas Semiconductor.
Zakres temperaturowy czujnika przewidziany przez producenta jest od -55°C do +125°C. Napięcie zasilania jest od +3 V do +5,5 V. Prąd pobierany przez czujnik w czasie pracy wynosi 1-1,5 mA, a w stanie bezczynności 750 do 1000 nA.
Moduł radiowy RFM12-433 firmy Hope Microelektronics, który działa na zakresie 433 MHz. Cechuje się łatwością programowania, niskimi kosztami, małymi wymiarami (16 mm×16 mm×2,2 mm). Nie potrzeba stosować
zewnętrznych elementów elektronicznych . Posiada interfejs SPI, który idealnie nadaje się do komunikacji - producent zakłada zasięg do 300 metrów. Zasilany jest napięciem 5V. Czułość odbiornika wynosi -102 dB. Dane są przesyłane za pomocą FSK - to rodzaj modulacji cyfrowej, w której obwiednia nośnej harmonicznej jest stała, natomiast zmienia się jej częstotliwość w takt zmian wartości binarnego sygnału danych. Transmiter (nadajnik) zbudowany jest w oparciu o pętle PLL (ang.
PhaseLockedLoop) tak więc mamy do czynienia z modulacją FSK z fazami ciągłymi CPFSK (ang. Continuous Phase FSK). Odbiornik pracuje synchronicznie.
Parametry transmisji nadajnika jak i odbiornika ustalane są programowo przez interfejs SPI. Mikrokontroler może ustalić takie parametry jak prędkość transmisji danych (maksymalnie do 115,2 kbps), częstotliwość nośną (w przypadku transivera na pasmo 433 MHz, częstotliwość nośną można wybrać z zakresu od 430,24 MHz do 439,75 MHz ze skokiem 5 kHz), dewiacje częstotliwości (od 15 kHz do 240 kHz), moc nadawania (maksymalnie 4dBm w paśmie 433 MHz z dopasowaniem impedancji anten), czułość odbiornika (do -103dBm dla prędkości1, 2 kbps), pasmo filtru odbiornika (od 67 kHz do 400 kHz).
3. ZASADA DZIAŁANIA
Schemat ideowy nadajnika umieszczono na rysunku 1, natomiast odbiornika na rysunku 2. Komunikacja pomiędzy modułem, a mikrokontrolerem odbywa się poprzez dwukierunkowy interfejs SPI, wykorzystując szesnastobitowy ciąg znaków.
Rys. 1. Schemat ideowy nadajnika
Sam interfejs składa się z trzech przewodów, gdzie dwie linie są synchroniczne, które przesyłają dane w przeciwnych kierunkach oraz z linii z sygnałem taktującym, synchronizującym transfer danych. Zadaniem urządzenia jest transport pomiędzy dwoma urządzeniami w celu wysłania danych. Nadajnik nie przetwarza danych, tylko wysyła gotowy wynik pomiaru odczytany z czujnika temperatury, który posiada przetwornik analogowo-cyfrowy o rozdzielczości dwunastobitowej, co powoduje że pomiar temperatury możemy dokonać z dokładnością 0,0625°C.
Praca czujnika z kontrolerem odbywa się za pomocą 64 bitowych kodów.
Rys. 2. Schemat ideowy odbiornika
Komunikacja między czujnikiem temperatury, a procesorem odbywa się za pomocą magistrali 1-wire używana jest pomiędzy jednym urządzeniem o strukturze nadrzędnej i wieloma podzespołami podrzędnymi. Czujnik DS18B20 jest układem podrzędnym, a dane są wysyłane od najmłodszego do najstarszego bitu. Odbiór danych odbywa się za pomocą jednej linii sygnałowej i sensor komunikuje się poprzez otwarty dren. Linia ta potrzebuje rezystora podciągającego tak zwanego PullUp, który podłączony jest do zasilania. Dlatego czujniki te są bardzo dokładne. Otrzymane wyniki wyświetlone są na wyświetlaczu. Informacje przesłane drogą radiową są zorganizowane w ramkę, która składa się z pola pięciu obiektów. Pola te są wymagane przez producenta modułów radiowych. Kolejnym elementem ramki jest pole licznika, które przechowuje rozmiar pola pakietu. Pole pakietu zawiera informacje jakie zostały zaprogramowane do przesłania w tym wypadku to temperatura pobrana z czujnika. Ramka kończy się polami sumy kontrolnej i stopu.
