РАЗРАБОТКА И ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОДУЛЯ БЕСПРОВОДНОГО ВКЛЮЧЕНИЯ И ОТКЛЮЧЕНИЯ НАГРУЗКИ С ПОМОЩЬЮ BLUETOOTH
РАЗРАБОТКА И ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОДУЛЯ БЕСПРОВОДНОГО ВКЛЮЧЕНИЯ И ОТКЛЮЧЕНИЯ НАГРУЗКИ С ПОМОЩЬЮ BLUETOOTH
Маханов Канат Метович
канд. физ.-мат. наук, ассоциированный проф., Карагандинский университет имени Е.А. Букетова,
Казахстан, г. Караганда
Еслямов Серик Газизович
проф. кафедры «Радиотехники, электроники и телекоммуникации», Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева,
Казахстан, г. Нур-Султан
Кадырбаев Олжас Болатбекович
магистрант 2-го курса специальности «Радиотехника, электроника и телекоммуникации» физико-технического факультета, Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева,
Казахстан, г. Нур-Султан
АННОТАЦИЯ
Данная научная статья посвящается разработке и проектированию устройства на основе модуля беспроводной связи Bluetooth. В настоящее время в мире существует очень большое количество разработок в данном направлений. В связи с этим в публикации был проведён предварительный анализ существующих решений в этом вопросе. В качестве управляющего элемента в разрабатываемом устройстве использован 32-х разрядный микроконтроллер фирмы STMicroelectronics серии STM32F103C8t6. Мы представили электронную схему разрабатываемого устройства. Общая схема проектируемого устройства включает в себя три основных узла: схему питания, схему включения USB интерфейса, общую электрическую схему. Также в работе представлены результаты проектирования, разводки и трассировки печатной платы и 3D формат разрабатываемого устройства. При разработке и проектирований электронной схемы, печатной платы и 3D визуализации была использована интегрированная среда разработки Altium Designer. Разработка программы для управляющей части устройства осуществлялась в среде Keil uVision 5, на языке «С». Мобильное приложение, используемое потребителем, было разработано в среде Android Studio. Благодаря данной статье Вы сможете узнать, как нам удалось разработать прототип устройства и увидеть результаты тестирования, которые продемонстрировали стабильность работы устройства. Также, Вы сможете увидеть готовый вид устройства на этапах отладки и в сборе. Рассматриваемая тема будет интересна специалистам в области IoT-решений, смарт-устройств. Прототип открыт для дальнейшей модернизации устройства. Данная научная статья показывает, возможности комбинации теоретического и практического опыта при разработке прототипа устройства.
Ключевые слова: беспроводные технологии, проектирование, разработка, электронные схемы, микроконтроллеры, Altium Designer, Bluetooth, STM32.
Введение. Одним из интересных примеров применения беспроводных технологий является возможность создания устройств, для дистанционного управления сетевой нагрузкой. С развитием технологий «Интернет вещей» возросло количество разработок в данном направлений [1, 2]. В качестве примера, можно отметить систему беспроводного управления «Brenin» и «беспроводное управление освещением/нагрузкой "Уютный дом"» представленных в [3]. Для управления авторы предлагают использовать отдельный пульт на частоте 433,92 МГц. Подобных примеров с готовыми решениями сейчас достаточно много [4, 5].
В данной работе нами представлены результаты проектирования и разработки цифрового устройства, оснащенного Bluetooth модулем. Устройство позволяет посредством мобильного телефона или смартфона дистанционно включать или отключать нагрузку (чайник, освещение и т.д.) к электрической сети напряжением ~ 220 В.
Основу разрабатываемого устройства составляет микроконтроллер STM32F103C8t6 [6].
Целью данной работы является разработка прототипа цифрового устройства для дистанционного управления нагрузками с питанием от сети 220 Вольт с помощью Bluetooth модуля.
