EESTI MAAÜLIKOOL EMÜ Tartu Tehnikakolledž

Transcription

1 EESTI MAAÜLIKOOL EMÜ Tartu Tehnikakolledž Alo Veenpere ELEKTRISEADMETE KAUGJUHTIMISSÜSTEEMI PROJEKT REMOTE CONTROL PROJECT FOR ELECTRICAL APPLIANCES Rakenduskõrghariduse lõputöö tehnotroonika erialal Tartu 2014

2 Olen koostanud lõputöö iseseisvalt. Kõik minu töös kasutatud teiste autorite tööd, olulised seisukohad ning kirjandusallikatest ja mujalt pärinevad andmed on viidatud. Lõputöö koostaja: Alo Veenpere (kuupäev) (allkiri) Juhendaja: lektor. Janar Kalder (kuupäev) (allkiri) Kaasjuhendaja: Hans Müürsepp (kuupäev) (allkiri) Retsensent: lektor. Maido Märss (kuupäev) (allkiri) Töö vastab kehtivatele nõuetele. Kaitsmisele lubatud. Tartu Tehnikakolledži direktor: Margus Arak (kuupäev) (allkiri) 2

3 ABSTRACT Veenpere, A. Remote control project for electrical appliances. Tartu: EMÜ, pages, 38 figures, 5 tables, format A4, A3. In Estonian language. The aim of this project was to create a radio controlled wireless system for electrical appliances. The development of these kind of systems is relevant because the modern user demands a minimal number of cables connecting electrical appliances. Also, there is a need for frequent controlling of the appliance from a distance. Hence, switching appliances on and off should be as comfortable and fast as possible. Using radio controlled systems does not demand the development or installation of connecting cables. The development and building of the radio controlled system is a personal interest for the author. The system is made up of a master and slave. The master device is controlled via computer software or manual switches. The master device controls the slave s functions. It is a mobile device, which can be put into the operator s pocket. The operator manipulates the master to send information to the slave, which controls it s functions. To design the models for the protoype, existing radio control systems and communication protocols were researched. Electrical schematics and models were designed for the prototype devices. The stages of creation, software development and testing are described in different parts of the project. The created devices able manipulating for any electrical appliances with a relay switching option. The created radio controlled system will be used in a private home by the author. Altough the remote control system can be used in every facility where electrical devices are used. The last section of the project is hence dedicated to describing the house, its electrical system and some required improvements. This data is used for calculations necessary for the use of this prototype. The house plans and electric schematics are given in the project and the speculative whereabouts of the radio controlled device in the rooms. Keywords: radio control, radio frequency, radio module, microcontroller, Visual Basic, electrical schematic, programming, PCB, slave, master, Altium, house project, remote control. 3

4 SISUKORD TÄHISED JA LÜHENDID... 7 SISSEJUHATUS LÕPUTÖÖ EESMÄRK JA ÜLESANDED TEHNOLOOGIA ÜLEVAADE Raadiosidest üldiselt Distantsjuhtimises kasutatavate sidesüsteemide lühiülevaade Raadiomoodulite lühiülevaade Raadiomoodul APC Trükkplaat ja perforeeritud makettplaat AVR mikrokontroller Projektis kasutatud tarkvara KAUGJUHTIMISSÜSTEEMI PROTOTÜÜBI KAVANDAMINE Nõuded loodavale kaugjuhtimissüsteemile Juhtimine Alamseadme funktsionaalsus Ülemseadme funktsionaalsus Süsteemi maksumus Valmisseadmete kabariidid Ohutus Kaugjuhtimissüsteemi kirjeldus Ülemseadme elektriskeem Toide Ülemseadme mikrokontrolleri sisendid ja väljundid USB/UART adapter ja raadiomoodul APC Alamseadme elektriskeem Toide Alamseadme mikrokontrolleri sisendid ja väljundid RIISTVARA VÄLJATÖÖTAMINE Alamseadme skeemi arvutused BC547 bipolaartransistori baasitakisti arvutamine Sulavkaitsme väärtuse arvutamine

5 LM7812 pingeregulaator Mikrokontrolleri väljundi võimendus Alamseadme koostamine Trükkplaadi projekteerimine Komponentide valik Montaaž Ülemseadme koostamine Komponentide valik Montaaž TARKVARA VÄLJATÖÖTAMINE Programmeerimine ja kaugjuhtimissüsteemi loogikaalgoritm Seadmetevaheline andmeside Mikrokontrolleri sisend ja väljundviikude juhtimine Andmeside paketid Personaalarvutiga ülemseadme juhtimise tarkvara LÕPPKATSETUS JA ANALÜÜS Kaugjuhtimissüsteemi rakendamise katsetus Süsteemi maksumus Võimalikud edasiarendused ERAMU JA ELEKTRIPAIGALDIS Eramu Elektrivarustuse üldandmed Gruppide arvutuslik võimsus ja kaitseseadmete valimine Eramu peakaitse ja sisestuskaabel KOKKUVÕTE KIRJANDUS LISAD Lisa A. Alamseadme elektriskeem Lisa B. Alamseadme loogikaalgoritm Lisa C. Alamseadme trükkplaat Lisa D. Ülemseadme elektriskeem Lisa E. Ülemseadme loogikaalgoritm Lisa F. Alamseadme koost

6 Lisa G. Eramu põhiplaan Lisa H. Jõuvõrgu plaan

7 TÄHISED JA LÜHENDID C 3G temperatuuriühik (Celsius) kolmanda põlvkonna mobiilside tehnoloogia (ingl third generation of mobile telecommunications technology) 4G neljanda põlvkonna mobiilside tehnoloogia (ingl fourth generation of mobile telecommunications technology) AM amplituudmodulatsioon (ingl amplitude modulation) AVR Atmeli poolt toodetav mikrokontrollerite seeria COM port kommunikatsiooni port (ingl communication port) DIL mikroskeemi korpuse tüüp (ingl dual in-line package) DIN Saksa Standardi Instituut (sks Deutsches Institut für Normung) EEPROM mälutüüp (ingl Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) FM sagedusmodulatsioon (ingl frequency modulation) GFSK raadiolainete moduleerimise tüüp (ingl Gaussian frequency-shift keying) HIPERLAN/2 traadita side standard (ingl High Performance Radio LAN) h fe ID I I b I c I g I LED-id I MOSF I n I Q I relee I sul I väljund k k k transistori vooluvõimendustegur identiteet, identifitseerima (ingl identification) summaarne koormusvool A transistori baasivool A transistori kollektorvool A grupi vool A kolme LED indikaatori koormusvool A väljatransistori läbiv koormusvool A kaitsme nimivool A pingeregulaatori maksimaalne omatarbevool (ingl quiescent current) A relee mähise koormusvool A sulavkaitset läbiv vool, mille korral kaitse läbi põleb A toiteväljundi koormusvool A gruppidevaheline üheaegsustegur koormustegur 7

8 k n k üa l LED NPN P PIR PJK PM PNP PSK P a P ag P g P G P inst P t RF RX R B s SMA SRAM TO220 nõudetegur üheaegsustegur liini pikkus m valgusdiood (ingl Light-emitting diode) bipolaatransistor N tüüpi juhtivusega (ingl bipolar junction transistor, p material base junction) võimsus W infrapuna tehnoloogial põhinev liikumisandur (ingl passive infrared sensor) peajaotuskeskus faasimodulatsioon (ingl phase modulation) bipolaatransistor P tüüpi juhtivusega (ingl bipolar junction transistor, n material base junction) digitaalne faasimodulatsioon (ingl Phase-Shift Keying) eramu arvutuslik võimsus W; faasi arvutuslik võimsus W grupi arvutuslik võimsus W grupi võimsus W tarbijate võimsuste summa W grupi installeeritud võimsus W eramu tarbitav võimsus W; grupi tarbitav võimsus W raadiosagedus, raadiosageduslik (ingl radio frequency) vastuvõtja, vastu võtma, vastuvõtja pool andmevahetusühenduses, vastuvõtja režiim (ingl receive, receiver, reception) baasitakisti väärtus kaabli ristlõige mm 2 koaksiaal ja ühendusotsiku tüüp, versioon A (ingl Sub Miniature version A) staatiline juhupöördlusega mälu (ingl Static Random Access Memory) elektroonikakomponendikorpuse tüüp (TO ingl transistor outline) TTL transistor - transistor loogika ühendus (ingl Transistor-transistor logic) 8

9 TX T a T j T R U UMTS USB U BE U f U l U LM7812 U toide Ѳ cs Ѳ jc Ѳ sa saatja, saatja pool andmevahetuses, saatmisrežiim (ingl tranceive, tranceiver) väliskeskkonna temperatuur C pooljuht kristalli maksimaalne temperatuur C temperatuuritõus C pinge U=230 V universaalne mobiilsidesüsteem (ingl Universal Mobile Telecommunications System) universaalne järjestiksiin (universaal-jadasiin) (ingl Universal Serial Bus) baasi ja emitteri vaheline pinge V faasipinge V liinipinge V pingeregulaatori väljundpinge V toitepinge; pingeregulaatori toitepinge V termopasta termiline takistus C/W termiline takistus pooljuht-kristallist TO220 korpusele C/W termiline takistus jahutusradiaatorist väliskeskkonda C/W 9

10 SISSEJUHATUS Lõputöö teema valik on ajendatud töö autori vajadusest omada spetsiifilise funktsionaalsusega kaugjuhtimist võimaldavat seadet ning selgitada välja seadme iseteostatavus. Vajaduspõhiselt oli vaja välja töötada kaugjuhtimisseade, mida töös kirjeldatud kujul seni turul ei eksisteeri. Töös on kasutatud ekvivalentsetena mõisteid prototüüp, kaugjuhtimisseadmed ja kaugjuhtimissüsteem. Kasutatud on ingliskeelseid termineid - master ja slave, tõlgituna alamja ülemseade. Töö kirjeldavas osas mõistetakse seadme operaatori all persooni, kes kasutab sihipäraselt väljatöötatud kaugjuhtimisseadet või seadmeid. Kaugjuhtimissüsteem koosneb ülemseadmest ja alamseadmetest. Töö on iseloomult projekt, samas ka uurimustöö, kuna töös kirjeldatud prototüübi loomise eelduseks oli vaja eelnevalt uurida erinevaid andmeside tehnoloogiaid ja seadmeid. Võrdluse tulemusena selgitati välja autori poolt loodavale süsteemile kõige sobivam andmeside lahendus. Teema valik on aktuaalne, kuna käesoleval ajal püütakse elektriseadmete omavaheliste ühenduskaablite hulka vähendada või need võimalusel kaotada. Juhtmevaba ühenduse kasutamisel pole vajalik kaablite installatsiooni projekteerimine. Tegemata jäävad kulutused ühenduskaablite osas ning suureneb seadmete mobiilsus, kuna põhiliseks kahe omavahel kommunikeeruva seadme tööraadiust piiravaks teguriks on elektromagnetlainete levimine piirete taha, mis määrab võimaliku suurima distantsi kahe saatja vahel. Loodav seadmete süsteem on rakendatav igas kodumajapidamises, kontoris või tööstusettevõttes, kus on vajadus elektriseadmete sisse või väljalülitamiseks, nende olekustaatuse kontrollimiseks ja teavituste saamiseks. Kaugjuhtimissüsteemi seadmete abil on võimalik suurendada operaatori tootlikkust elektriseadmete kasutusmugavuse tõstmise abil, kuna seadmete haldaja saab ühe ülemseadme abil distantsilt juhtida (samaaegselt) mitut alamseadet. Käesolevat lõputööd on koostatud paralleelselt prototüübi kavandamise ja valmistamise protsessiga. Teostatud projekti ülesandeks oli luua uudne kaugjuhtimissüsteem koos prototüübi loomise jaoks vajalike aspektide arvestamise ja kirjeldamisega. Kaugjuhtimissüsteemi funktsionaalsus näeb ette olukorda, kus ülemseade kontrollib alamseadme tööd ning releelülitusi ja alamseade annab tagasisidet oma olekumuutuste kohta. Ülemseadet on võimalik juhtida loodud arvutitarkvara abil ning ka manuaalselt, manipuleerides füüsilisi lüliteid ülemseadme korpuse esipaneelil. 10

