Vezeték nélküli szenzorhálózatok tanulmányozása Szakdolgozat

Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Villamosmérnöki Intézet Elektrotechnikai-Elektronikai Intézeti Tanszék Villamosmérnöki szak Elektronikai tervezés és gyártás szakirány Vezeték nélküli szenzorhálózatok tanulmányozása Szakdolgozat Rémiás Lilla A3FN9Z 2015

Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Elektrotechnikai-Elektronikai Intézeti Tanszék Villamosmérnöki szak Elektronikai tervezés és gyártás szakirány Gyártás blokk Rémiás Lilla A3FN9Z Feladat címe: Vezeték nélküli szenzorhálózatok tanulmányozása Feladat tárgyköre: Elektronikai tervezés A feladat részletezése: 1. Végezzen irodalomkutatást a vezeték nélküli szenzorhálózatok területén, különös tekintettel a ZigBee, ZigBee pro kompatibilis eszközökre. 2. Tervezzen meg egy vezeték nélküli szenzorhálózatba illeszthető hőmérséklet, páratartalom, fényerősség és villamos teljesítmény mérésére alkalmas modult. 3. Építse meg és tesztelje az áramkört. Ipari konzulens: Forgó Róbert tudományos munkatárs BAY-LOGI Tervezésvezető: Dr. Tóth Lajos egyetemi docens Elektrotechnikai-Elektronikai Tanszék 1

Eredetiségi nyilatkozat Alulírott Rémiás Lilla (neptun kód: A3FN9Z ) a Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Karának végzős Villamosmérnök szakos hallgatója ezennel büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában nyilatkozom és aláírásommal igazolom, hogy a Vezeték nélküli szenzorhálózatok tanulmányozása című komplex feladatom/ szakdolgozatom/ diplomamunkám 1 saját, önálló munkám; az abban hivatkozott szakirodalom felhasználása a forráskezelés szabályi szerint történt. Tudomásul veszem, hogy plágiumnak számít: - szószerinti idézet közlése idézőjel és hivatkozás megjelölése nélkül; - tartalmi idézet hivatkozás megjelölése nélkül; - más publikált gondolatainak saját gondolatként való feltüntetése. Alulírott kijelentem, hogy a plágium fogalmát megismertem, és tudomásul veszem, hogy plágium esetén a szakdolgozat visszavonásra kerül. Miskolc, 2014.11.29 1 Megfelelő rész aláhúzandó 2

Záródolgozat saját munka igazolás (külső konzulens esetén) Alulírott Forgó Róbert, mint tudományos munkatárs igazolom, hogy Rémiás Lilla, (neptun kód: A3FN9Z), Villamosmérnök szakos hallgató a(z) Bay Zoltán Alkalmazott Kutatási Közhasznú Nonprofit Kft.-nél készített komplex feladatában/ szakdolgozatában/ diplomamunkájában 1 a saját munka terjedelmi részaránya minimum 80%, és a dolgozatban a vállalattól kapott adatok megfelelő hivatkozással szerepelnek. Miskolc, 2014.11.29. Rémiás Lilla Forgó Róbert Tudományos munkatárs 1 Megfelelő rész aláhúzandó 3

Tartalomjegyzék 1. Bevezetés... 7 2. A vezeték nélküli hálózatok fajtáinak bemutatása... 7 3 A ZigBee PRO és ZigBee szabvány bemutatása... 8 4. ZigBee és más vezeték nélküli kommunikációs protokollok tulajdonságai [1]... 8 4.1 Lézeres... 8 4.2 Infravörös... 9 4.3 Mikrohullámú... 9 4.4 Műholdas adatátvitel... 9 4.5 WIFI [5]... 10 4.6 Bluetooth... 11 4.7. ZigBee és ZigBee PRO... 12 5. ZigBee-vel és ZigBee PRO-val megvalósítható hálózati topológia [4]... 12 6. A ZigBee és ZigBee PRO szabvány rétegei [5]... 15 7. ZigBee szabvány kommunikációs jellemzői [6]... 16 8. ZigBee PRO jellemzői [7]... 19 9. Felhasználása példákkal [8]... 19 10. Zigbee-vel és ZigBee Pro-val kompatibilis eszközök (2,4 GHz-hez) [9]... 21 10.1 CC2531-as chip:... 21 10.2 CC2530-as chip:... 22 10.3 CC2538-as chip:... 22 11. A megvalósítani kívánt eszköz jellemzése... 23 12 Felhasznált szenzorok és mikrochip kiválasztása, tulajdonságaik.... 24 12.1 Fényérzékelő: [10]... 24 4