Ważnym elementem do uzyskania zadawalającego działania na określone odległości jest antena. Transivery nie posiadają wbudowanej anteny, trzeba samemu dopasować odpowiednią długość do określonej pracy modułu. Producent nie podaje impedancji wejściowej anteny. Zaleca stosowanie ćwierć falowego odcinka drutu – unipola. Dla częstotliwości 433 MHz długość zastosowanej anteny to 82,2 mm. Charakterystyka anteny musi być dookólna, czyli fale mają się rozchodzić jednakowym natężeniem w każdym kierunku.
4. REJESTRY DO USTAWIENIA MODUŁÓW RADIOWYCH WYKORZYSTANE DO PROGRAMOWANIA PROCESORA
Urządzenie do zadziałania potrzebuje komend napisanych w programie. Na początku następuje inicjacja modułów. Wszystkie wartości rejestrów są takie same dla nadajnika i odbiornika.
Wyróżniamy następujące rejestry:
Configuration setting command = H80d7
Powoduje włączenie wewnętrznego rejestru danych, a także bufora odbiorczego FIFO. Komenda ta również wpływa na ustawienie pasma 433 MHz oraz ustalenie wartości kondensatorów generatora kwarcowego na 12 pF. Układ posiada dwa 8- bitowe rejestry danych do transmisji. Po zainicjowaniu danych do wysłania, nadajnik rozpoczyna transmisję pierwszego bajtu, gdy zostanie ustawiony bit ET w rejestrze Power Management Command.
Power Management Command = H82d9
Służy on do zmniejszenia poboru prądu, wyłącza takie układy w tranceiverze jak: syntezy, oscylator, generator zewnętrznego sygnału zegarowego.
FrequencySettingCommand = Ha647
Komenda ta wykorzystywana jest do ustawienia częstotliwości nośnej. W projekcie została zadeklarowana częstotliwość na 433 MHz.
Data RateCommand
Służy do ustawienia prędkości transmisji przesyłania danych. Odpowiednio można ustawić transmisję na:
Hc67f – 2,4 kbps,
Hc640 – 4,8 kbps,
Hc623 – 9,6 kbps,
Hc617 – 14,4 kbps,
Hc611 – 19,2 kbps,
Hc60b – 28,8 kbps,
Hc608 – 38,4 kbps,
Hc602 – 115,2 kbps.
Wraz ze zwiększeniem przepływu danych zmniejsza się zasięg odbioru informacji. W projekcie prędkość została ustawiona na 4,8 kbps, dzięki czemu uzyskano stosunkowo zadowalający zasięg, zbliżony do wartości podanych przez producenta.
Receiver Control Command = H94a0
Pin 1 modułu radiowego, odpowiada za szybką odpowiedź na przychodzące dane, szerokość pasma ustawiona na 134 kHz, wzmacnianie LNA na 0 dB oraz próg detekcji sił ustawiony na -103dB.
Data FilterCommand = Hc2ac
Odpowiedzialny jest za dostarczenie sygnału zegarowego, który jest zsynchronizowanym z odbieranymi danymi. Praca układu może występować w trzech trybach: wolnym, szybkim i automatycznym. W trybie wolnym odporność na zakłócenia jest większa, ale wydłużają się ustalenia zegara. Większe są wymagania do ustawienia prędkości transmisji w odbiorniku i nadajniku niż w trybie szybkim. W automatycznym trybie pracy układ Clock Recovery rozpoczyna pracę w trybie szybkim, a po zsynchronizowanym przechodzi w tryb wolny.
Fifo and Reset Mode Command = Hca81
Powoduje wygenerowanie przerwania, gdy w buforze odbiorczym występuje 8 bitów danych, będzie on zapełniony dopiero po odebraniu ramki synchronizacyjnej. Ramka synchronizacyjna składa się z 2 bajtów 2 Dh i 4 Dh.
Dzięki temu zostaje wyłączony reset, następuje wyzerowanie bitu FF oraz wyłączenie buforu odbiorczego z przychodzącymi danymi.
AFC Command = Hc483
Nadchodzące dane są korygowane przez sygnał z generatora kwarcowego. Brak ograniczeń na maksymalne wartości częstotliwości. Przy pomocy tego rejestru zostaje włączony rejestr korekty częstotliwości oraz obliczanie korekty przez układ automatycznej kontroli częstotliwości AFC.
TX Configuration Control Command = H9850
Szerokość pasma jest ustawiana na 90 kHz, a moc układu nadawczego na 0 dB.