11 Arvutiliidese toe olemasolu loob eelduse ülemseadme töö juhtimiseks ka üle interneti. Eelduseks on asjalolu, et on loodud ligipääs välisvõrgust sisevõrku, milles on ülemseadme juhtprogrammiga arvuti. Lõputöö kirjeldab ülevaatlikult ainult peamisi teemasid, mida oli vaja süsteemi loomiseks. Arendustöö vältel ilmnenud probleeme ja lisatöid pole enamasti kirjeldatud, kuna see suurendaks vormistatava lõputöö mahtu mitmekordselt. Töö on struktueeritud loogika järgi, mis on vajalik ühe uue elektroonikaseadme väljatöötamise etappe silmas pidades. Valminud kaugjuhtimissüsteemi üheks autoripoolse kasutamise eelduseks on tema eramu jõuvõrgu peajaotuskilbi kaasajastamine, sellest tulenevalt on töö 7. alajaotises kirjeldatud eramu, elektripaigaldis ning tehtud osa selle väljavahetamiseks vajalikke arvestusi ja arvutusi. Valmis on joonestatud ka majaplaanid ja olemasolevad jõuvõrgu plaanid, millega on seostatud kaugjuhtimissüsteemi seadmete paigutus ekspluatatsiooni katsetuses. Uue peajaotuskilbi installatsiooni järgselt on võimalik kasutada kaugjuhtimissüsteemi peajaotuskilbi vabalt valitud grupi kontaktori kaugjuhtimiseks. 11

12 1. LÕPUTÖÖ EESMÄRK JA ÜLESANDED Lõputöö - projekti eesmärk on autoril välja töötada elektriseadmete kaugjuhtimist võimaldav süsteem. Projekti idee ja sisu on autori enda looming. Eesmärgiks on formuleerida kaugjuhtimissüsteemi seadmete kontseptsioon lähtuvalt autori isiklikust vajadusest kaugjuhtimist võimaldava süsteemi järgi. Peamiseks eesmärgiks seati prototüüpseadmete konstrueerimine, valmis ehitamine ning esitlemine lõputöö kaitsmise ajaks. Seega on süsteemi väljaarendamiseks aega 7 kuud, arvestades lõputöö teema kinnitamise ning lõputöö esitamise kuupäeva. Süsteemi osade valmistamise käigus selgitatakse välja seadmete iseteostatavus. Ülesandeks on süsteemi konstrueerimine, mis koosneb ülem- ja alamseadmest. Raadioside tehnoloogial põhineva ülemseadmega juhitakse elektriseadmetega toimuvaid lülitusi. Ülemseadme ülesandeks on alamseadme(te) juhtimine ning selle töö kontrollimine. Alamseadme abil saab teostada elektriseadmetega erinevaid lülitusi. Täpsemad kaugjuhtimissüsteemi eesmärgid ning ülesanded on kirjeldatud töö alajaotises 3.1. Prototüübi loomise projekt jaotati lõputöös kirjeldatult järgmistesse etappidesse: 1) prototüübi kavandamine; 2) riistvara väljaöötamine; 3) tarkvara väljatöötamine; 4) lõppkatsetus ja analüüs; 5) eramu ja elektripaigaldis. Tööetappide täpsem kirjeldus järgneb käesoleva töö erinevates jaotistes kronoloogiliselt. Projekti sisuga kaasuvalt tuli autoril tegeleda eramu elektripaigaldise kaasajastamisega, mille tõttu oli üks lõputöö ülesannetest majaplaanide ning jõuvõrgu skeemide ülesjoonestamine. Lisaks tuli teostada erinevaid jõuvõrguga seonduvaid arvutusi, mis on nähtavad jaotises 7. 12

13 2. TEHNOLOOGIA ÜLEVAADE 2.1. Raadiosidest üldiselt Raadioseadmetega puutuvad kokku paljud inimesed. Osadele on seadmete kavandamine ja valmistamine töö, veel rohkematele on see harrastus. Enamus raadioside seadmeid on käesoleval ajal keerulise ehitusega. Enamasti kasutatakse seadmete konstrueerimisel suuremal või vähemal määral tehastes valmistatud plokke, trükkplaate, erinevaid mooduleid või täiustatakse tööstuses varasemalt väljatöötatud lahendusi. Selleks, et saaks konstureerida uudset lahendust raadioside valdkonnas, on vaja põhjalikult tunda üksiklülituste tööpõhimõtteid ja nendest terviku moodustamise võimalusi. [1] Raadioside on informatsiooni edastamine elektromagnetlainete abil üle raadioeetri. Side loomise abil saatja ja vastuvõtja abil edastatakse signaale, milles kasutatakse informatsiooni kandjana elektromagnetlainet. Kõrgsageduslik raadiolaine üksi ei kanna endas informatsiooni, selle lisamiseks tuleb seda moduleerida. Raadiolainete võnkesageduste piirkonnaks loetakse üldiselt 30 khz kuni 3 GHz, vahemik 30 MHz kuni 300 MHz kannab meeterlainete VHF (Very High Frequency) ja vahemik 300 MHz kuni 3 GHz detsimeeterlainete UHF (Ultra High Frequency) nime. Kahes viimases raadiolainete vahemikus töötavad ringhäälingu raadio- ja TV-jaamad. Info ülekandmiseks on vajalik moduleerida kandevsignaali. [2] Moduleerimise meetodid on [3]: a) amplituudmodulatsioon (AM) on modulatsiooniviis, mille puhul kandevsignaali amplituudi muudetaks sõltuvalt andmesignaalist; b) sagedusmodulatsioon (FM) on modulatsiooniviis, kus kandevsignaali sagedust muudetakse vastavalt andmesignaalile; c) faasimodulatsioon (PM) on modulatsiooniviis, kus kandevsignaali faasi muudetakse vastavalt ülekantavale signaalile. Andmete edastamisel üle raadioeetri kodeeritakse vastuvõetud ja saadetud andmebitid sümboliteks. See näeb ette biti väärtuste vastavusse seadmist tulenevalt faasinihkele raadiosignaalis. 13

14 Kokku on 360 kraadi faasinihkeid, sellest tulenevalt võime kodeerida mitu bitti ühte sümbolisse. Digitaalne faasimodulatsioon (inglise keeles PSK - Phase-Shift Keying) on faasimodulatsiooni meetod ja selle üks lihtsam variant on binaarne faasimodulatsioon. Kandevlaine faasil saab olla ainult 2 väärtust - 0 ja 180 kraadi. Binaarse faasimodulatsiooni kasutamise puhul edastatakse iga sümboliga üks andmebitt. [3] 2.2. Distantsjuhtimises kasutatavate sidesüsteemide lühiülevaade Sidevõrgud on võimalik jaotada järgnevalt [4]: a) WLAN (inglise keeles Wireless Lan) ehk traadita arvutivõrk leiab laialdaselt kasutust enamikus ettevõtetes, kodudes, mobiilsetes seadmetes ning mujal. Selle traadita sidevõrgu seadmeid katab standard IEEE ; b) WPAN (inglise keeles Wireless Personal Area Network) ehk traadita personaalvõrk on piiratud ulatusega raadiokohtvõrk. Võrk leiab kasutust lähiraadiuses töötavate seadmete omavahel ühendamiseks. Seadmete levivõimsus on jagatud klassidesse, millega piiratakse seadmete leviraadiust ja pikendatakse akutoite tööaega. Seda võrguühendust kasutavad mobiiltelefonid, pihuarvutid ja nende lisaseadmed, arvutid ja selle lisaseadmed (hiir, klaviatuur, printerid). Tüüpiline võrgu tööraadius on 10 meetrit. Personaalvõrk on näiteks Bluetooth. Selle traadita sidevõrgu seadmeid katab standard ; c) GSM (inglise keeles Global System for Mobile communications) ehk globaalne mobiilsidesüsteem on kogumik standardeid, mida haldab European Telecommunications Standards Institute (ETSI) teise põlvkonna digitaalse mobiilside rakendamiseks. Standard leiab kasutust näiteks mobiiltelefonides, pihuarvutites ja kaugjuhtimiskontrollerites. Standard võimaldab madala kiirusega (9600 bit/s) andmeühendust internetiga ja tekstisõnumite vahetust. GSM standardite hulka kuulub GPRS (General Packet Radio Service), mis võimaldab andmevahetuskiirust kuni 56 kbit/s. Selle teenusega sai võimalikuks interneti püsiühenduse teenuse pakkumine üle mobiilside; d) 3G ehk UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) on universaalne mobiilsidesüsteem. Kirjeldatakse kui kolmanda põlvkonna (3G) laiaribalise mobiilside tehnoloogiat. Andmeedastuskiirus on kuni 2 Mbit/s; 14

15 Peale kõne- ja andmeside võimaldab UMTS edastada audio- ja videoinformatsiooni mobiilseadmetele üle maailma, kasutades mobiil- ja satelliitsidesüsteeme. Selle traadita sidevõrgu seadmeid katab ITU IMT-2000 standardite seeria [4]; e) 4G ehk neljanda põlvkonna mobiilsidevõrgu standard on järeltulijaks 3G ja 2G standarditele. Standard on spetsifitseeritud ITU poolt IMT-Advanced (International Mobile Telecommunication Advanced) nime all ja sisaldab nõudeid 4G standardile. Tipp andmeedastuskiirus 4G puhul ulatub kuni 100 Mbit/s (kiirelt liikuvatel objektidel) ja 1Gbit/s aeglastelt liikuvatel või statsionaarsetel objektidel. 4G standard pakub laialdast ja turvalist IPbaasil lairiba mobiilsidet, mida kasutades saab peale kõnede edastada ka erinevaid multimeediateenuseid vastuvõtjale. 4G baseerub tehnoloogiatel nagu WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) andmeedastuskiirusega 40 Mbit/s ja LTE (Long Term Evolution) andmeedastuskiirusega kuni 100 Mbit/s [5]; f) HomeRF (Home Radio Frequency) standard on olmektroonika seadmete omavahelise ühenduse standardiseerimiseks. Standardis on integreeritud DECT (Digital Enhanced Cordless Telephony) ja WLAN tehnoloogia, kasutades SWAP (Shared Wireless Access Protocol) ühenduse protokolli. HomeRF on avatud standard, mis lubab erinevatel tarbeelektroonika seadmetel omavahel ühilduda ja teeb võimalikuks audio- ja andmeside. HomeRF töötab sagedusel 2,4 Ghz ja võimaldab üldiselt andmete või heli ülekannet kuni 50 meetrit. HomeRF kasutab andmesideks standardit. [6] Traadita kommunikatsioonitehnoloogiaid on võimalik iseloomustada järgmiselt [7]: 1) paindlik võrgutopoloogia seadistamine; 2) puuduvad ühenduskaablid saatja ja vastuvõtja vahel; 3) lai mobiilsus ja kõigi võrguseadmete vaba liikumine; 4) asjakohane andmeülekande kiirus; 5) sobivus tööstuslike automatiseerimisstandarditega nagu DeviceNet, Ethernet jne; 6) võrku ühendatud seadmete lihtne ja kiire käivitamine. Info läbilaskevõime alusel on võimalik jaotada tehnoloogiad kolme gruppi [7]: a) kõrge läbilaskevõimega tehnoloogia, mille maksimaalne kiirus ei ole vähem kui 12 Mbps; 15