12.2 Villamos-teljesítmény mérő [11]... 25 12.3 Páratartalom- hőmérsékletérzékelő [12]... 26 12.3.1 Az érzékelő kommunikációja:... 27 12.4 A külvilág adatait kezelő mikrochip [13]... 29 12.4.1 CC2530-as chip lábkiosztása... 30 13 Az áramkörre tervezett IC-k... 32 13.1 LM358N [14]... 32 13.2 LP2985 [15]... 32 14. Az egyes elemek és jelüket feldolgozó áramkör rajzolata... 33 14.1 Fényelem, és a jelét feldolgozó áramkör... 33 14.1.1 A fényelem helye a NYÁK terven:... 38 14.2 AM2303 avagy a DHT22-es szenzor és áramköre... 39 14.2.1 Az AM2303-as szenzor elhelyezkedése a NYÁK rajzolatán... 40 14.3 A villamos teljesítménymérő jelét feldolgozó áramkör... 41 14.3.1 A teljesítmény mérő impulzusának feszültségszintjét a ZigBee-s chip feszültség szintjéhez illesztő áramkör a NYÁK terven... 44 14.4 Az áramkör még nem említett részei... 44 14.4.1 A teljesítmény mérőről levett 5V a ZigBee-s chiphez való illesztése... 44 14.4.1.1 A feszültség illesztő helye a NYÁK tervezeten... 45 14.4.2 Antenna... 46 14.4.2.1 Az antenna a NYÁK-on... 46 14.4.3 Oszcillátorok... 47 14.4.3.1 32 khz-es oszcillátor... 47 14.4.3.1.1 A 32 khz-es oszcillátor elhelyezkedése a NYÁK rajzolatán... 48 14.4.3.2 32 MHz-es oszcillátor... 48 14.4.3.2.1 A 32 MHz-es oszcillátor a NYÁK-on... 49 14.4.4 A TC2030-MCP-NL típusú programozó kábel csatlakozója, és chiphez való csatlakozási pontjai... 49 14.4.4.1 TC2030-MCP-NL a NYÁK terven... 50 14.4.5 Az áramkör magja, a CC2530-as chip... 50 5

14.4.5.1 A CC2530-as chip és közvetlenül hozzátartozó áramkör a NYÁK rajzolaton... 51 15 A teljes NYÁK terv... 52 16 Az áramkör fizikai megvalósítása... 53 16.1. A NYÁK gyártás lépései... 53 16.2 Az áramkör kézi beültetése és forrasztása... 61 17. Tesztelés... 64 18. Következtetések... 68 19. Összegzés:... 69 20. Summary... 70 21. Irodalomjegyzék... 71 22. Ábrajegyzék:... 74 6

1. Bevezetés Napjaink lényeges témája az energiatakarékosság, ennek környezetvédelmi és költségcsökkentési oka van, emellett egyre nagyobb szerepet kap már a mindennapi életben is az automatizálás. A komfort növelésére, és ismételten csak a költségek csökkentésére, az eszközeink távoli vezérlése a cél, amivel időt is spórolhatunk meg. Sokszor vezetékeken keresztül, például a helyhiánya miatt, nehéz megvalósítani. Szerencsére ma már nagyon sok fajta vezeték nélküli technológia van ennek a problémának az orvoslására. Ilyenek például a rádiófrekvenciás ISM sávot használó, nem engedély köteles ZigBee kommunikációs protokollt megvalósító eszközök is. Mely egy energia- és felhasználóbarát megoldást nyújt a jelfeldolgozó - jeladó egységek között. Hiszen a ZigBee-s rendszerek könnyen kezelhetőek, ad-hoc, önszervezésű hálózatot tud kiépíteni, és a végegységek az energiatakarékosság jegyében alvó állapotba kerülnek egészen addig, amíg nincs adatforgalom rajtuk, azaz amíg nem kapnak, vagy nem kívánnak információt közölni. Ilyen rendszer felhasználásával könnyen lehet nehezen megközelíthető energiafaló eszközöket kikapcsolni, vagy távoli méréseket végezni anélkül, hogy vezetékeket kellene használnunk. Ezt a megoldást célszerű használni műemlék épületek megvilágításánál, de hasznos lehet lakóházak, iskolák, irodák, utólagos korszerűsítésénél is. Ilyen kommunikációt alkalmazó rendszerrel sok világítási, fűtési költséget lehet megspórolni, az energia felhasználást redukálni úgy, hogy közben kényelmesebbé teszi az életünket. 2. A vezeték nélküli hálózatok fajtáinak bemutatása A vezeték nélküli hálózatok elektromágneses hullámok segítségével kommunikálnak. Ezeket a hálózatokat csoportosítani lehet, az elektromágneses hullámok frekvenciája szerint és földrajzi kiterjedésük alapján is. Frekvenciájuk szerint lehet: Infravörös tartományba eső. Ekkor az eszközöknek, amelyek kommunikálnak egymással, közel kell lenniük, látniuk kell egymást a kapcsolat létrejöttéért. Rövidhullámú rádiófrekvenciás adatátvitel. Ez a kommunikációfajta nagyobb eszközök közötti távolságot tesz lehetővé, mint az infravörös. 7

Mikrohullámú adat átvitel. Ezzel az előző kettőnél nagyobb kommunikációs távolság hozható létre így, azonban az adó és a vevő antennájának látnia kell egymást. Műholdas vezeték nélküli kommunikáció. Lézeres vezeték nélküli információ továbbítás. Kiterjedésük alapján megkülönböztetünk: WPAN (vezeték nélküli személyi hálózat) WLAN (helyi vezeték nélküli hálózat) WMAN (nagyvárosi vezeték nélküli hálózat) WWAN (nagy kiterjedésű vezeték nélküli hálózat) 3 A ZigBee PRO és ZigBee szabvány bemutatása A ZigBee egy olyan rövidhullámú rádió frekvenciás rendszer, mely WPAN és esetleg WLAN hálózatok létrehozását teszi lehetővé, ez körülbelül 10-100 méteres hatósugarú kört jelent, erős antennával a 300 méteres sugarú lefedettség is elérhető. Az eszközök telepítési költsége alacsony, és a használata egyszerű. A ZigBee azaz az IEEE 802.15.4 szabványt a ZigBee Alliance és az IEEE közösen fejlesztették ki, a szenzorok és a vezérlő egységek kommunikációs igényeinek kielégítésére. Vagyis ez a szabvány lehetővé teszi az energiatakarékosságot, és jól idomul az érzékelők működéséhez szükséges várakozási időhöz. Ezen okokból a ZigBee szabvány egyre jobban elterjedt, mind családi házak automatizálásában, mind ipari használatban. 4. ZigBee és más vezeték nélküli kommunikációs protokollok tulajdonságai [1] 4.1 Lézeres Lézeres adatátvitel esetén csak pont-pont közötti lehetséges az adatátvitel, a kommunikáció teljesen digitális. A lézerfény irányított energiakoncentrációja néhány kilométeres távolság áthidalását teszi lehetővé, viszonylag védett a külső zajok és a lehallgatás ellen, de az időjárási viszonyok befolyásolják (úgymint páratartalom, légköri szennyeződés, tereptárgyak ). Ez a rendszer LAN hálózat kialakítására alkalmas. Az adatátviteli sebesség 2-155 Mb/s között van hosszabb távok esetén (3-4 km), rövidebb 8