PLL Setting Command =He000
Ustawienie częstotliwości na linii CLK, poprzez wyzerowanie, co powoduje, że funkcja ta jest nie aktywna.
Wake-Up Timer Command = Hc000
Komenda ta powoduje wyłączenie wewnętrznego timer’aw module radiowym.
LowDuty-CycleCommand = Hc800
Funkcja ta powoduje cykliczne wyłączenie odbiornika w celu zmniejszenia poboru energii. Wyłączona jest poprzez wyzerowanie bitu.
5. OPIS PROGRAMU
Program rozpoczyna działanie przez inicjację modułów nadawczych. Nadajnik w pętli głównej odbiera pakiety danych z czujnika ds18b20.Wysyłanie zaczyna się od sczytania statusu i włączenie toru nadawczego komendą H8238. Pierwsze 3 bajty ramki służą do zsynchronizowania odbiornika. Następnie wysyłane są 2 bajty synchronizacyjne Hb82d i Hb82d4. Po nich dane trafiają do bufora FIFO odbiornika. Dane są wysyłane za pomocą bajta jako mniej znaczące 8 bitowe komendy Hb800 Transmitter Register Write Command. Odbiornik rozpoczyna pracę poprzez odebranie 3 bajtów i wyzerowanie FIFO po przez włączenie komendą H82c8 i Hca83. Bajty adresów zostają porównane, aby sparować odbiornika i nadajnika. Po odczekaniu w buforze odbiorczym znajdują się dane do odebrania. Procesor odczytuje status i za pomocą komendy Hb000 pobieramy dane z FIFO. Wyniki pomiarów zostają wyświetlone na LCD.
6. BADANIE WPŁYWU ODLEGŁOŚCI NA LICZBĘ ODEBRANYCH PRÓBEK
Badania zostały przeprowadzone w otwartym terenie. rysunek 3 przedstawia wykres wpływu odległości na liczbę odbieranych próbek. Jak widać na wykresie za największą odległość działania urządzenia można przyjąć 250 metrów, ponieważ dociera do odbiornika 50% nadanych próbek.
Rys. 3. Wykres przedstawia wpływ odległości na liczbę odebranych próbek od nadajnika
W odległości 150 metrów nie dotarła jedna próbka informacji może to być spowodowane zakłóceniami wywołanymi przez inne urządzenia radiowe lub chwilowym zawieszeniem się urządzenia. W odległości 210 metrów nastąpiło zmniejszanie się liczby docieranych próbek z 10 do 8 i wydłużył się czas
odbierania próbki. Stopniowo od tej odległości liczba docieranych próbek zmniejszała się o jeden. Przy 260 metrach liczba dotartych informacji spadła do 3 próbek. Wtedy zostało przerwane badanie. Producent podał, że w otwartym terenie odległość wynosi 300 metrów. Wyniki mogą różnić się tym, że w przestrzeni występują zakłócenia innych fal radiowych. Można by dokonać badania w obszarze zamkniętym w celu określenia maksymalnej odległości, ponieważ producent nie podaje takiej informacji w swojej nocie katalogowej. Testy zostały wykonane przy pomocy mało profesjonalnych anten, które były wykonane z miedzianego drutu o odpowiedniej długości. Zastosowanie lepszej jakości anten mogłoby wpłynąć na poprawę zasięgu i dorównać zasięgowi podawanemu przez producenta.
7
.WNIOSKI I UWAGI
Moduły radiowe charakteryzują się prostotą podłączenia do mikrokontrolera.
RFM 12 nie jest drogim układem. Jego zaletą jest również komunikacja w dwóch kierunkach. Niestety moduły nie można wprowadzić w stan uśpienia, ponieważ nie dają się później uaktywnić. Tym samym pobór prądu ze źródła jest zwiększony.
Na początku były zastosowane moduły radiowe RFM 12 868 MHz, ale niestety zasięg był mało zadawalający w pomieszczeniu zamkniętym. Został one zmienione na RFM 12 433 MHz.
LITERATURA
[1] BurkhardKainka, Radio for microcontrollers, Elektor, 1/2009.
[2] Jan Jaczewski, Zdalne sterowanie do iPoda, Elektronika praktyczna 5/2011.
[3] Hope microelectronics, RFM12 Universal ISM Band FSK Transceiver
WIRELESSTEMPERATURE MEASUREMENTUSING ON THE RADIO MODULES
This paper presents the design and operation of equipment for temperature measurement based on RFM radio module 12 operating in the 433 MHz band. Discusses the communication between the module and the processor and between modules. Also presented the results of their reach.