Методы исследования. Для разработки электронной схемы и проектирования печатной платы была использована интегрированная среда разработки Altium Designer [7]. Разработка программной управляющей части для устройства осуществлялась в среде Keil uVision 5, на языке Си [8, 9]. Мобильное приложение, используемое потребителем, было разработано в среде Android Studio.
Электронная схема разрабатываемого устройства состоит из трех основных блоков: блока схемы питания, блок схемы включения USB интерфейса и непосредственно включения микроконтроллера. Для каждого отдельного блока была разработана самостоятельная схема. Данные схемы внутрисхемно объединяются и образуют одну общую электрическую схему устройства. Рассмотрим по отдельности все блоки, реализуемые в данной работе.
Результаты и их обсуждение. На рисунке 1 представлен внешний вид схемы питания. Как видим из данного рисунка, в схеме использована одна микросхема LM1117MPX -3.3. Микросхема предназначена для преобразования напряжения 5 Вольт до уровня 3.3 Вольт, необходимого для запитывания непосредственно микроконтроллера. Следует отметить, что напряжение 5 Вольт, мы получили за счет использования USB интерфейса.
Рисунок 1. Внешний вид схемы питания
Получается, что USB интерфейс выполняет сразу две функции, непосредственно обмен данными с внешним устройством, в нашем случае это компьютер или ноутбук и от 5В на данном интерфейсе мы отвели отдельную ветку для питания микроконтроллера и других элементов схемы.
На выходе микросхемы LM1117MPX мы получаем стабилизированное напряжение в 3.3 В. Для подавления пульсации, дополнительно подключили два конденсатора (С11 и С12), емкостью по 0,1 микрофарад.
Рисунок 2. Схема включения USB интерфейса
На рисунке 2 представлена схема включения USB интерфейса. Как известно, в данном случае задействуется четыре проводника. Два крайних контакта в USB коннекторе, это линий питания. Два центральных контакта, обозначаемые как D+ и D- являются шиной данных.
В большинстве устройств, для инициализации устройства при подключении по USB порту, предусмотрены аппаратные возможности. Которые позволяют при включении устройства автоматический выставлять линию D+ в логическую «1». В нашем случае, устройство собиралось с нуля, поэтому мы самостоятельно организовали данную задачу. Для этого, к линии D+ мы подключили транзистор Q1, базу которого подключили к специальному выводу микроконтроллера «BOOT».
Индикатор D3 в схеме, предназначен для контроля питания платы от USB порта, при включении индикатор светит зеленым цветом.
На рисунке 3 представлена общая электрическая схема разрабатываемого устройства. Помимо перечисленных блоков, в схеме дополнительно предусмотрена внешняя кнопка, обозначенная как SW-PB. Также предусмотрено подключение звукового зуммера. В схеме оно обозначено как Buzzer LS1. Однако, данные функции, ввиду временного отсутствия необходимости их использования не задействованы в конечной изготовленной плате представленной в данной статье.
Рисунок 3. Общая электрическая схема
Как видно из данного рисунка, для подключения USB интерфейса мы использовали одну из замечательных возможностей среды Altium Designer, называемую «Harness» или, по-другому называют «Жгут». Функция «Жгута» заключается в том, что при необходимости соединения большого количества проводников, их можно объединить в единый жгут. Подписи проводников со стороны микроконтроллера (USB_D+, USB_D-, USB_B) имеют точно такую же маркировку с обратной стороны «Жгута».
С правой стороны микроконтроллера, к выводам РВ8 и РВ9 подключили два светодиодных индикатора D1 и D2. Индикатор D1 включатся в момент передачи данных по USB интерфейсу, что значительно упрощает работу при тестирований устройства. Индикатор D2 показывает наличие напряжения питания в схеме для шины USB.