16 Näiteks HIPERLAN/2 nimelist tehnoloogiat kasutatakse andmete ja kõnede edastamiseks tööstuslikes, administratiiv- ja eluhoonetes. Tehnoloogia lubab realiseerida kärglühiulatusega juhtmeta kohtvõrgu. Definitsiooni kohaselt on ülilairiba tehnoloogia (Ultra Wideband Technology, UWB) kanali laius vähemalt 20% kandja sagedusest. Alamsageduse piirmäär mitte vähem kui 500 MHz. Wi-Fi (raadiokohtvõrk, Wireless Fidelity) tehnoloogia on välja töötatud võrkudele, mis tegutsevad vastavalt IEEE standarditele. Nende võrkude jaoks tähendab termin Wi-Fi sama, mis Ethernet tähendab IEEE802.3 standarditele. Sellest tehnoloogiast on kaks versiooni, aga tehnoloogia mis vastab IEEE802.11a standardile, on ainus, mis võimaldab kõrget kiirust. Sellele on omane 300 MHZ sagedusriba, milles on 15 kanalit, igaühes 52 kandjat. Näitena võib välja tuua: Hiperlan/2, UWB, Wi-fi; b) keskmise info läbilaskevõimega tehnoloogiad mis töötavad kiirustel vahemikus 1 kuni 11 Mbps; Üldiselt kasutatakse keskmise läbilaskevõimega tehnoloogiaid arvutivõrkudes, personaalvõrkudes (Personal area network, PAN) ja avalikes ligipääsusüsteemides (Public access systems, PAS). Selle tehnoloogia hulka kuulub teine Wi-Fi versioon (vastavalt IEEE802.11b standardile), mille ribasagedus on 80 MHz ja 14 kanalit. Nimi koduraadiovõrk (Home FR tehcnology) viitab selle peamisele funktsioonile. Nimetatud tehnoloogiale on omane mõned ühendatud seadmed, ühilduvus teist tüüpi võrkudega suhtlemiseks ja võime viia läbi osalisi võrgufunktsioone juhul, kui arvuti on väljalülitatud. Külgnevate võrkude olemasolu ei häiri oma seotud tegevusega teist tehnoloogiat, kuna seadmetel on 24-kohaline identifikaator. Näitena võib välja tuua tehnoloogiad nagu: 2,4 Ghz wifi, HomeRF ja Bluetooth; c) madala läbilaskevõimega tehnoloogiad, keskmine andmeedastuskiirus on kuni mõnisada kbps. Tehnoloogiad on mõeldud tööstuslikus ja kodukeskkonnas elektrooniliste seadmete juhtimiseks. Keskmine andmeedastuskiirus on kuni mõnisada kilobitti sekundis. See tuleneb teiste eeliste arvelt nagu madal hind ja seadmete madal energiakulu. Selliseid tehnoloogiaid on mitmeid, näiteks: zigbee, z -wave, Enocean, DECT, KONNEX. [7] 16

17 2.3. Raadiomoodulite lühiülevaade Kirjeldatud valik on välja toodud erinevate raadiomooduli tootjate kodulehekülgedelt. Raadiomoodulid on spetsiifilise rakendusega elektroonikatooted, mille valik ja kättesaadavus Eesti poodides on piiratud. Sellest tulenevalt on enamuses tootenäidete allikaks välismaa interneti leheküljed. Näidete kajastamisel on kirjeldatud seadmeid, millel on olemas osa projekti kontseptsiooni puutuvast funktsionaalsusest ja seadmeid, millest oleks võimalik projekti arendada. 1) Velleman Modul VM130 parameetrid on järgnevad [8]: a) müügikomplekt sisaldab: raadiosaatja- ja vastuvõtja koos lülitusseadmega; b) funktsionaalsus: 2 ühepoolse sidega kanalit, 2 relee väljundit vastuvõtjal, kolmekümne ühe samaliigilise saatja äratundmise võime, ühilduvusvõime teiste Velleman saatjatega, vastuvõtja poolel taimeri kasutamise funktsioon; c) töösagedus: 433 Mhz; d) väljundvõimsus: pole märgitud, vastuvõtja voolutarve on 130 ma 9 V toitepingel; e) efektiivne töökaugus: 30 meetrit; f) sidetehnoloogia: pole märgitud; g) tootja: Velleman. Joonis 2.1. Raadiosaatja Velleman VM130 koos puldiga [8] 17

18 2) FPX3 parameetrid on järgnevad [9]: a) müügikomplekt sisaldab: 1 raadiojaam; b) funktsionaalsus: Raadiojaam on mõeldud paigaldamiseks trükkplaadile, läbiaugu tehnoloogiat kasutades. Jaam omab programmeeritavaid sisendeid ja väljundeid; c) töösagedus: Mhz; d) väljundvõimsus: 400 mw; e) efektiivne töökaugus: 3 km; f) idetehnoloogia: programmeeritav jadapordi kaudu, FM ja FSK modulatsioon; g) tootja: Radiometrix. Joonis 2.2. Raadiomoodul FPX3 [9] 3) XBP24-AUI-001 ZigbBee Module parameetrid on järgnevad [10]: a) müügikomplekt sisaldab: 1 Zigbee moodul (raadiojaam), RS232 adapter, antenn; b) funktsionaalsus: Zigbee moodul ostsib üles 2,4 Ghz võrgusignaali ja ühendub võimaluse korral sellega, üle jadapordi välja saadetud teave jõuab Zigbee moodulisse, vastavalt signaali sisule täidab moodul peremeespoole käske; c) töösagedus: 2,4 Ghz; d) väljundvõimsus: 60 mw, 2.8 V kuni 3.4 V toitepinge; e) efektiivne töökaugus: 1 miil (takistusteta sidekaugus vabas õhus); f) sidetehnoloogia: Zigbee sidestandard, UART liides personaalarvutiga suhtlemiseks, DSSS modulatsioon; 18

19 g) tootja: Digi International. Joonis 2.3. Raadiomoodul XBP24-AUI-001 [10] 4) HYRM70 2,4Ghz RF parameetrid on järgmised [11]: a) müügikomplekt sisaldab: 1 raadiojaama moodul; b) funktsionaalsus: moodul on mõeldud pindmontaaži paigalduseks. Moodulil on programmeritavad väljundid ning töösagedus, 83 erinevat sidekanalit; c) töösagedus: ,5 Mhz; d) väljundvõimsus: 1mW; e) efektiivne töökaugus: m vabas õhus; f) sidetehnoloogia: UART sidestandard personaalarvutiga suhtlemiseks, FSK ja GFSK modulatsioon; g) tootja: Canton Electronics. Joonis 2.4. Raadiomoodul HYRM70 [11] 19

20 5) Raadiomoodul Jablotron David GD-04 parameetrid on järgmised [12]: a) müügikomplekt sisaldab: üks raadiojaama moodul; b) funktsionaalsus: Raadiomoodul toetab juhtmevabasid OASiS seadmeid või andureid. Konfiguratsioon lubab aktiveerida teiste sama tüüpi seadmete sisendid ja väljundid. Moodul on ettenähtud ühe bränditoote lisana kasutamiseks. Seadmel on 2 releeväljundit ja 4 sisendterminali; c) töösagedus: 868 Mhz; d) väljundvõimsus: 2 W; e) efektiivne töökaugus: pole märgitud; f) sidetehnoloogia: GSM; g) tootja: Jablotron. Joonis 2.5. Raadiomoodul Jablotron David GD-04 [12]: 2.4. Raadiomoodul APC 220 Raadiomoodul on arendustöösse valitud autoripoolse kalkuleerimistöö tulemusena. Sobiva mooduli leidmiseks koostati algselt mitmekümnest erikonstruktsiooniga raadiomoodulist mõtteline nimekiri. Lõppvalikul sai määravaks toote ühilduvus personaalarvuti jadapordiga, mis loob paremad võimalused arvutipoolseks suhtlemiseks raadiomooduliga. Lisaks on raadiomoodulil sobivad kabariitmõõtmed ning piisav saatevõimsus. Määrav roll oli ka komplekti hinnal. Kahe raadiosaatja ja ühe personaalarvuti liidese hind jäi sobiva mooduli valimise ajal Ebay müügiportaali andmetel paarikümne euro piiresse, mis vastas autori eelarvele. 20

21 APC220 tootja Apcon Electronics poolt on kaasas väiksemahuline juhtprogramm, mis lubab muuta mooduli töö konfiguratsiooni. Programm võimaldab muuta töösagedust, omistada moodulile erinevaid sidekanaleid ja tõsta sidekanali ühenduskiirust ning muuta raadioühenduse väljundvõimsust. Juhtprogrammi kasutajaliides on nähtav joonisel 2.6. Joonis 2.6. Raadiomooduli tootjapoolne kasutajaliides RF-Magic V1.2A [13] Andmelehes on kirjeldatud mooduli võimalikke kasutusvaldkondi järgmiselt [13]: a) automatiseeritud andurite lugemine; b) traadita andurite juhtimine; c) tööstuslik automatiseerimine; d) andmeliiklus, signaalide kontroll; e) traadita käsiterminali kasutamise võimaldamine; f) kaugjuhtimispuldi loomise võimaldamine ja monitooringuvõimalus; g) juhtmeühenduste asendamine; h) õli ja gaasilekke detekteerimine; 21

22 i) robotijuhtimine ja palju muud. Joonis 2.7. Raadiomoodul APC220 [13] Alljärgnevalt on kirjeldatud raadiomooduli spetsifikatsiooni: [13]: a) müügikomplekt sisaldab: 2-te raadiojaama moodulit ning USB-st jadapordiks konverterit; b) funktsionaalsus: Kaks raadiojaama on identsed. Moodulite vahelist sidet saab kõrvutada olukorraga, kus kaks arvutit on omavahel võrgukaabliga ühendatud ning toimub informatsioonivahetus, ainult raadiomoodulite puhul toimub infovahetus üle raadioeetri ning ühenduskaablit pole tarvis. Ühenduvuse näitlikustamiseks võib kirjeldada olukorda järgmiselt: raadiomoodul on ühendatud arvuti USB porti müügikomplektis kaasas oleva jadapordi adapteri abil, kui arvuti siseselt saata käsk jadaporti, millega on ühendatud raadiomoodul, siis viimane saadab käsu edasi teisele raadiomoodulile, mis on ühendatud teise personaalarvuti või mikrokontrolleri külge, nimetatud etappidega on raadioühenduslink kahe mooduli vahel loodud ning andmevahetus kahe mooduli vahel on võimalik vastastikkuselt. Side loomist ilmestab selgitav joonis 2.8; c) töösagedus: Mhz (muudetav juhtprogrammi abil); d) väljundvõimsus: 20 mw, (voolutarve saatereziimis 35 ma, vastuvõtjareziimis 28 ma); e) efektiivne töökaugus: kuni 1200 meetrit vabas õhus, tööraadiust võimalik suurendada võimendusantenni kasutades, ning andmeedastuse kiirust vähendades; f) sidetehnoloogia: UART/TTL liides personaalarvutiga ühendamiseks, GFSK modulatsioon; g) tootja: Apccon Techonologies; 22

23 h) modulatsioonitüüp: GFSK modulatsioon (faasi modulatsioon); i) 256 baiti infopuhver. Joonis 2.8. Raadiomoodulite ja personaalarvuti vahelist ühendust selgitav skeem [13] 2.5. Trükkplaat ja perforeeritud makettplaat Lõputöös konstrueeritud tehnoloogialahendused näevad ette trükk- ja makettplaatide kasutamist füüsiliste mudelite ehituseks. Nii trükk kui ka makettplaadi kasutamine nõuab eelnevat arendustööd elektriskeemide ja vooluradade väljatöötamise osas. Enne füüsilise trükkplaadi valmistamise alustamist peab olema kavandatud selle täpne lõppdisain. Seepärast tehakse suurem osa plaadi valmimise protsessist ära projekteerimistarkvarade abil. Füüsiline valmistamisprotsess on ainult lõppetapp ühe trükkplaadi loomisest ning erinevaid viise ja soovitusi plaatide valmistamiseks on mitmeid. Makettplaat, tuntud kui ka perfoplaat, tänu oma korrapärastele avadele tooriku pinnal, on kasutusel eelkõige prototüüpide loomisel ja katseskeemide ehitamisel. 23