távolságok esetén (300-400 m ) elérhető az 1,5 GB/s-os kommunikációs sebesség is. A technológia nem képes követni a Föld görbületét. Elvileg áthidalható távolság az 50 km, de ehhez nagyon magas adó-vevő tornyokra lenne szükség, és bonyolult, nagy lencserendszerre. Közvetlen optikai rálátást igényel. [1] 4.2 Infravörös Az infravörös fénnyel történő adattovábbítás az IrDA, vagyis az Infravörös Adat Egyesülés, melynek angol nevéből származik rövidítés. Sebessége 9,6 Kb/s-115 Kb/s, az újabbak képesek a 4 Mb/s-os maximális sebességre is. Dolgoznak a 16 Mb/s-os megvalósításán. A kontrol eszközök között például számítógépes billentyűzet, egér, 576 Kb/s vagy 1152 Mb/s-os sebességű kommunikáció is megvalósított. IrDA eszközökkel egymásra célozva legfeljebb 30 -os nyílásszöggel maximum 5m hidalható át. Más eszközök zavaró hatásával nem kell foglalkozni. A hálózat kiépítése bonyolult, és sok előfeltétele van (hardver- és szoftvertámogatás, IrDA adó-vevő), valamint a kommunikáció csak közvetlen rálátás esetén jön létre. 4.3 Mikrohullámú A mikrohullámú vezeték nélküli kapcsolat 100 MHz feletti elektromágneses hullámot használ. Az eszközök többféle antennával dolgozhatnak, ezek sugárzási karakterisztikájától függően, nem kell minden esetben közvetlenül látniuk egymást, pl: bot-, hurok-, lapantennák esetén, ezeket rövidebb távolságra fejlesztették ki. Nagyobb távolságra az elektromágneses hullám csomagokat egy parabola antennával tudjuk koncentráltan küldeni, ekkor a jel/zaj arány nagyon jó lesz. Ennek feltétele: az adót és a vevőt nagyon precízen egymáshoz kell hangolni, az antennáknak látniuk kell egymást. A mikrohullámú sugárzás sem követi a föld görbületét. Ismétlő, erősítő állomások szükségesek, a nagy távolságok áthidalásához. 4.4 Műholdas adatátvitel Lényegében a mikrohullámú sugárzás ismétlő eszközei, melyek a világűrbe vannak kihelyezve, ezek a távközlési műholdak. A beérkező adatokat más frekvencián sugározzák tovább a Föld egy másik pontjára, az interferencia elkerülésének érdekében. A geostacionárius pályán keringő műholdakat használják adattovábbításra azért, hogy az antennákat ne kelljen folyamatosan újrapozícionálni, az adást keresve. 9

4.5 WIFI [5] WIFI rendszer, azaz Wireless Fidelity alatt az IEEE 802.11-es szabványt értjük. Ennek a szabványnak a következő alszabványaival találkozunk: 802.11a szabvány: Ez a szabvány 5 GHz-es frekvenciatartományban működik, maximális átviteli sebessége 54 Mb/s, emellett ortogonális frekvenciaosztásos multiplexelés alkalmazásával működik. Ezt a szabványt például Magyarországon nem lehet szabadon használni. 12 egymásra nem átlapulódó csatornája miatt a legnagyobb csatorna kapacitást biztosítja, a piaci forgalomban lévő termékek közül. Mivel az 5 GHz sáv még nem telített, így nagyobb teljesítményszint elérése válik lehetővé. Kicsi a rádiófrekvenciás zavarásának a fellépési valószínűsége, hiszen az eszközök nagy része 2,4 GHz-es tartományban dolgozik. Az IEEE 802.11a szabvány egyik alapvető problémája a korlátozott hatótávolság, különösen a magasabb 5 GHz-es frekvencia tartományban. 54 Mb/s -os átvitel mellett 30m-nél kisebb. Az IEEE 802.11b szabvány a 2,4 GHz-es rádiófrekvencia tartományban működik. Legfeljebb 11Mb/s-os átviteli sebességgel. Az egész világon szabadon használható. A legtöbb WLAN hálózat alapja. Hatótávolsága beltérben akár 100 m is lehet, kültéren 200 m. Hátránya, hogy mindössze 3 nem átlapolódó csatorna van a 2,4 GHz-es frekvenciasávban. Más 2,4 GHz-es sávban működő rádió frekvenciás eszközökre érzékeny, interferencia jöhet létre. Az IEEE 802.11g szabvány OFDM (ortogonális frekvenciaosztásos multiplexelés) segítségével az adatátviteli sebességet 2,4 GHz-es sávban 54 Mb/s-ra növeli. Előnye, hogy lefelé kompatibilis az IEEE 802.11b szabvánnyal, viszont az eltérő modulációs eljárás miatt az IEEE 802.11b szabványú eszközök nem értik meg az IEEE 802.11g eszközöket, ezért a 802.11b és 802.11g-használó eszköznek is jeleznie kell a másik felé egy kölcsönösen érthető modulációt használó jellel, az adatátvitel előtt. Hátrányai ugyanazok, mint amik az IEEE 802.11b szabványnak. Kapacitása a 802.11ahoz képest korlátozott. Becslés alapján az áthidalható távolság 50 m, kültéren 100 m. 10