На рисунке 4 представлены результаты проектирования печатной платы и 3D формат устройства. В качестве основных элементов схемы в основном использованы SMD компоненты. В настоящее время наиболее популярными являются компоненты, размеры которых составляют 06*03 мм. Ширина дорожек в зависимости от выполняемой функции подбиралась отдельно. В целом, для линий питания ширина дорожек составляет 0,5 мм, для сигнальных линий 0,3 мм.
Рисунок 4. Печатная плата и вид разрабатываемого устройства в 3D формате
Внешние размеры платы составляют: 5 см в длину и 5 см ширину. Общее количество компонентов размещенных на одной стороне платы составило 32.
Сборка устройства подразумевает подключение беспроводного модуля и реле к плате управления. Основным источником питания в целом всего устройства, у нас является USB коннектор, посредством которого мы получаем стабильные +5 Вольт на входе. Индикатором питания служит SMD Led - светодиод излучающий в красном диапазоне. Светодиод установлен на плате управления. На рисунке 5 представлен внешний вид собранного и включенного в цепь питания устройства на этапе тестирования.
Рисунок 5. Вид устройства на этапах отладки и в сборе
В целом, устройство состоит из условных трех частей: платы управления, модуля беспрорводной связи и реле для непосредственного включения или отключения нагрузки. Питание беспроводного модуля и реле осуществляется от схемы платы управления.
Заключение. Тестовые испытания устройства проводились с применением в качестве нагрузки обычной светодиодной лампы освещения на 220 Вольт. Испытания показали, что беспроводной модуль стабильно устанавливает связь с мобильным устройством и передает команды без искажений. О чем свидетельствуют «четкие» отклики платы управления. Отклики отображались в виде включения и отключения управляющей катушки реле. Соответственно лампа освещения включалась и отключалась без сбоев, при каждой посылке команд по беспроводному каналу.
В заключении, можно отметить, что используя используя возможности применяемого микроконтроллера, удалось разработать прототип устройства для дистанционного управления нагрузками с питанием от сети 220 В через модуль Bluetooth.
Список литературы:
- Беспроводное управление нагрузкой «Уютный дом» (Монтаж в коробку). [Электронный ресурс] – URL: https://tdmelectric.ru/collection/besprovodnoe-upravlenie-nagruzkoy-uyutnyy-dom-montazh-v-korobku (дата обращения: 30.06.2021)
- Система беспроводного управления освещением. [Электронный ресурс] – URL: https://ic-contract.ru/articles/item/177-sistema-besprovodnogo-upravleniya-osveshcheniem.html (дата обращения: 09.07.2021)
- Система беспроводного управления Brenin. [Электронный ресурс] – URL: https://www.ixbt.com/home/breninhome.shtml (дата обращения: 22.07.2021)
- ЗАО «РИЭЛТА». Системы управления освещением и автоматикой // Электротехнический рынок. - 2018. - № 4(82). - С. 1-4.
- Дмитрий Завьялов. Беспроводная система управления освещением Econex Smart // Беспроводные технологии. - 2015. - № 4. - С. 1-3.
- С.Н. Торгаев, М.В. Тригуб, И.С. Мусоров, Д.С. Чертихина. Практическое руководство по программированию STM–микроконтроллеров: учебное пособие / ТПУ. – Томск: Издательство ТПУ, 2015. - 111 с.
- В. Суходольский: Altium Designer. Сквозное проектирование функциональных узлов РЭС на печатных платах / В. Суходольский. - Санкт-Петербург: BHV, 2017. - 560 с.
- С.Н. Торгаев, И.С. Мусоров, Д.С. Чертихина и др. Основы микропроцессорной техники: микроконтроллеры STM8S: учебное пособие / ТПУ. – Томск: Издательство ТПУ, 2014. -130 с.
- А.Н. Шишков. Ознакомление с языком программирования СИ: учебное пособие лабораторным работам по дисциплине «Проектирование устройств на программируемой элементной базе» / А.Н. Шишков. – Москва: Издательство МАИ, 2015. - 37 с.