24 Trükkplaat, ingliskeeles PCB (Printed Circuit Board) või PWB (Printed Wired Board), on peamine elektroonikatoodetes sisalduv komponentide kandja. Trükkplaate on ühepoolseid, kahepoolseid, mitmekihilisi ning painduvaid. Trükkplaadi paksus, kuju ja koostis sõltub selle kasutusalast. Enamlevinud trükkplaadi alusmaterjal on FR4 ja FR5 - klaasriie + EPO vaik. [14] Üks koduse trükkplaadi valmistamise tehnoloogiatest näeb ette laserprinteri abil kilele vooluradade skeemi printimist. Printimisel peab trükkplaadi skeem olema peegelpildis ning 1:1 mõõtkavas. Kile asetatakse eelnevalt puhastatud trükkplaadile, trükitud pool vastu plaati. Järgnevalt kuumutatakse kilet triikrauaga, kuni trükkplaadi toorik on saavutanud triikraua temperatuuri, Kuumatamise tagajärjel sulab tahm trükkplaadile. Järgnevalt jahutatakse trükkplaat külma vee all ning kile eemaldatakse. Plaati pestakse ning söövitatakse ammooniumpersulfaadi või raudkolmkloriidi lahuses. Lõppfaasis puhastatakse terve plaat peene liivapaberiga jooksva vee all ning kasutades lahusteid. [15] Perfoplaat, tuntud kui ka makett- ja prototüüpimisplaat, on plastikust koosnev korrapäraselt paiknevate avadega plaat. Sõltuvalt plaadi mõõtmetest on plaadil vastav arv väikseid avasid läbiaugu elektroonikakomponentide paigaldamiseks. Avad paiknevad üldreeglina korrapäraste vahedega, ebakorrapärane võib olla vasekihi radade omavaheline vahekaugus. Vasetatud radade abil luuakse elektroonikakomponentide omavaheline elektriline ühendus. Komponendite kinnituseks ning elektrilise side loomiseks vasetamata avade vahel kasutatakse jootetina. [16] 2.6. AVR mikrokontroller Lõputöö alam- ja ülemseadmele ettenähtud funktsionaalsuse realiseerimiseks on vajalik kasutada programmeeritavat mikrokontrollerit. Lõputöö projektis on kasutatud Atmega 8 nimelist mikrokontrollerit tulenevalt autori varasemast kokkupuutest nimetatud kontrolleriga. AVR on Atmeli korportsiooni poolt toodetav 8 -bitiste mikrokontrollerite seeria. AVR-il on eraldi programmi- ja andmemälu. Juhtprogrammi jaoks on kontrolleri siseselt ümberkirjutatav välkmälu, inglise keeles Flash. Andmete jaoks staatiline SRAM ja EEPROM mälu. Taktsagedus ulatub kuni 16 Mhz. Vastavalt rakenduse tüübile on AVR mikrokontrollereid olemas varieeruva konfiguratsiooniga. 24

25 Osa AVR-e moodustab megaavr seeria, mis on suure programmimälu mahuga, vastupidiselt tinyavr seeriale, mis oluliselt väiksemamõõtmelistes korpustes ja kärbitud kasutusvõimalustega. AVR on pakendatud standardkesta sisse, traditsiooniline on kest DIP või DIL (dual in-line package), lühend viitab korpuse viikude läbiaugu kasutamise tehnoloogiale. Kompaktsemad korpused on pindliite korpused, mille kasutamise puhul pole vaja trükkplaadile avasid puurida. Pindliite kasutamise teeb algaja elektrooniku kasutamise jaoks keeruliseks jootmistöö täpsus, kuna korpuse jalad on ligikaudu millimeetri pikkused ning see eeldab täpset kätt ja kallimast hinnaklassist töövahendeid. [17] Atmega 8 voolutarve 4 Mhz töösagedusel, 3 V toitepinge ning 25 kraadi Celsiuse juures on 3,6 ma. Välkmälu ülekirjutus tsüklite arv on kuni korda. Kontrolleris sisaldub sisemine ostsillaator ning 23 programmeeritavat sisend väljund viiku. Programmimälu maht on 8 kb. Muutmälu, ehk RAM (random-access memory) on 512 baiti. [18] 2.7. Projektis kasutatud tarkvara Projekti koostamiseks kasutati erinevat tarkvara. Näiteks trükkplaadi projekteerimine eeldab spetsiifilise tarkvara tundmist ja rakendamist. Elektriskeemide kontrollimine ja katsetamine eeldab simulatsioonitarkvara kasutamist. Tehniliste jooniste koostamine ja vormistamine eeldab omakorda kolmandat tüüpi projekteerimistarkavara kasutamist. Allpool on näited töös kasutatud tarkvaradest. a) CodeBlocks- codeblocks ehk tõlkes "Koodiplokid" on C ja C++ programmeerimiskeele arenduskeskkond. Tarkvara visuaalne ilme on struktueeritud koodiplokkideks. Antud programmiga on koostatud kõrgtaseme keeles programmeerimine. Programm on valitud tarkvara arendustööks, kuna tegemist on vabavaraga ning see on internetist allalaetav. Koodi kompileerimiseks on erinevas valikus kompilaatoreid, mis loob programmeerijale suurema valikuvabaduse. Üks vabavaralistest kompilaatoritest on WINAVR, mida kasutati ka lõputöös; b) Visual Basic- projektis on kasutatud programmeerimiskeelt ja keskkonda Visual Basic. Tarkvara abil saab väljastada arvutipoolse kasutajaliidese, mis vastab ühele projekti algnõuetest. Programm on vabavarana internetis saadaval. 25

26 Tegemist on visuaalprogrammeerimise keskkonnaga, mis tähendab, et valminud programmi töö on visuaalselt hoomatav. Algselt eksisteeris programmeerimiskeel Basic ilma Visual eesliiteta. Varasemalt seisnes Basicu programmi koostamine ainult teksti ehk koodi kirjapanekus. Visual Basicu puhul lisandub koodi kirjapanekule ka kasutajaliidese kujundamine. Visual Basicuga tööd alustades, pannakse esmalt paika pilt, mida programmi käivitamisel ekraanile kuvatakse. Seejärel otsustatakse, mis juhtub programmi kasutaja tegutsemise tagajärjel, see viitab sündmusprogrammeerimisele. Mingit tegevust täitva programmi käivitamiseks on vajalik sündmus. Enamasti tekitab tegevust käivitava sündmuse programmi kasutaja. Sündmusteks saab näiteks olla menüüelemendi valimine, nupule vajutus, hiire liigutamine või klahvile vajutamine. Programmeerija töökeskkond koosneb akendest, mida saab avada, nihutada, sulgeda, muuta nende suurust ja asukohta, tulenevalt programmeerija kasutusharjumustest. [19]; c) AutoCAD raalprojekteerimise tarkvara. Kasutatud elektriskeemide projekteerimiseks ja vormistamiseks; d) Solide Edge ST5 - raalprojekteerimise tarkvara. Kasutatud kahe- ja kolmemõõtmeliste tehniliste jooniste valmistamiseks; e) Altium Designer - trükkplaadi projekteerimise tarkvara. Elektroonikaalased elektriskeemid on valmistatud tarkvarapaketiga Altium Designer, kuid nende lõppvormistus on teostatud AutoCAD keskkonnas; f) SPlan elektriskeemide joonestamise tarkvara. Kasutatud selgitavate skeemide valmistamiseks. 26

27 3. KAUGJUHTIMISSÜSTEEMI PROTOTÜÜBI KAVANDAMINE 3.1. Nõuded loodavale kaugjuhtimissüsteemile Juhtimine Autori poolt seati eesmärgiks, et kaugjuhtimissüsteemi seadmed peavad võimaldama omavahelist traadita ühenduse suhtlust vähemalt 200 meetri ulatuses, märkimisväärsete õhutakistuste puudumisel. Arvestada tuleb nõudega, et seadmed peavad võimaldama stabiilset omavahelist ühenduslinki vähemalt 50 meetri ulatuses ka juhul, kui nende vahel on mitmekordne silikaattellis või raudbetoon sein. Ülemseadme ja alamseadme pooltel toiminud lülituste kohta peavad mõlemad seadmed saama tagasisidet. Tagasiside alamseadmel toimunud olekumuutuse või lülituse kohta peab avalduma ülemseadme poolel olekuindikaatorite staatuse uuenemisena. Seadmed on nähtud ette töötama ilma GSM sidelahendust kasutamata. Kaugjuhtimissüsteem peab saama funktsioneerida asukohas, kus puuduvad kommertsside võrgud ning kasutama mittetasulist andmeside lahendust. Süsteemil peab olema manuaaljuhtimise võimalus füüsilisi lüliteid kasutades ning valmidus ka tarkvaraliseks juhtimiseks personaalarvuti vms abil Alamseadme funktsionaalsus Alamseadmel peab olema üks 16 A nimivooluga releeväljund ja üks 0,5 A nimivooluga releeväljund. Esimene väljund võimaldab lülitada mistahes seadet võimsusega 3500 W, 230 V elektrivõrgus ning teine väljund väiksema voolutarbega seadet, näiteks elektrikilbi grupi kontaktorit. Alamseadmel peab olema liikumist tuvastav funktsioon, mis realiseeritakse liikumisanduri lisamise abil. Selleks on vajalik liikumisanduri signaalisisend ja +12 V toiteväljund anduri või mõne muu alalispingel töötava seadme toiteks. Alamseadme toiteks on võrgutoide. Seadmel peab olema ümberprogrammeerimise valmidus juhuks, kui mikroprotsessori sisendite või väljundite funktsionaalsust soovitakse muuta. Alamseade peab sisselülitatud olekus saatma välja pidevat krüpteeritud signaali, mille ülemseade saaks tuvastada ning teha kindlaks alamseadme olekustaatused. 27

28 Ülemseadme funktsionaalsus Ülemseade peab suutma kontrollida ning kuvada alamseadme olekumuutusi. Ülemseadmel peab olema valmidus alamseadme väljundeid ümber lülitada nii manuaalselt kui ka kasutades arvutiprogrammi, mis eeldab seadmele USB tuge personaalarvutiga ühilduvuse saavutamiseks. Ülemseadme esipaneelil peab olema kahe alamseadme juhtimiseks opereerimislülitid ja olekuindikaatorid, kuna alamseadmeid võib korraga kasutusel olla rohkem kui üks. Konkreetne ülemseade tuleb valmistada korraga vähemalt kahe alamseadme haldamiseks. Ülemseade peab olema energiasäästlik ning töötama 9 V patareiga ja ka USB toitelahendust kasutades. Seadmel peab olema ümberprogrammeerimise valmidus juhuks, kui mikroprotsessori sisendite või väljundite funktsionaalsust soovitakse muuta Süsteemi maksumus Kaugjuhtimissüsteemi osade kogumaksumus (kolme seadme summaarne maksumus) ei tohiks ületada 150 eurot. Suurusjärk tuleneb piirmäärast, mille autor seadis põhimõttega, et kogu projekti rahastajaks on tema ise. Eesmärk on luua turul hinna poolest konkurentsivõimeline seade. Neil alustel loodud eelarve kitsendab komponentide valikut ning eeldab hästi läbitöötatud insenerilahendust Valmisseadmete kabariidid Prototüüp peab olema kaasaegse kujundusega ning kompaktne. Alamseade peab olema paigaldatav elektrikilbis DIN liistule, kuna üks seadme rakendusfunktsioon on kilbi grupi lülituskontaktori kaugjuhtimine. Ülemseade peab olema hõlpsasti kaasaskantav, kuna selle operaatorile luuakse võimalus distantsjuhtimist teostada seadmetele ettenähtud tööraadiuses. Seadme välismõõtmed peavad portatiivsuse huvides võimaldama mahtuda näiteks sülearvuti kandekotti. Ühendusterminalide paigutus peab olema loogiline ja ohutu. Eelnevat arvesse võttes, ei tohiks kummagi seadme orienteetuvad mõõtmed ületada 120 x 100 x 80 mm Ohutus Süsteemi seadmed peavad olema ohutud nii kasutajale kui ka väliskeskkonnale. 28