Az IEEE 802.11n szabvány a 802.11 szabvány kiterjesztése MIMO-val (több adó és több vevő antennát használnak az ilyen szabványú eszköz) így a rendszer nem zavarodik össze a reflektált jelektől, hanem a visszavert jeleket felhasználva ki tudja terjeszteni a hatósugarát, csökkenti a holt tereket. 300 Mb/s-os átviteli sebesség is elérhető így. Beltérben a hatósugár nagysága 150 m, kültéren 300-500 m, ez a távolság az összes rádiófrekvenciás kommunikációnál függ a környező elektromágneses zavaroktól, valamint az eszközök minőségétől. Az IEEE 802.16 azaz a WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access) A 802.16 programozott algoritmus lényegesen megbízhatóbb és stabilabb működésű egy esetleges sávszélesség túlterheltség alatt is, ellentétben a 802.11-vel. Szimmetrikus sávszélességet biztosít, nem úgy, mint a Wifi. A többsávos jelrendszere az IEEE 802.11.n-en alapul. Frekvenciatartománya különböző országokban más: 2,3 GHz, 2,5 GHz, 3,5 GHz és 5 GHz, a jövőben szeretnék megvalósítani az 1,7 GHz tartományban és 2,1 GHz-es tartományban is a kommunikációt. 4.6 Bluetooth Bluetooth, vagyis az IEEE802.15.1 szabvány, egy nyílt, ISM sávot használó vezeték nélküli szabvány. Hatótávolsága 1,10 és 100 méter lehet. Adatátviteli sebessége 1 Mb/s, 3 Mb/s és 24 Mb/s lehet. 2,4 GHz-es frekvenciasávban működik. 1 mester eszközhöz maximum 7 egyéb eszköz csatlakozhat. Az egymáshoz csatlakoztatott eszközök PAN-t vagyis piconet-et hoznak létre. Alacsony energiafogyasztású, a falak nem jelentenek akadályt, hordozható eszközök kialakítására alkalmas. Olyan területeken érdemes alkalmazni ezt az adatátvitelt, ahol nincs szükség nagy sávszélességre, (pl. számítógép és számítógépes egér közötti kapcsolat). A Bluetooth lehetővé teszi az eszközök automatikus csatlakozását, és kétirányú adatcserét biztosít. Interferencia elkerülésére széles spektrumú frekvenciaváltogatást alkalmaz. Ezzel a technikával egy eszköz 79 véletlenszerűen kiválasztott frekvenciát használ 2,402 és 2,48 GHz között. Az adatátvitel biztonságos a szórt spektrum miatt. 11

4.7. ZigBee és ZigBee PRO ZigBee és ZigBee PRO szabványok az IEEE 802.15.4 szabványon alapulnak Alacsony komplexitású, kis sebességű rádió frekvenciás kommunikációjú hálózat létrejöttét teszi lehetővé, ez a két szabvány. 2003-ban adták ki a ZigBee alapverzióját és 2006-2007 ben a ZigBee PRO verziót. A nem engedélyköteles ISM sávban működik. Az alap ZigBee a 868-868,6 MHz-es sávban működik Európában, Amerikában a 902-928 MHz-es tartomány is létezik, és az egész világon alkalmazzák a 2,4 GHz-2,4835 GHz-es változatát. A két alacsonyabb frekvenciás verziója a BPSK (Binary Phase Shift Keying), és ASK (Amplitude-Shift Keying) modulációt alkalmazza. A 2,4 GHz-es tartományban O-QPSK (Offset- Quadrature Phase Shift Keying) modulációt alkalmaz csak. Az átviteli sebesség a 868 MHz-es sávban 20 illetve 100 kb/s, a 902 MHz-es tartományban 40 kb/s, és a 2,4 GHz-es sávban pedig 250kb/s-os. Ezzel szemben a ZigBee PRO az összes frekvenciasávban O-QPSK modulációt használ, és 250 kb/s-os átviteli sebességet tesz lehetővé. Természetesen a ZigBee PRO eszközök drágábbak is. Az átviteli közegért az eszközök között versengés folyik, ez CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), azaz itt minden állomás figyeli a csatornát, az adás befejezése után az összes eszköz egy adott ideig vár, amit egy logikai listában elfoglalt helyük határoz meg. A hallgatási idő alatt, ha más állomás nem kezd adni, akkor elkezdi az adást. [3] 5. ZigBee-vel és ZigBee PRO-val megvalósítható hálózati topológia [4] A hálózati topológia azt határozza meg, hogy a hálózati csomópontok milyen logika szerint kapcsolódnak egymáshoz, és hogyan kommunikálnak egymással az eszközök. Kétféle eszközt különböztetünk meg a ZigBee és ZigBee PRO hálózatban, RFD (Reduced Function Device, azaz csökkentett funkciójú eszköz, amit End Node-nak is neveznek, vagyis végpontnak) és FFD (Full Funcion Device, azaz teljes funkciójú eszköz), az utóbbi kommunikálhat bármely más FFD-vel és RFD-vel is, míg az RFD, csak FFD-vel kommunikálhat. Egy hálózaton belül az eszközök háromfélék lehetnek: 12

