Беспроводный уведомитель писем

Автор: Сергей Безруков (aka Ser60) и Michael Jenssen, sergeilb60@mail.ru
Опубликовано 21.06.2017
Создано при помощи КотоРед.

Описываемое здесь устройство разрабатывалось с моим студентом Майклом для его семьи и реально используется ею. Семья проживает на большой территории собственной фермы, где расстояние по прямой от дома до почтового ящика, расположенного на обочине ближайшей дороги, составляет около 350м. Сходить за почтой занимает порядка 10 минут неторопливой походкой по извилистой тропе на пересечённой местности. Хорошо, если в ящике при этом окажется доставленная корреспонденция, иначе поход будет напрасным и даже малоприятным под дождём или при экстремальных температурах зимой и летом. Ситуация усугубляется ещё и тем, что почтовый ящик не виден из дома из-за ландшафта местности и наличия кустов между ними. Решение напрашивается само собой – необходим уведомитель наличия корреспонденции в ящике.

Хотя подобные устройства выпускаются промышленностью, приобретать их при наличии в семье будущего специалиста, заканчивающего университет, как-то несуразно. Предлагаемая система состоит из передатчика (левая коробка), смонтированного в почтовом ящике, и приёмника (правая коробка), размещённого в доме. При открытии двери ящика передатчик посылает в дом сообщение. Приёмник при этом издаёт звуковыe сигналы и индицирует факт открытия двери светодиодом. Звук присутствует на всём протяжении открытия двери и прекращается по её закрытии, а светодиод продолжает гореть до сброса его состояния кнопкой. Вот как выглядит система и расположение её передающей части в почтовом ящике. Работа системы показана на видео в конце статьи.

Проект предполагался также для представления на один из конкурсов, периодически объявляемых фирмой Texas Instruments. Одним из условий конкурса было использование преимущественно продукции этой фирмы.

Передатчик

Модуль передатчика собран на основе хорошо себя зарекомендовавшего трансивера IC1, см. [1] про работу с ним. Согласование IC1 с антенной производится с помощью балуна (balun) Q1 фирмы Johanson Technology, который заметно упрощает разводку платы и уменьшает число пассивных компонентов в схеме. Передатчик работает в диапазоне 915 мгц и управляется микроконтроллером IC4 по интерфейсу SPI.

Определение положения двери почтового ящика производится аналоговым акселерометром IC2 совместно с микромощным компаратором IC3. Такой акселерометр не требует настроек и работает сам по себе (как гуляющая кошка). Из трёх осей акселерометра используется только одна Z-ось. Компаратор имеет встроенный опорник на 1.24В (вывод 5), который соединён с его инвертирующим входом. При закрытой двери ящика напряжение на выводе 8 акселерометра равно примерно 1.65В и уровень сигнала на выходе компаратора соответствует логической 1. При открывании двери это напряжение уменьшается, и как только оно станет меньше опорного напряжения компаратора (это произойдёт при угле наклона плоскости двери к горизонтали около 60°), логический уровень на его выходе становится равным 0, что трактуется МК как открытие двери ящика. Для уменьшения суммарного токо-потребления IC2 и IC3 питание на них подаётся с вывода 12 МК лишь на короткое время измерения с интервалом 0.75 сек. В промежутках между измерениями сигналы с выхода датчика положения двери на выводе 13 МК игнорируются. Конденсатор C12 уменьшает шум на выходе IC2.

Микроконтроллер IC4 большую часть времени находится в состоянии глубокого сна LPM3 с суб-микроамперным потреблением и пробуждается периодически от сторожевого таймера, тактируемого от генератора VLO (Very Low-Power Oscillator) в МК. В результате среднее токо-потребление схемы при неработающем передатчике не превосходит 15 мкА. В активном режиме МК тактируется на частоте 8 мгц при тактовой частоте SPI интерфейса с трансивером 2 мгц.

При обнаружении открытия двери МК загружает в трансивер IC1 пакет для передачи приёмнику. Пакет состоит из 7 байт. Первый байт – длина информационной части пакета (=6). Второй и третий байты – идентификаторы передатчика и приёмника. В нашем проекте они равны 0xAA и 0xBB, соответственно. Идентификаторы проверяются приёмником для уменьшения вероятности приёма ложных сообщений. Следующие 4 байта пакета – слово “MAIL”, которое также проверяется приёмником и используется для той-же цели. Это может показаться перебором, но при отладке в лабе мы хотели однозначно распознавать сигналы нашего датчика на фоне сигналов от разных других установленных вокруг беспроводных датчиков. Трансивер автоматически добавляет к информационной части передаваемого пакета преамбулу, синхро-байты, и CRC-16 в соответствии с [1]. Передача пакета производится на скорости 1.2 кбд при модуляции GFSK с девиацией частоты 5.15 кгц на максимальной мощности +11 dBm.

Питание передатчика производится от литиевой батареи типоразмера ½ АА и напряжением 3.6В, работоспособной при низких температурах до -55°С. Плата передатчика помещена в герметично закрытый пластиковый корпус. На задней стенке корпуса установлена металлическая скоба для крепления его внутри почтового ящика. Антенна передатчика установлена таким образом, что при открытой двери ящика она оказывается ориентированной вертикально и, таким образом, коллинеарно с антенной приёмника. Этим обеспечиваются оптимальные условия для связи.

Приёмник

В приёмнике использован такой-же МК и трансивер с обвязкой как и в передатчике. Полоса пропускания приёмника установлена минимальной для этой модели (около 58 кгц). Помимо этого в схеме имеются кнопка сброса и транзисторная сборка Q3 для интерфейса со светодиодом и электромагнитным излучателем SG1 (модель SD-03CH фирмы Soberton).

Питание схемы может производиться от сетевого адаптера для мобильного телефона через USB коннектор и стабилизатор напряжения IC3. Для непрерывной работы приёмника во время отсутствия напряжения сети питание может также производиться от двух батарей типоразмера ААА. Транзистор Q5 при этом обеспечивает автоматический переход на батарейное питание. Батарейный отсек размещён на крышке корпуса приёмника. Токопотребление схемы в режиме ожидания пакета определяется постоянно работающим приёмником и составляет порядка 15 мА.

Приложение МК в основном цикле проверяет факт ненажатия кнопки, конфигурирует трансивер на приём пакетов и помещает МК в режим сна LPM3. Пробуждение МК по приёму пакета производится падающим уровнем напряжения на выводе GDO0 трансивера IC1. При этом МК читает пакет из FIFO приёмника, проверяет его на соответствие со структурой, описанной выше, и в случае совпадения подаёт звуковой сигнал и включает светодиод LED1.

Платы приёмника и передатчика вытравлены из двустороннего текстолита толщиной 0.8мм. Обратная сторона плат используется в качестве общего провода. Конфигурация трансиверов получена с помощью системы SmartRF Studio, версия 7. Программы для микроконтроллеров написаны на языке С и разработаны в свободной версии системы IAR. Исходные тексты программ и файлы плат для Eagle приложены.

Радиус действия системы составляет не менее 500м в открытом пространстве. Применение её не ограничивается почтовыми ящиками. Система может с успехом использоваться, например, в домашней автоматике или в охранных устройствах.

Литература

1. Радиомодули для беспроводной передачи данных. Часть 3.

Файлы:
Архив ZIP

Все вопросы в Форум.