29 Seadme valmistamisel tuleb kinni pidada elektroonikaseadmete projekteerimise heast tavast, mis kätkeb endas ülekoormuskaitset ja sisaldab kaitsemehhanisme seadme korpuse süttimise eest juhul kui toiteahela osad peaksid riknema Kaugjuhtimissüsteemi kirjeldus Skeemil (joonis 3.1) on kirjeldatud raadioside abil suhtlevad seadmed. Kirjeldatud on ülemseade, alamseadmed ning nende seadmete käsitlemisvõimalused. Seadmete sisendid ja väljundid on märgitud reaalsuses vastavatele ühendustele. Süsteem koosneb ülemseadmest ning temale alluvatest alamseadmetest. Ülem- või alamseadmes toimuvate lülituste info on seadmetele tagasisidestatud infopakettide abil, mille tagab pidev seadmetevaheline raadiolink. Tagasisidestus annab ülem- ja alamseadmele märku lülituse toimumisest. Lülitus toimub operaatori või liikumisanduri kaasabil. Joonis 3.1. Kaugjuhtimissüsteemi funktsionaalsust selgitav skeem 29

30 Alamseadmeid võib olla korraga kasutusel üks kuni mitu. Sisselülitatud ülemseade tuvastab alamseadmete olemasolu niipea kui viimased on sisse lülitatud ja raadioside leviulatuses. Alamseadmed saadavad välja pidevat signaali, milles sisaldub nende olekustaatus. Ülemseade tuvastab, millise seadme info ja olekustaatusega on tegemist ning kuvab info oma esipaneelil LED indikaatorite süttimisega või kustumisega. Olekustaatuseid on alamseadmetel neli, mis kuvatakse ülemseadme esipaneelil olekuindikaatoreid kasutades. Neli kuvatavat olekustaatust on 16 A nimivooluga releeväljund, 0,5 A nimivooluga releeväljund, manuaallüliti staatus (teavitab 16 A nimivooluga relee ümberlülitumise kohta) ning liikumisanduri olekustaatus. Projektis mõistetakse 16 A relee lülituse all 16 amprit nimivooluga (alamseadmele paigaldatud) relee kontaktide tõmbumist või lahutumist. 0,5 A nimivooluga relee või 0,5 A relee lülituse all on mõistetud väljatransistori poolt tüüritud vooluahela sisse või välja lülitumist. Elektriskeemi joonisel (lisas A) on lihtsustuse huvides nimetatud väljatransistori voolu juhtivat seisundit tinglikult relee lülitumiseks. Nimivool 0,5 A tuleneb maksimaalsest arvestuslikust voolust, mida on lubatud 0,5 A releeväljundisse ühendatavatel seadmetel tarbida. Lisaks on ülemseadmel neli surunupuga lülitit, mis võimaldavad teostada releelülitusi alamseadmete väljundites. Alamseadmel on võrgutoite sisend ning 16 A nimivooluga relee väljund. 16 A relee väljund on lülitatav manuaalse lüliti abil, mis on märgitud ka skeemile (joonis 3.1). Veel on projekteeritud liikumisanduri kasutamise jaoks 12 V toitepinge väljund ning liikumisanduri sisend. Liikumisandur võimaldab alamseadmel teavitada ülemseadet liikuva keha olemasolust enda läheduses. Liikumistuvastus laiendab süsteemi kasutusvõimalust, näiteks saab alamseadet kasutada vargaalarmina. Alamseadmel on 0,5 A nimivooluga releeväljund, mis võimaldab lülitada 12 V toitepingega seadmeid, näiteks vastava parameetriga kontaktor-lülitit. Ülemseadet on võimalik opereerida skeemil kujutatud manuaalsete surunupp- lülititega kui ka personaalarvutit kasutades. Arvuti ühendamisel ülemseadme USB sisendisse rakendub seadme siseselt toiteahela relee, mis lülitab patareitoite liini ümber USB toiteliinile. Personaalarvutiga ülemseadme juhtimiseks on välja töötatud tarkvara, mis oma funktsionaalsuselt on lähedane ülemseadme esipaneeli omale. Skeemile on märgitud ka välisvõrgust personaalrvutisse sisenemine ja seeläbi kaugjuhtimissüsteemi opereerimise võimalus. 30

31 Kaugjuhtimise variandid on: 1) Ülemseadet opereeritakse käsitsi füüsiliste lülitite ja olekuindikaatorite abil, mis asuvad seadme esipaneelil. Vastavalt lülitite manipuleerimisele toimuvad lülitused alamseadmetes; 2) Ülemseadet opereeritakse arvutitarkvara kasutades (joonis 5.5). Tarkvara dubleerib oma funktsionaalsuselt ülemseadme esipaneelil asetsevaid lüliteid ja indikaatoreid, kuid omab veel lisafunktsioone oma tööaknas (joonis 5.5). Kasutades välisvõrgust arvutisse sisselogimise tehnikat, on võimalik ülemseadet ja alamseadmeid opereerida suvalisest asukohast üle maailma. Eelduseks on internetiühendus ja ligipääs kohtvõrku, millesse on ühendatud ülemseadmega ühendatud personaalarvuti Ülemseadme elektriskeem Toide Skeemi (joonis lisas D) projekteerimisel on lähtutud loogikast, et skeem oleks lihtsasti loetav. Üheks vooluallikaks on ülemseadmel 9 V patarei B1. C1 ja C2 on pindmontaazi keraamilised kondensaatorid, mis stabiliseerivad pingeregulaatori toitepinget. S1 on paigaldatud toiteliini katkestamise eesmärgil ning patarei säästmiseks seadme mittekasutamise ajaks. S1 lüliti puhul on tegemist võtmega keeretava lülitiga. Lüliti võtmega osa on paigaldatud seadme korpuse esipaneelile nii, et seda on võimalik kasutajal mugavalt lülitada. Lülitit saab sisse ja välja lülitada ainult spetsiaalset võtit kasutades. K1 relee ülesandeks on toiteliinide ümberlülitus. Relee pingestamata olekus on see ühendatud juhtima patarei toiteliini teistele skeemielementidele. USB liini ühendamisel seadmega, saab relee mähis koheselt toite ning lülitab kontaktipaari ümber nii, et relee hakkab juhtima USB +5 V toiteliini teistele skeemiosadele. D1 diood on kaitseks vastupolaarsuse ning impulsspinge eest. D10 on kollane valgusdiood, mis annab märku toitepinge sisselülitamisest, olenemata kas toiteallikaks on valitud patarei või USB toide. R14 on valgusdioodi voolu piiramiseks ning vastava pingelangu tekitamiseks Ülemseadme mikrokontrolleri sisendid ja väljundid Mikroprotsessori IC1 ülesandeks on koordineerida ülemseadme tööd nii kaua, kuniks olekulüliti S7 ei ole lülitatud üle personaalarvuti juhtimisele. 31

32 Kontrolleri sisendviikudeks on signaalilülitid ja väljundviikudeks olekuindikaatorid. X2 pesa kontakte MISO, MOSI, CLK ja RESET kasutades saab mikroprotsessorit ümber programmeerida. R5 takisti võimaldab programmeerimisel viia viigu pingenivoo loogilisse madalseisu. Protsessor kasutab RX ja TX viiku andmevahetuseks raadiomooduliga. Valgusdioodide D2-D7 sisse või väljalülitatud olekud on mikrokontrolleri väljundviikude poolt juhitud. Indikaator hakkab valgust erendama juhul, kui on toimunud kontrolleri poolne kõrge loogikaoleku lülitus, mis toimub paralleelselt alamseadme mikrokontolleri väljund või sisendviikude väärtuste muutustega. Takistid R6-R13 on voolupiiramise ja vajaliku pingelangu tekitamise eesmärgil. Signaalilülitid S3, S4, S5, S6 on surunupp lülitid. Lüliti nuppu alla vajutades hakkab toimima mehaaniline tagastusmehhanism, mis püüab esialgset lüliti olekut (avatud olek) taastada. Takistid R1, R2, R3, ja R4 on pull-up fuktsiooni täitvad takistid. Takistide nominaalväärtused on 10 kilooomi. Väärtus on valitud kogemuslikult järgides "rusikareeglit" mis kehtib Atmega 8 mikrokontrolleri sisendi puhul. Kui lüliteid S3, S4, S5 ja S6 ei ole vajutatud on kontaktid avatud. Mikroprotsessori sisend on kõrges loogikaolekus ehk ühendatud toitesse. Lüliti kontaktide sulgumisel peale lülitamist saab mikrokontroller madala loogikaoleku sisendi ehk ühenduse maa liiniga. Füüsilised surunupp-lülitid on ette nähtud ümber lülitama alamseadme releeväljundeid USB/UART adapter ja raadiomoodul APC 220 X1 on B- tüüpi USB pesa personaalarvutiga ühendamiseks. USB liides sisaldab endas maa liini, +5 V toiteliini ja D- ning D+ andmeedastusliine. A2 on USB (universal serial bus) standardi RS232 (standard for serial communication) standardiks konverteerimise liides, millel on UART (universal asynchronous reciever/transmitter) standardi väljund. A2 abil saab raadiomooduliga suhelda otse üle arvuti tarkvara, eraldi mikroprotsessorit kasutamata. S7 on signaalide ümberlülitus lüliti, mis määrab andmeside liinide RX ja TX ümberlülituse kas arvutijuhtimisele või mikroprotsessori juhtimisele. S2 on toiteliini katkestamise lüliti. Tegemist on võtmega keeratava lülitiga. Toiteahela katkestamise korral ei ühildu ülemseade arvutiga ega saa ka toitevoolu. Võtit on võimalik lülitist eemaldada mõlemal juhul kui lüliti on avatud või suletud konktatidega. Võtme eemaldamise võimalus tagab järelvalveta olekus seadme diskreetsuse lüliti viimasest asendist lähtuvalt. 32

33 X3 pesaga on tähistatud raadiomooduli APC 220 ühenduskontaktid. Mooduli toiteliin on ühendatud K1 relee väljundisse, mis tagab toite moodulile mõlemas ülemseadme juhtimise režiimis, nii manuaal kui ka arvutijuhtimise reziimis. Raadiomooduli andmeside ja toiteliinid on trükkplaadile ühendatud ühenduskaablite abil, mida pole eraldi elektriskeemile välja toodud Alamseadme elektriskeem Toide Skeem on nähtav lisas A. Alamseadme toiteks on 230 V ühefaasiline võrgutoide. Toitepinge sisendliinid on terminali pesas X1. Samas pesas asuvad ka 16 A releelülituse liinid. Pesa pistik on välja toodud seadme korpuse küljele. Võrgutoite sisendis on võrgukaitse suurusega 250 ma. Kaitsmele järgneb trafo, mis alandab toitepinge 16 voldini. Trafole on ette nähtud ka sekundaarmähise kaitse F2, mis kaitseb elektriskeemi (joonis lisas A) osasid sekundsaarmähise riknemise korral. Ülekuumenemise eest kaitseb termokaitse F3, väärtusega 83 kraadi celsiust. Dioodsillaga D1 alaldatakse vahelduv toitepinge alalistoitepingeks. Elektrolüütkondesaator C1 silub alaldatud toitepinge. Pingeregulaatorid IC1 ja IC2 reguleerivad dioodsillast tuleva toitepinge konstantseks 12 V ja 5 V toitepingeks. Pingeregulaatoritega rööbiti on ühendatud pindmontaazi kondensaatorid, mis siluvad toitepinget. Toiteliini ühendamisel seadmega hakkab erendama valgusdiood D10, mis on toite olemasolu indikaatoriks alamseadme korpuse esipaneelil. 16 A nimivooluga relee lülituskontaktide olekust annab märku valgusdiood D8, mis on ühendatud relee mähise klemmidele. Relee mähis pingestatakse lülitireziimis töötava bipolaatransistori juhtimisel, mida lülitatakse mikrokontrolleri abil. Väljatransistori (0,5 A releeväljundi) lülituste kohta annab operaatorile märku valgusdiood D9, mis on ühendatud terminali väljundisse. Transistori avanemisel hakkab valgusdiood erendama ning sulgumise tagajärjel diood valgust ei kiirga. 16 amprit nimivooluga relee on K1, mille mähise kontaktidele on ühendatud D2 diood. D2 kaitseb trafo mähist vastupinge eest, mis tekib relee kontaktide väljalülituse hetkel. Vastupinge lühistatakse dioodiga Alamseadme mikrokontrolleri sisendid ja väljundid Mikrokontrolleril on sisenditeks manuaallüliti signaal, liikumisanduri signaal, programmeerimise liinid, mis asuvad pesas X3, andmesideliin RX ning toiteliinid. 33