1. Koordinátor: a hálózatban van egy kitüntetett csomópont, ez felel a hálózat létrehozásáért és fenntartásáért, vagyis ez tartja nyilván a hálózatban található eszközöket. Feladata, még a címek kiosztása, a hálózat szinkronizálása beacon (jeladó) keretek, vagy jelzőfények segítségével. A koordinátorból egyetlen egy lehet hálózatonként. 2. Router: forgalomirányító, útvonal-irányítás és átjátszó feladatokat old meg elsősorban. 3. Hálózati végpont: a beavatkozókat, szenzorokat tartalmazó hálózati eszközök, rövid üzenetváltási feladatokat látnak el. Az FFD mind a három funkciót betöltheti, az RFD viszont csak a hálózati végpont szerepét töltheti be. Csak a végpontok tudnak elmenni alvóállapotba, és amíg az energiatakarékos állapotban vannak, addig a számukra küldött információt a router vagy a koordinátor tárolja. A különböző funkciójú eszközök teszik lehetővé a különböző hálózatok felépülését. A ZigBee a hálózatának kialakítására a következő topológiákat használja: Csillag (Star), itt a kommunikáció csak a hálózat koordinátora és a csomópontok között lehet. 1. ábra: Csillag topológia [4] Peer-to-peer, ebben az esetben elvileg bármely két eszköz között lehet üzenetváltás. Cluster-tree, a Peet-to-peer topológiából származtatott bonyolult hálózati topológia, a Cluster-fa leveleit a végpontok alkotják, vagyis az RFD-k. Itt a routerek nem tudnak egymással kommunikálni, csak a koordinátoron keresztül. 13

2. ábra: Cluster topológia [4] Mesh-t, szövevényes hálózatot alkothatnak az egymás hatósugarán belül lévő FFD-k. Itt a routerek tudnak egymással kommunikálni, és a koordinátortól tudja változtatni az információ áramlás útvonalát a végeszközök felé, azonban, ha az elérni kívánt végeszköz előtti router hibásodik meg, akkor azt az RFD-t nem lehet elérni. 3. ábra: Szövevényes topológia [4] Összesen 65535 csomópont lehet egy hálózatban. 14

6. A ZigBee és ZigBee PRO szabvány rétegei [5] 4. ábra: Zigbee stack modell [5] A ZigBee Alliance definiálja a felsőbb rétegeket, ezek a rétegek a hálózati és alkalmazási rétegek, a ZigBee Alliance célja a hálózati munka egyszerűsítése, a biztonsági szolgáltatások és vezeték nélküli ellenőrzési megoldások biztosítása, a szabvány értékesítése és továbbfejlesztése, valamint a különböző gyártóktól származó RF eszközök együttműködésének vizsgálata. A protokoll két alsó rétege fizikai és adatkapcsolati réteg, ezt az IEEE 802.15.4 szabvány specifikálja. A fizika réteg, a legalsó, ez határozza meg a kommunikáció módját (AM, FM, PSK, O-QPSK ), és közegét (RF, Fénykábel, stb.) és ez hozza létre a beérkező jelből létre az információt is. De ekkor még szerviz üzeneteket is tartalmaz a beérkező kód, ilyen szervizadat lehet például a hálózat sebessége, a használt frame szerkezet is, ezeket a szervizüzeneteket továbbítja a MAC (Medium Access Control) réteg felé. A PHY, azaz a fizikai réteg felelős: CCA-ért (Clear Channel Assessment, vagyis a szabad csatornák felméréséért) CSMA-CA-hoz, Csatorna frekvenciájának kiválasztásáért, Adat küldéséért, és fogadásáért (Tx,Rx), LQI-ért (Link Quality Indication, kapcsolat minőség jelzésért), ez 0 és 255 közötti számmal jellemzi az adatkeretek minőségét, ED-ért (Energy Detection, energia szint felderítésért), A rádiós adó-vevők ki- bekapcsolásáért. 15

MAC közeg-hozzáférési vezérlő réteg felelős: Adatküldésért csatorna kommunikációs szinten, Kommunikációs csatornák kezeléséért, a MAC kezelői egység segítségével (MLME=MAC Layer Management Entity), Csatorna hozzáférési folyamatokat tartalmazza, A fogadott adatkeretek érvényesítését, visszaigazolását tartalmazza kapcsolódásért és leválasztásért felelős. 7. ZigBee szabvány kommunikációs jellemzői [6] A 2,4 GHz-es IEEE 208.15.4-es szabvány, mint már fentebb említettem O-QPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying) modulációt alkalmaz. Ez a fajta moduláció két egymástól 90 -kal eltolt fázisú jelből áll, melyek együtt adják az átvinni kívánt jelet. Demoduláció során a jelből minden negyed periódus végén mintát véve adódik a digitális jel. A negyed periódus végén az egyik jel mindig 0 a másik pedig vagy pozitív vagy negatív értéket vesz fel. Ezt mutatja az 1. ábra. 5. ábra: O-QPSK szemléltetése [6] Az 868-868,6 és 902-928 MHz-es frekvencián alkalmazott moduláció az O-QPSK-n kívül a BPSK (Binary Phase Shift Keying), mely kétállapotú fáziseltolást jelent. Lényege az, hogy egy állandó amplitúdójú jel vivőfázisa 0 és 180 között mozog, ettől függően sugározza ki a bináris egyet, vagy a nullát. Szimbólumonként egy bitet ad ki. A másik moduláció az ASK (Amplitude-Shift Keying) moduláció. Ebben az esetben a vivőjel szinuszos. A moduláló jel a vivő jel amplitúdóját változtatja A0 és A1 érték között. A0 amplitúdójú jel logikai 0-mak számít, míg az A1-es szintű logikai 1-nek. 16

A hálózat két üzemmódban működhet: Réseletlen módban: bármikor küldhetnek adatot a csomópontok, a csatornánkért való versengés után. Időréselt módban: Ekkor van szükség a beacon keretekre, vagy jelzőfénykeretekre, mert a koordinátor által periodikusan küldött beacon keretekhez szinkronizál az összes hálózati eszköz, adatküldés, csak az időrések elején történik. A beacon keretekben található a periódus hossza, a készenléti és alvási időintervallumok terjedelme. A készenléti és alvási időintervallumok az energiatakarékosságra az IEEE 802.15.4 szabvány által nyújtott lehetőségek. A Beacon, vagyis a jel érkezésekor kezdődik az aktív periódus, amelyben a hálózati csomópontok versenghetnek CSMA-CA módszerrel az átviteli közegért, majd adatokat fogadhatnak, továbbíthatnak. A teljes BI (Beacon Intervallum) periódus 16 egyenlő részre van osztva, ebből az utolsó hetet ki lehet osztani az alacsony késleltetési igényű csomópontok számára, garantált időszeletként, ezek a csomópontok versengés nélkül küldhetnek adatot, eközben a többi csomópont nem tud adatot forgalmazni. Az időréselt módot mutatja be a 2. ábra: 6. ábra: Időréselt üzemmód [6] 17

Az adást a beacon vételétől 20 szimbólumidőként lehet megkezdeni a sikeres csatorna hozzáférés után. A hálózat periódus idejét a beacon keretben található két adatból lehet kiszámítani: SO: Superframe Order = aktív periódus, ennek értéke 0 és 15 közötti. BO: Beacon Order = teljes beacon keret, ennek értéke szintén 0 és 15 közötti. Ha BO és SO egyenlő, akkor réseletlen üzemmódról beszélhetünk, ha SO kisebb, mit a BO, akkor réseltről. Az utóbbi esetben: BI=960*2 BO szimbólumidő SD=960*2 SO szimbólumidő Csatorna sávok kiosztása: A 868 MHz-es tartományban 1 csatorna van 868,3MHz-nél. A 915 MHz-es tartományban 10 darab van, melyek 2 MHz-esével vannak kiosztva. A 2,4 GHz-es Zigbee fizikai rétege 16 csatornát tesz lehetővé a 2,4-2,4835 intervallumon úgy, hogy a csatornák 5 MHzesével követik egymást. Ezt szemlélteti a 7. ábra. 7. ábra: Csatorna kiosztás [6] A hálózat ad- hoc, vagyis önszervezésre képes: Egy csomópont hálózatba való kapcsolása után, a csomópont végigpásztázza a csatornákat, és megpróbálja felderíteni a hatósugarán belüli hálózatokat. Ennek két módja van: Aktív felderítés: Ekkor beacon request, kérés jelet küld, ha ezt a koordinátor veszi, akkor egy beacon kerettel válaszol. Ezzel a módszerrel csak a réseletlen hálózatok deríthetők fel. 18

Passzív felderítés: Az új eszköz várakozik a beacon keret vételére, természetesen ezt csak bekapcsolt állapotban tudja tenni, és ha megérkezik a jelzőkeret, akkor szinkronizálja magát a hálózathoz, beállítja a saját paramétereit. Ezután az új eszköz csatlakozási folyamaton megy át, avagy association+-ön, ekkor a koordinátor bejegyzi az eszközt a hálózatba, és ha az igényel rövid címet, akkor kioszt neki egyet. Az allokált címet a csatlakozó csomópontnak kell lekérdeznie poll eljárással, vagyis periodikusan újra kérdezni addig, amíg meg nem kapja. Csak ezek után a műveletek után válik alkalmassá az új csomópont az adatok forgalmazására. A csomópontok címzésén kívül minden koordinátor által felügyelt hálózat rendelkezik egy 16 bites címmel. A hálózat hand-shake, (teljes kézfogás) protokollt alkalmaz a kapcsolatok megteremtésére, azaz a hálózati végpontok, csomópontok az adatok fogadása után küldenek egy nyugtázó jelet, az információt küldő eszköz irányába. Hiba esetén újraküldés történik. A rendszer telepítése lehet tervszerű is, ekkor az eszközöket előre felmért sugárzási térképük alapján helyezzük el, és ekkor mi választhatjuk meg a topológiát is. 8. ZigBee PRO jellemzői [7] A Zigbee PRO a Zigbee továbbfejlesztett változata, mellyel nagyobb hálózatok hozhatók létre, melyek akár 1000 hálózati csomópontból is állhatnak. Lényeges különbsége a sztenderd Zigbee-vel szemben az, hogy ez a rendszer képes önkényesen csatornát váltani, ha a használt túl zajosnak bizonyul. 9. Felhasználása példákkal [8] A ZigBee és a ZigBee PRO szabvány számos helyen felhasználható. Például az élelmiszer-, gyógyszer-, könnyű- iparban, ahol nagyon fontos a gyártás során a hőmérséklet, a nyomás érzékelése. Tartózkodási idő betartásához az áthaladási sebesség meghatározása. Példaként említeném a nehézipart, ahol megfelelő jeladókkal, szintén hőmérsékletet, nyomást, de akár az olvadt fémötvözet összetételét is figyelemmel lehet 19