34 Sisendites on kasutatud niinimetatud "pull-up" takisteid R1 ja R2 selleks, et sisendid oleksid sisendsignaali puudumisel kindlas olekus - kõrgseisus. Kui manuaallüliti kontakt on avatud, siis mikrokontrolleri sisendviigul on 5 V toitepinget, ehk esineb kõrgolek. Lüliti kontaktide sulgumisel jõuab IC3 sisendviiguni 0 V, ehk madalolek. Mikrokontrolleri väljunditeks on väljatransistori juhtimine, 16 A nimivooluga relee juhtimine ning andmeedastuse liin TX. 16 A nimivooluga releed lülitab bipolaartansistor Q2, millele on arvutuslikult valitud baasitakisti R3. Analoogne lülitus toimub väljatransistoriga Q1, mida juhitakse transistoriga Q3. Pesas X3 on andmesideliinid RX ja TX mis ühendatakse raadiomooduli APC220 RX ja TX kontaktide külge inverteeritult. Raadiomoodul APC220 on alamseadmes füüsiliselt paigutatud läbi korpuse seina ning ei puutu kokku trükkplaadiga. Raadiomooduli andmeside ja toiteliinid on trükkplaadile ühendatud ühenduskaablite abil, mida pole eraldi elektriskeemile välja toodud. D4, D5, D6, D7 on ühendatud antiparalleelselt. Ühendusviis kaitseb liikumisanduri (PIR) ja manuaallüliti sisendite ebakorrektse ühendamise olukorras mikrokontrolleri sisendeid. 34

35 4. RIISTVARA VÄLJATÖÖTAMINE 4.1. Alamseadme skeemi arvutused BC547 bipolaartransistori baasitakisti arvutamine. Transistori tööpunkt on valitav sobiva baasi takisti abil. Tööpunkt valitakse harilikult koormussirge keskosasse. Baasitakisti väärtus on arvutatav valemiga 4.1. [20] R B ( E U = I BE C ) h fe (4.1) Baasitakisti arvutuslik väärtus on seega (12 0,7) 110 R B = = ~ 12,4 kω 0, Sulavkaitsme väärtuse arvutamine Sulavkaitse valitakse andmelehelt, vastava aja ning voolu tunnusjoone graafikult selliselt, et see sulaks kaitsme kahekordse nimivoolu ( I n ) korral 10 sekundi jooksul läbi. Kaitsme nimiväärtus on arvutatav valemiga 4.2. [21] I sul = 2 I n (4.2) kus, I sul on sulavkaitset läbiv vool, mille korral kaitse läbi põleb, ma Kaitsme nimivool on seega I sul = 2 100= 200 ma Sulavkaitsme paigaldamise ajal oli autorile kättesaadav võrgukaitse väärtusega 250 ma, sellest tulenevalt on nimetatud kaitse ka alamseadmele paigaldatud. Sekundaarmähise kaitse on arvutatud teadmisega, et trafo väljundvool on 0,83 A ja varutegur on 1,2. Sellest tulenevalt on trafo sekundaarmähise kaitse 1 A ning aeglase reageerimisajaga (slow blow) kaitse. 35

36 Aeglase reageerimisega kaitse valiti kuna dioodsilla järgselt on skeemi ühendatud elektrolüütkondensaator, mis oma hetkelise laadumisega tõstab voolutarvet ning kiiretoimeline kaitse (fast acting fuse) võib läbi põleda LM7812 pingeregulaator Pingeregulaatorit läbiv summaarne koormusvool on leitav valemist 4.3. [22] I = I + I + I + I + I Σ RELEE MOSF VÄLJ LEDid Q (4.3) Pingeregulaatorit läbiv summaarne koormusvool on seega: I = = 678 ma ~ 0,68A Σ Pingeregulaatoril eralduv võimsus leitakse võimsuse arvutamise valemist (P = U I) P= ( U U 7812 I (4.4) toide LM ) Σ Asendades arvväärtused valemisse, leitakse pingeregulaatoril eralduv võimsus P= ( 16,2 12) 0.68= W ~ 2,9 W TO220 plastikust valmistatud korpuses pingeregulaator paigaldatakse termopastat kasutades jahutusradiaatori külge. Termopasta kihi paksuseks korpuse võetakse 0.051mm. Korpuse kontaktpindala on 0.91 cm 2. Sellest tulenevalt on leitud termopasta termiline takistus Θcs = 1.13 C /W. Termiline takistus kristallist väliskeskkonda on Θjc = 5 C /W andmelehest tulenevalt. Pooljuht kristalli maksimaalne töötemperatuur on 125 C. [22] Seadme korpuse sisese keskkonna temperatuuriks on autoril arvutustes määratud 50 C. 36

37 Väliskeskkonnaks pingeregulaatorile on ühtlasi seadme korpuse sisekeskkond. Jahutusradiaatori valimiseks vajalik termiline takistus radiaatorist väliskeskkonda on leitav valemist [22]: Tj Ta θ sa = ( θ jc+ θcs) (4.5) Q Asendades arvväärtused valemisse leitakse termiline takistus radiaatorist väliskeskkonda θ sa = (5+ 1,13) = 19,7 C/W 2,9 Järgnevalt leitakse LM7812 pingeregulaatori pooljuht-kristalli temperatuuri tõus, kui omavahel korrutatakse pingeregulaatoril eralduv võimsus ja termiline takistus jahutusradiaatorist väliskeskkonda [22]: T R =θ P (4.6) sa Kus, T on temperatuuritõus C; T = 19,7 2,9 57,1 C R = Järgnevalt leitakse LM7812 pingeregulaatori pooljuht-kristalli maksimaalne temperatuur väliskeskkonna (korpuses sisest) temperatuuri arvestades [22]: T j = T R + T a (4.7) Kus, T on pooljuht kristalli maksimaalne temperatuuri tõus C; T = 57, ,1 C j = Arvutustest tulenevalt peab ostutootena valitava jahutusradiaatori termiline takistus olema väiksem või võrdne kui 19,7 C/W. Temperatuuri tõus pooljuht-kristallil 2,9 W tarbimisvõimsuse juures ei tohi ületada 57,1 C. 37

38 Arvutustest tulenevalt on pooljuht-kristalli maksimaalne temperatuuritõus madalam, kui pingeregulaatori tootja poolt lubatud maksimaalne temperatuur, seega on kirjeldatud tingimustel 12 V pingeregulaatori jahutus tagatud Mikrokontrolleri väljundi võimendus Alamseadme mikrokontrolleri väljundid on projekteeritud juhtima releed ja väljatransistori. Relee ja transistori juhtimiseks kasutatakse väljundsignaali pinget ja vooluvõimendust. Selleks otstarbeks on kasutatud NPN tüüpi bipolaatransistori ühise emitteriga ühendusviisis ning lüliti režiimis. Allpool on toodud arvutusnäide relee juhtimiseks vajaliku vooluvõimendusega transistori valikuks. [23] Bipolaartransistori nimetatakse pooljuhtseadiseks, mida kasutades saab võimendada pingeid ja voole ning kasutada kontaktivabade lülititena. On kaht tüüpi bipoolaartransistore NPN ja PNP juhtivusega. NPN tüüpi transistoril on voolu suund baasilt emitterile ja PNP tüüpi transistoril emitterilt baasile. Nimetatud transistore juhitakse vooluga. [23] Kuna mikrokontrolleri oma toitepinge (5 V) on madalam, kui kasutatud relee toitepinge (12 V), siis kasutatakse signaali pinge ja voolu võimenduselemendina just NPN tüüpi transistori. Võttes relee ahela väljundvooluks ehk kollektrovooluks 100 ma ning teades mikrokontrolleri Atmega8 maksimaalset viigu väljundvoolu andmelehest tulenevalt (20 ma) on leitud vajalik transistori võimendustegur h femin kollektorvoolu ja baasivoolu suhte arvutamisel viiekordne varu.. Võimendusteguri arvutamisel on jäetud Võimendustegur on arvutatav valemiga [24]: Ic h fe = 5 (3.8) I b Asendades arvväärtused valemisse, saadakse võimendusteguriks 0,1 h fe = 5= 25 0,02 38

39 Saadud vastusest tulenevalt peab transistori vooluvõimendustegur h olema 25. Kollektori voolu ja võimendusteguri väärtuse alusel saab valida relee lülitamiseks transistori. Autoril leidus projekti füüsilise osa konstrueerimise ajal käepärast transistor BC547 minimaalse vooluvõimendusteguriga 200, mistõttu on nimetatud vooluvõimendusteguriga transistor ka reaalsele skeemile paigaldatud Alamseadme koostamine Trükkplaadi projekteerimine Trükkplaat on projekteeritult ühepoolne. Elektriskeemi digitaliseerimiseks ja trükkplaadi projekteerimiseks on kasutatud Altium Designer tarkvara. Tarkvara pakett koosneb kolmest moodulist, milles esimeses tuleb koostada elektriskeem, teises trükkplaadi rajad ning kolmandas moodulis on võimalik moodustada projekteeritava trükkplaadi ja komponentide ruumiline vaade. Trükkplaadi kujundamiseks määrati toorikplaadi mõõtmed ning seejärel trükkplaadile paigutatavate komponentide asukoht. Detailide vahelised ühendused projekteeriti 0,3-2 mm laiuste vooluradadega. Altium võib voolurajad genereerida automaatselt, kuid see valik jäeti kasutamata. Rajad tehti käsitsi, kuna see andis võimaluse skeemi paigutust manuaalselt muuta ning pakkus võimaluse skeemi töö ülekontrollimiseks. Mitmekordne ülekontrollimine aitab ennetada vooluradadega seonduvaid loogikavigu enne trükkplaadi valmistamist. 4.1 joonisel on osas a) näha projekteerimistarkvaraga kujundatud trükkplaadi pealtvaade. Joonis 4.1. Projekteerimisjärgus trükkplaadi mudel ja valmissöövitatud trükkplaat 39