kísérni. Megfelelő adatátvitel esetén akár a Rosetta nevű űrszonda Philae leszállóegység mintavételező elemzőiben is lehetnének ilyen eszközök, (talán vannak is). Az űrszonda 2014.11.12-n landolt a 67P/Csurjomov-Geraszimenko üstökösön. Nagy irodaházak automatizálására Ebben az esetben például kiválóan alkalmas a környezeti adatok (hőmérséklet, páratartalom, széndioxid) begyűjtésére a szenzorok segítségével, majd ezen adatok felhasználásával a központi egység a fűtést, hűtést, ablakok vezérlését oldhatja meg. Gyárak automatizáltságának energia csökkentésére Gyárak automatizálásánál nagyon jól használható például olyan gyártósornál, ahová nem folyamatosan érkezik a termék, hanem mondjuk percenként, és akkor egy nyomásérzékelőn áthaladva felébreszti a ZigBee stack-et, ami aktiválja a szenzor rendszert, és ezek után le kell olvasni a vonalkódját, vagy engedélyt kell adni a következő gép munkafolyamatának az elvégzésére. A ZigBee akár a futószalagot is vezérelheti, aminek így nem kell folyamatosan működtetni. Távirányítókhoz Olyan távirányítók létrehozására, melyek minden eszközzel, amelyikben van megfelelő chip, tudnak kommunikálni anélkül, hogy rálátnának, így a hatósugáron belül bárhonnan, kis energiafelhasználással, lehetne vezérelni bármely elektromos eszközt. Egészség ügyi eszközökben Például a betegek a kórház területén szabadon mozoghatnak úgy, hogy közben folyamatosas figyelik, a vérnyomásukat, cukorszintjüket, pulzusszámukat és ezeket az adatokat folyamatosan kiértékelik. Világításvezérlésre Házon, vagy irodaházon belül az összes ZigBee Chippel rendelkező lámpa vezérelhető, és figyelhető, így például nagy irodaházban a használaton kívüli világító testeket távolról lekapcsolható. Családi házak automatizálására 20

Az irodaházaknál lévő felhasználáson kívül lehet például jelenlét érzékeléssel csökkenteni az elektromos áram használatot, vagy a fűtés vezérlését a felhasználói szokásokhoz igazítani, így a lakóteret mindig az optimális hő tartományban tartani. Esetleg az illetéktelen behatolást jelezni. 10. Zigbee-vel és ZigBee Pro-val kompatibilis eszközök (2,4 GHz-hez) [9] Számos eszközt fel lehet okosítani egy mikrochippel, és természetesen a hozzátartozó áramkörrel, mely a ZigBee vagy ZigBee Pro segítségével kommunikál. Például, ahogy fentebb is említem, a világítástechnikában, lehet ZigBee-s chip használatával távolról vezérelni az iroda, vagy lakás lámpáit, egy szintén ZigBee-s távirányító, vagy esetleg okostelefon segítségével is. Ilyen chip lehet például: 10.1 CC2531-as chip: 19 darab GPIO (General Purpose Input Output)- vagyis ki és bemenetként is használható digitális lába van, 8051-es mikrokontroller van beágyazva, Flash memóriája maximum 256 KB lehet, 8 KB RAM memóriával rendelkezik, Perifériája lehet SPI, UART vagy USB, Három féle időzítője van: 1 db 16 bites; 3 db 8bites és egy alvóállapot időzítője, 8 csatornán 12 bites AD átalakítóval rendelkezik, Adatfogadáskor felvett árama 20,5mA, Alvó módban 0,4 μa folyik rajta, -40 C-tól 125 C-ig képes a működésre, Maximális adatátviteli sebessége 250 kb/s, Jellemző szoftvere a Golden Unit Z-Stack, Adattitkosítási eljárása AES (Advanced Encryption Standard), Ára 2000-2500 Ft között van, a beszállítótól függően. 21

10.2 CC2530-as chip: 21 darab GPIO, 8051-es mikrokontroller van beágyazva, Flash memóriája maximum 256 KB lehet, 8 KB RAM memóriával rendelkezik, Perifériája lehet SPI, UART, Három féle időzítője van: 1 db 16 bites; 3 db 8bites és egy alvóállapot időzítője, 8 csatornán 12 bites AD átalakítóval rendelkezik, Adatfogadáskor felvett árama 20,5mA, Alvó módban 0,4 μa folyik rajta, -40 C-tól 125 C-ig képes a működésre, Maximális adatátviteli sebessége 250 kb/s, Jellemző szoftvere a Golden Unit Z-Stack, Adattitkosítási eljárása AES (Advanced Encryption Standard), Megvalósítható topológiák: Szövevényes (Mesh), Csillag (Star) és Pont-pont, Ára 1800-2000 Ft között van, beszállítótól függően. 10.3 CC2538-as chip: 32 darab GPIO, ARM Cortex-M3-as van bele integrálva, Flash memóriája maximum 512 KB lehet, Maximum 32 KB RAM memóriával rendelkezik, Perifériája lehet SPI, UART, SSI, I 2 C, Három féle időzítője van: egy alvóállapot időzítője és 8 db 16 bites vagy 4 db 32 bites, 8 csatornán 12 bites AD átalakítóval rendelkezik, Adatfogadáskor felvett árama 20 ma, Alvó módban 1,3 μa folyik rajta, -40 C-tól 125 C-ig képes a működésre, Maximális adatátviteli sebessége 250 kb/s, 22