40 Joonise 4.1 a) osa on pealtvaade väljavõte Altiumi keskkonnast ning ilmestab reaalseid skeemikomponente mõlemal poolel trükkplaati. Kujutatud on komponentide kontuure ja paigutust, nähtavad on ka 0605 tüüpi pindmontaažkomponendid trükkplaadi radade poolelt (punast värvi kontuurid). Joonise 4.1 osas b) on valmissöövitatud trükkplaat, kuhu on puuritud läbiaugu komponentide avad ning mis on ettevalmistatud komponentide peale jootmiseks. Trükkplaadi vasekiht toimib jahutuspinnana. Kujundatud trükkplaadi tehnilised joonised on näha lisas C Komponentide valik Tuginedes koostatud elektriskeemi komponentide parameetritele valiti erinevatest internetis leiduvatest elektroonikakomponentide kataloogidest vastavad füüsilised komponendid. Alamseadme füüsiliste komponentide valik algas sobiva korpuse otsimisest ning komponentidest mida korpus seejärel mahutama hakkab. Korpuse võimalike mõõtmete dimensioneerimine toimus paralleelselt korpusesse sisse paigutatavate komponentide mõõtmete dimensioneerimisega. Elektroonikakomponendid pidid mahtuma trükkplaadile ja trükkplaat omakorda korpuse sisse, lisaks tuli arvestada ühendusterminalide paigutusega. Terminalid pidid olema alamseadme kasutajale mugavalt teenindatavad. Komponentide valikul lähtuti eeskätt nende elektrilistest parameetritest, hinnast ning üksikosade kokkumonteerimise võimalikust lihtsusest, eeldusel, et kõik seadme ehitust puudutavad etapid tuleb teostada autori kodustes tingimustes hobielektrooniku tööriistadega. Alamseadme korpus ja osad detailid on tellitud Ebay müügiportaalist, päritolumaaks on Hiina. Võrgutrafo, relee, integraallülitused ja kaitsmed pärinevad Oomipoe lao tellimusest. Osa seadme komponente on kasutusele võetud autori isiliku, varasemalt soetatud komponendivarude hulgast. Alamseadme korpust on modifitseeritud vastavalt valgusindikaatorite ja ühendusterminalide kasutusele võtmiseks. Modifitseeriti korpuse läbipaistvat kaant ning korpuse kere pikemaid külgi, millesse freesiti ristkülikukujulised ühendusterminalide mõõtmetele vastavad avad. Korpuse ühte lühemasse külge on puuritud ava, läbi mille on korpuse külge kinnitatud raadiomoodul. Iga üksikkomponendi valikul tuli tootja andmelehest pärinevaid näitajaid kõrvutada elektriskeemi näitajatega ning viia need omavahel vastavusse. Komponentide väljavalimise ja kokkusobitamise keerukusest lähtuvalt võib tuua näite trükkplaadi kõige suurema komponendi- võrgutrafo kohta. 40

41 Trafo valikul oli vaja jälgida, et selle elektrilised näitajad nagu sisend- ja väljundpinge, tühijooksul tarbitav vool ning võ vastaks elektriskeemi nõuetele. Trafo pidi mahtuma korpuse sisse ning olema võimalikult kompaktne arvestades teiste elementide ruumitarbega. Samas ei tohi trafo tühijooksu võimsus olla märkimisväärselt suur energiasäästlikkust silmas pidades. Tähtsateks aspektideks trafo ja teiste komponentide valikul oli hind, kättesaadavus ja tarneaeg Joonisel 4.2. on kujutatud valmis projekteeritud alamseadme mudel Solid Edge raalprojekteerimise keskkonnas. Joonis 4.2. Alamseadme 3D mudel raalprojekteerimise tarkvara keskkonnas Montaaž Enne füüsiliste komponentide kokkuliitmist oli komplekteeritud ning ettevalmistatud kõik kaugjuhtimissüsteemi alamseadme montaažiks vajalikud osad ning töövahendid. 41

42 Montaažiprotsessi kirjeldab joonis 4.3, kus osas a) on näha joodetud komponenditega trükkplaadi vooluradade poolne külg. Jooniselt ilmestuvad ka rohelist värvi terminalpistikud, mis on ühendatud trükkplaadile joodetud terminalpesadesse. Osas b) on kujutatud trükkplaadi pealtvaade, kus on näha enamus alamseadme komponente. Alamseadme konstruktsioonijoonised paiknevad lisas F. Osas c) on kujutatud korpusest lahtiühendatud alamseade, millele on külge ühendatud raadiomoodul ning programmeerimisjuhtmed. Joonis 4.3. Alamseadme montaažiprotsess Alamseadme montaažiprotsess on tinglikult jaotatud järgnevateks osadeks: a) trükkplaadile toiteosa komponentide jootmine, lühiste mitteolemasolu kontrollimine ning toitepingete funktsionaaltest. Seadmele väljundile koormuse avaldamiseks kasutati releeväljundites koormustakisteid; 42

43 b) mikrokontrolleri trükkpaadile jootmine. Programmeerimise ja raadiomooduli ühenduskaablite paigaldus; c) valmisjoodetud trükkplaadi paigutamine korpusesse. Terminalpistikute kinnitamine trükkplaadile joodetud pesadesse väljaspoolt korpust; d) raadiomooduli paigutamine korpuse sisse, trafo kõrvale. Mooduli SMA tüüpi antennipistiku sisestamine korpuse siseseinast välisseina, kasutades selleks eelnevalt puuritud ava. Välisseinas on keermestatud antennipistiku kinnituseks SMA pesaga antenn, mis kinnitatakse M6 keermega; e) LED olekuindikaatorite paigaldus korpuse kaane külge, kasutades selleks varasemalt puuritud avasid. Indikaatorid on kinnitatud keermesliite abil. Elektrilised ühendused on teostatud kasutades ühenduskaableid, mille trükkplaadi poolsed ühendused on kinnitatud jooteliite abil; Joonisel 4.4. on kujutatud täielikult kokkumonteeritud alamseade, mis on valmimisastmelt kasutuskõlblikus olekus. Joonis 4.4. Alamseade valmiskujul 43

44 4.3. Ülemseadme koostamine Komponentide valik Enne ülemseadme komponentide valikut oli vaja dimensioneerida kõige suurema komponendi - korpuse oletatavad minimaalsed mõõtmed. Põhimõtted, mida järgiti komponentide valikul, olid sarnased alamseadme komponentide valimise põhimõtetele. Ülemseadme korpus on ABS plastikust valmistatud kaheks osaks poolduv karp. Karbi tagapaneelil on liuguri põhimõttel avatav kaas, mille avades paljastub 9 V korona patarei jaoks mõeldud pesa. Korpuse valikul sai määravaks sobiliku suurusega patarei pesa olemasolu, korpuse piisavad mõõtmed skeemikomponentide paigutuseks ning karbi töödeldavus koduste käsitööriistadega. Joonisel 4.5. on kokkumonteeritud ning sisselülitatud olekus ülemseade. Näha on ka esipaneeli funktsioonide selgituseks valmistatud kleebised. Joonis 4.5. Ülemseadme valmiskuju 44

45 Seadme LED valgusindikaatorite suurused ning värvitoonid on valitud põhimõttel, et need oleksid märgatavad ka välistes tingimustes ereda päikesevalguse korral. Lülitide kuju ning suuruse valimisel tootekataloogidest on püütud järgida ergonoomilisust ning lihtsust. Korpuse sees paiknevate skeemielementide valikul pidi eeskätt järgima nende füüsilist suurust, kuna esipaneelil paiknevad komponendid ulatuvad vähemalt sama suures osas ka sissepoole korpust, hõivates seeläbi osa korpuse siseruumist Montaaž Montaažiprotsess on tinglikult jaotatud järgnevateks osadeks: a) komponentide paigutuse plaaneerimine ja esipaneeli töötlemine; Joonise 4.6. a) osas on kujutatud korpuse esipaneeli töötlemiseks teostatud ettevalmistus. Valgusindikaatorite ja lülitite korrapärase paigutuse huvides valmistati komponentide suurustele vastavas mõõtkavas žabloon. Esipaneeli töötlemisel tsentreeriti puurid žablooni tsentrite abil. Lülitite paigutus on püütud teostada võimalikult loogiliselt ning kasutajale käepäraselt. Joonis 4.6. Ülemseadme komponentide paigutuse planeerimisprotsess 45

46 b) esi ja külgpaneeli läbivate komponentide paigaldamine; Joonise 4.6. b) osas on näha keermesliite abil paigaldatud raadiomoodul ja antenn, joodetud on ka mooduli andmeside ja toitekaablid. Keermesliitega on kinnitatud valgusindikaatorid, toitelülitid ning kuue kontaktiga andmeside liinide ümberlülitamiseks ettenähtud tumbler tüüpi lüliti. USB standardi UART standardile ülemineku mikroskeem on joodetud B tüüpi USB pesa külge. USB pesa on paigaldatud pinguga liitega korpuse külgpaneeli sisse. Stabiilse komponentide ühenduse tagamiseks kinnitati lahtised skeemi osad liimiliite abil korpuse siseküljele. c) toite ja mikrokontrolleri osa lisamine; Joonisel 4.7. osas b) on näha toiteosa komponendid koos mikrokontrolleriga, mis on paigaldatud perforeeritud makettplaadile. Mikrokontrolleri sisendid ja väljundid on komponentidega osaliselt ühendatud kaabliga, mille isolatsioonimaterjal sisaldab teflonit ning mille kuumakindlus on autori kogemusel vähemalt 370. Kuumuskindlast isoloatsioonimaterjalist kaabliga seonduvalt jootmistöid tehes ei ole oodata isolatsiooni riknemist juhul kui kuum jootekolb peaks kaablit puudutama. Joonis 4.7. Ülemseadme montaažiprotsess 46

47 Joonise 4.7. a) osas on ülemseade külgvaates. Vaatest ilmestub lõiketöötlemise tulemusena saavutatud USB pesa paigaldamise ava. Ava on ühest küljest avatud, kuna vaatel pole kujutatud korpuse tagapaneeli, mis sulgeks pesa lõplikuks paigaldamiseks vajaliku kontuuri. d) Lühiste puudumise kontrollimine ning lülitite ja olekuindikaatorite funktsionaalsuse testimine. 47

48 5. TARKVARA VÄLJATÖÖTAMINE 5.1. Programmeerimine ja kaugjuhtimissüsteemi loogikaalgoritm Programmeerimine on protsess kus luuakse instruktsioonide kogum selliselt, et arvuti, mis neid instruktsioone täidab, jõuaks püstitatud eesmärgini. Programmeerimistöö algfaasis püstitatakse ülesanne, mõeldakse välja lahendusalgoritmid ning viimaseks luuakse töötav programm. Programmeerimise põhiettappideks saab lugeda [25]: a) probleemi defineerimine; b) algoritmi väljatöötamine c) programmi andmevahetusmudeli väljatöötamine; d) programmi koodi kirjapanek: e) programmikoodi silumine ja funktsionaalsuse testimine; f) teostatud töö dokumenteerimine (toimub kõigi viie protsessiga paralleelselt). Kaugjuhtimissüsteemi seadmetele rakendusliku funktsionaalsuse omistamiseks tuli programmeerida kolm erineva käsustikuga programmi. Esimene programm tuli luua alamseadme mikrokontrolleri töö jaoks, teine programm ülemseadme mikrokontrolleri tööks ning kolmas programm ülemseadme juhtimiseks personaalarvutit kasutades. Tarkvaralisest arendustööst lähtuvalt, mis seob alam ja ülemseadme ühtseks tervikuks toimus kõigi kolme juhtprogrammi väljatöötamine üksteisega paralleelselt. Loogikaalgoritmid ja lahendusalgoritmid ehk programmi plokkskeemid ei sisalda programmeerimiskeelte komponente. Programmeerimisel kasutatavad algoritmid on lõpliku väärtusega ning sisult universaalsed. Plokkskeemi loomisel kasutati nelja põhielementi [26]: 1) programmi algus ja programmi lõpp (tähistatud ellipsikujulise kontuuriga); 2) tegevuse kirjeldus (ristküliku kujuline kontuur); 3) tingimus (tähistatud rombikujulise kontuuriga); 4) ühendusnool ehk signaali liikumise suund. 48

49 Nimetatud põhielemendid on näha alloleval joonisel 5.1., kus on kujutatud ülemseadme loogikaalgoritmi algfaas. Ülem- ja alamseadme plokkskeemid on näha lisades E ja B. Joonis 5.1. Ülemseadme loogikaalgoritmi algfaas 5.2. Seadmetevaheline andmeside Mikrokontrolleri sisend ja väljundviikude juhtimine Enamus Atmega8 mikrokontrolleri viikudest on kasutatavad nii sisendi kui ka väljundina. Pingenivooks on 0-5 V. Selleks, et defineerida mikrokontrolleri viik sisendiks või väljundiks, on kontrolleril register nimega DDRx (Data direction register). Viigud on grupeeritud 8 biti kaupa. Ühte 8 bitist gruppi kutsutakse pordiks. Iga pordi kohta on viikude sisendiks/väljundiks määramise register. Käsitledes porti C, siis viikude nn suuna määratleb register DDRC (Port C Data Direction Register). [27] 49

50 Reeglina on üks port programmeerija jaoks nähtav numbri kujul, mille numbriline väärtus on detsimaalkujul (8 bitti). Selleks, et viikudele oleks võimalik juurde pääseda ühe kaupa, tuleb kasutada biti haaval lähenemise tehnikat. Porti saab defineerida kui numbrit binaarkujul. Oletades, et on liides (port), mille hetkeolek on 0b (binaarkujul), 0x0F heksadetsimaalkujul ning on vajalik muuta liidese 7-s bitt "1" -ks, muutmata seejuures ülejäänud viikude olekuid. C- programmeerimiskeeles on alam ja ülemseadme programmeerimisel toimitud järgnevalt: 1) #define LED_RELAY_1 (0x01 << 7 - tegemist on biti vasakule nihutamisega; 2) arvule 0b teostatakse 7 korda vasakule nihutamist. Tulemuseks on 0b ; 3) eelnevalt oli PORTC väärtus 0b siis teostati loogikatehe VÕI (OR), tulemus pannakse tagasi PORTCsse: PORTC = 0b b ; PORTC = 0b ; 4) nimetatud tehted saab formuleerida ühe käsureaga: PORTC = (0x01 << 7); 5) bitt on tarvis uuesti 0- ks saada, muutmata sealjuures ülejäänud bittide väärtust. Selle jaoks kasutatakse loogilist "JA (AND)" tehet. Pordis on arv 0b ja sellega teostatakse JA tehe ühe biti kaupa eelnevalt mainitud bitimaski inversiooniga. PORTC = 0b & 0b Tulemuseks on 0b Lühidalt kirja pannes: PORTC &= ~(0x01 << 7); 6) et kirjutatav kood oleks loetavam, kasutati eraldi funktsioone viikude lülitamiseks: void set_led_relay_1(void){ PORTC = LED_RELAY_1;}; 7) soovides mikrokontrolleri viiku loogilisse kõrgseisu saada (suvalises kohas koodis), kutsutakse välja funktsioon: set_led_relay_1() ning kui on vajadus viik uuesti madalseisu viia, kasutatakse funktsiooni: void clear_led_relay_1(void){ PORTC &= ~(LED_RELAY_1);}; 8) funktsiooni väljakutsumiseks kasutatakse clear_led_relay_1(); funktsiooni. Sulgudes ning funktsiooninime ees olev tähis "void" määratleb, et funktsioonile ei edastata parameetreid ning ka funktsioon ise ei edasta infot. Elektrikatkestuse tagajärjel alamseadme toide kaob, releeväljundi kontaktid lahutuvad ja seade seiskub. Taaskäivitusel on releekontaktid samuti avatud ehk lülitatav seade peaks olema ohutuse tagamiseks seiskunud olekus. 50

51 Andmeside paketid Joonisel 5.2 on kujutatud 8-kanaliga loogikaanalüsaatori "Saleae" ekraanivisiooni abil jäädvustatud alamseadmete andmesidepaketid. Nähtav pakettide liiklus on võimalik tänu olukorrale, kus ülemseade saadab paketi välja ning mõlemad alamseadmed saavad paketi kätte, nagu on näha nende RX signaalidiagrammidelt. Seejärel Alamseade 2 vastab ülemseadmele, saates välja vastuspaketi. Vastuspakett jõuab seejärel nii ülemseadme RX sisendisse kui ka Alam 1 seadme RX sisendisse. Alam 1 ignoreerib paketis sisalduvat infot, kuna ID kood ei kattu sellega, mida peaks kandma temale suunatud andmeside pakett. Vaadeldaval juhul (joonisel 5.2) on kaugjuhtimissüsteemi katsetuse olukorras ülemseadmega ühendatud kaks alamseadet. Joonisel 5.2 on näha sidepaketi sisu, näiteks joonisel kujutatud ajahetkel on Alam 2 TX režiimis näha alamseadmelt ülemseadmele saadetud andmeside pakett Alam 2 olekustaatusega. TX paketi sisuks on sümbolid 19472xynssn. Joonis 5.2. Alamseadmete 1 ja 2 sidepaketid 51

52 Joonisel 5.3. on näha olukord, kus ülemseade saadab välja uue paketi, jällegi saavad selle kätte mõlemad alamseadmed. Seekord vastab Alam 1 seade, kuna ülemseadme poolt saadetud paketi sisu (ID) kattub Alam 1 seadme poolt äratuntava ID-ga. Alam 1 seade vastab ülemseadmele ning pakettide sidetsükkel algab otsast peale. Joonis 5.3. Alam- ja ülemseadme signaalipakettide 3 töötsüklit Joonisel 5.4 on kujutatud korduv andmesidepakettide 9 järjestikkust töötsüklit Joonis 5.4. Alam- ja ülemseadme signaalipakettide töötsüklid 52

53 Korduvate töötsüklite liikluse ajalist kestvust saab jälgida joonise üleval osas paiknevalt ajateljelt, millest on võimalik välja lugeda, et ühe tsükli kestvus on orienteeruvalt 200 ms. Kaugjuhtimissüsteemis on sidepakette kahte tüüpi. Alamseadmete olekustaatuse küsimise paketid ning alamseadmete olekumuutusest teavitamise paketid. Alamseadme olekustaatuse küsimiseks ehk sideseansi loomiseks on funktsioon: " SLAVE_1_GETSTATUS_CMD ", mille saadab välja ülemseade ning ülemseade saadab alamseadmetele pidevaid päringuid. Vaikimisi alamseadmed ise pakette välja ei saada. Saadetud paketi sisuks on "12345xyzzzz". Esimesed 5 baiti saadetud paketist on sümbolid 12345, mis on ühtlasi "alam1" identifitseerimise tunnuseks ehk ID. Järgnevat kaks baiti xy defineerivad käsu tüübi ("Getstatuscommand" (12345xyzzzz) -> = ID; xy = käsu tüüp). Paketi lõpus asetsev sümbolite jada zzzz tuleneb sellest, et standardpakett näeb ette kindla pikkusega paketti, mille tõttu on vajalik tühjad paketikohad täita sümbolitega. Ülemseade saadab välja paketi ID-ga 12345, siis sellele vastab ainult üks alamseade ID-ga Vastuskäsu sisuks "alam1" poolt on 19472xysnss. Ülemseadme poolel on defineeritud ainulaadsed alamseadmete ID-d ja vastused, mis välistavad eksliku sisuga vastuste peale reageerimise. Käsk Getstatuscommand on võrdeline sümbolitega xy ning snss tähistavad lülituste olekute seise (kõrgeid või madalaid). Sisselülitatud seisu tähistab s ja väljalülitatud seisu n (s -> set, n -> not set). Olekumuutuseid realiseeritakse käsuga: "SetStateCommand". Ülemseade saadab Alam 1 seadmele välja käsu: "Slave1RelayOn: 12345absszz", 5 esimest baiti käsust tähistavad ID tunnust, ab tähistab alama jaoks olekumuutuse käsku "SetStateCommand". Edasised 2 baiti määratlevad 16 A relee või 0,5 A relee väljundi olekumuutuse. Väljundi lülitab aktiivseks sümbol s ja mitteaktiivseks väljund n. Kaks viimast baiti käsus ei oma tähtsust ning võivad olla vabalt valitud väärtusega. Üldjuhul on vajalik muuta ühte väljundit korraga, seega võib 16 A relee lülituse bait ja 0,5 A relee lültuse bait omada suvalist väärust. 0,5 A relee lülitab sisse sümbol s ja välja lülitab sümbol n (s -> Mosfet ON; n -> Mosfet OFF). Kõikide muude väärtuste omistamisel loogikaolek ei muutu. Seega paketis 12345abszzz defineerib s releeväljundi oleku ning kõik ülejäänud tähed ei oma alamseadme jaoks tähendust. Raadiomoodulid sisaldavad andmelehe järgi 256 baidist andmepuhvrit, mida pole soovitatav üle täita. 53

54 Vastasel juhul hakkab informatsiooni edastuses tekkima kaod. Andmeleht defineerib raadiosageduslikule jadaliidese moodulile kaks parameetrit: jadaliidese boodisagedus ja andmepakettide vaheline minimaalne viide. Viited on vajalikud mooduli korrapäraseks tööks. Andmelehes on kirjeldatud minimaalset sidepakettide vahelist viidet kui 174 ms, 100 baidi andmemahu saatmise korral. Katsetuslikult on töös valitud sobivaim viide sidepakettide vahel ~ 100 ms. Sidekaabli kasutamisel kirjeldatud kadusid ei esineks Personaalarvutiga ülemseadme juhtimise tarkvara Projekti üks nõuetest nägi ette, et ülemseadet on võimalik juhtida arvutitarkvara abil. Visual Basic keskkonnas on loodud tarvaraline kasutajaliides ülemseadme funktsioonide kasutamiseks ning alamseadme töö kontrollimiseks. Loodud tarkvarale on autor andnud nimetuse "KAUGJUHTIMISSÜSTEEM Ülem/Alam v.1.0". Ülem/Alam v1.0 on exe faililaiendiga Windowsi keskkonnas käivitatav programm, mille visuaalne ilme on näha joonisel 5.5. Programmi suurus andmemahu arvestuses on 35 KB. Programmi on võimalik arvutisse laadida mis tahes andmekandjalt. Programmi käivitamiseks ning kasutajaliidese avamiseks tuleb programmifailil teha topelt vajutus hiire vasaku klahviga ning koheselt ilmestub kasutajaliidese tööaken, mis on kujutatud joonisel 5.5. Kasutajaliides on disainitud lähtuvalt vajaliku funktsionaalsuse esitamisest ning lihtsa ilme kujundamise ideest. Eesmärgiks oli muuta kasutjaaliidesega opereerimine jõukohaseks igal tasemel arvutikasutajale, kes soovib kaugjuhtimissüsteemi seadmeid hallata. Joonise 5.5 tööaknas esitatud elemendid kirjeldavad kasutajaliidese rakendusvõimalusi. Programmi tööprotsessi aitab kirjeldada järgnev tegevusjada mis tugineb visuaalprogrammi elementidele: 1) Avatakse programm ning Windowsi aknas ilmestub kasutajaliides; 2) Vajutatakse nuppu "Leia kasutusel olevad pordid", mille tagajärjel kuvatakse nupust vasakul asuvas aknas arvuti COM portidesse ühendatud seadmed; 3) Valitakse kuvatud seadmete loetelust ülemseadme nimega seade ning seadme nimele klikkides muutub seadme nimerida aktiivseks. Vajutatakse nuppu "Ava Link", mille tagajärjel luuakse side ülemseadmega. Loodud side alusel uuenevad alamseadmete olekustaatused, nagu "Kohaloleku staatus", "16 A relee" ja teised staatused; 54

55 4) Aktiivse andmeside ühenduse korral kuvatakse sidepakettide liiklus portide nimistu all olevas aknas. Andmepakettide loendamiseks on "Saadetud andmepakettide loendur" ja "Vastuvõetud andmepakettide loendur", mille arvväärtusi võrreldes saab teha kindlaks kas ühendus alam ja ülemseadmega on stabiilne või on sidepakettide edastamises kadusid; 5) Alamseadme sisendeid ja väljundeid on võimalik kontrollida olekustaatuse nimetuse kõrval paikneva ruudusisese tähistuse vaatlemisel. Tähistatud ruut ("linnuke" ruudu sees) kirjeldab sisselülitatud staatust ning tähistamata ruut välja lülitatud staatust. Olekustaatuseid saab käsitsi muuta, kui vajutada hiire vasaku klahviga lülitifunktsiooni täitvatele klahvidele, nagu näiteks "Relee sisse" klahvile, mis põhjustab lülituse toimumise vastavalt operaatori soovile alamseadme sisendis või väljundis. Joonis 5.5. Kaugjuhtimissüsteem Ülem/Alam v.1.0 kasutajaliides 55