Jellemző szoftvere a Golden Unit Z-Stack, a Foundation Firmware és a MAC Software Stack, AES-128/256 (Advanced Encryption Standard), SHA2 (Secure Hash,Algorithm), RSA (Rivest-Shamir-Adleman), titkosítási eljárásokat és ECC-128/256 (Error Correction Code) kódjavítási eljárást használ, Vezeték nélkül fejleszthető, Megvalósítható topológiák: Szövevényes (Mesh), Csillag (Star) és Pont-pont, Ára 2000-2500 Ft között van, beszállítótól függően. 11. A megvalósítani kívánt eszköz jellemzése A cél egy olyan mérő és adatgyűjtő eszköz megtervezése és megépítése, ami képes páratartalom, hőmérséklet, fény- és villamos teljesítmény mérésére is. Továbbá az, hogy ennek megvalósítási és üzemeltetési költsége minél alacsonyabb legyen. Fontos, hogy tudjon kommunikálni egy központi egységgel. Mivel ezt a mérőegységet már megépített, kész családi házak, irodahelyiségek automatizálására szeretnénk felhasználni a továbbiakban, ezért nem célszerű táp és jel vezetékekkel rendelkeznie, így valamilyen vezeték nélküli protokollt kell használnia a kommunikáláshoz. Jelentős az is, hogy a mérőeszköz mobilizálható legyen és minél kisebb mérettel rendelkezzen, részben azért, mert a teljesítmény mérésére már létező, kereskedelmi forgalomban lévő eszközt választottam, és ennek a dobozába fogom beleépíteni a többi szenzorhoz és a teljesítménymérő jelének továbbításához szükséges áramkört is. Továbbá azért, mert a későbbiekben csatlakozhatnak még más szenzortömbök is a hálózathoz, így amikor ezt a kommunikációs rendszert választottam, azt is figyelembe vettem, hogy könnyű-e új eszközt a rendszerhez csatlakoztatni, illetve mennyire felhasználóbarát a kezelése. A vezeték nélküli átvitelnél a rádiófrekvenciásra gondoltam, mert a rendszerünk kiterjedésének biztosan megfelel, és nem igényel közvetlen rálátást az eszközök között, valamint nem akadályozzák a falak. Ez a szenzortömb nem igényel folyamatos mintavételezést, és kommunikációt a központi egységgel, hiszen a páratartalom, hőmérséklet nem változik jelentősen másodpercenként, valamint a villamos teljesítménynek nem a pillanatnyi értéke a meghatározó, hanem a 23

fogyasztás, ami az impulzusokkal arányos, a fény mérésével pedig azt akarjuk vizsgálni, hogy fel van-e kapcsolva a lámpa, vagy nincs, amit szintén nem kell real-time üzemmódban vizsgálni. Nincs szükség nagy adatforgalomra se. Ezért a hálózat megvalósításához elég egy kis adatátviteli sebességű kommunikációs protokoll. A 2,4 GHz-es ISM sávot használó ZigBee kommunikációs rendszert választottam, mert az a fenti feltételeknek megfelel, azaz könnyű telepíteni, és költséghatékony is. Ad-hoch önszervező hálózat, mely lehetővé teszi az újeszközök automatikus hálózathoz való illesztését. A hálózat végpontjai (RFD-k) el tudnak menni alvó állapotba, így energiatakarékos, és akár hónapokat, vagy éveket is kibírhatnak egy teleppel, egy ilyen végpont lesz az általam megépített áramkör is. Tehát olyan szenzorokat kellett keresni melyek szakaszos üzemmódot is támogatják, és gazdaságosan megépíthető belőlük a tervezett áramkör. 12 Felhasznált szenzorok és mikrochip kiválasztása, tulajdonságaik. 12.1 Fényérzékelő: [10] Összetett fényérzékelő a például a BH1750FVI fényérzékelő mikrochip, ami16 bites I 2 C busz rendszeren keresztül tud kommunikálni, és az emberi szemhez közeli spektruma van. Alacsony fogyasztású, és van alvó állapota. A Chip maga 2-3,6V közötti táplálást igényel, pont úgy, mint a CC2530-as ZigBee stack. Azonban nekünk nem szükséges a teljes spektrumot látni, elegendő csak azt detektálni, hogy fel van-e kapcsolva a lámpa, vagy nincs, ezért egy egyszerűbb, olcsóbb eszköz is megfelelő a méréshez. Egyszerű fényérzékelő lehet például: Fotoellenállás, mely a fény hatására változtatja az ellenállását, erősebb fény hatására csökkenti azt. Azonban ennek kell tápellátás és egy komparátor, erősítő a kimeneti jelének a chiphez való illesztése érdekében. Fototranzisztor Fotodióda, a fotodióda és a fototranzisztor is pn átmenetet tartalmazó fényérzékelő, mely előfeszítést igényel a helyes működéshez Fényelem, ez feszültséget állít elő fény hatására, mely akár a 0,7 V-ot is elérheti, azaz nem kell külön tápellátás hozzá. Érzékenységi spektruma az emberi szemhez hasonló, alapanyagától függően. 24

Fényelemet használtam fel az áramkörhöz, mert az nem igényel előfeszítést. [10] 12.2 Villamos-teljesítmény mérő [11] Merox gyártmányú EMT717ACTL típusú villamos teljesítmény mérőt választottam, a beszerezhetősége, az ára, (ami 4600-5000 Ft), továbbá a szerelhetősége miatt, és a szenzorok jelét feldolgozó ZigBee-s chippel ellátott áramkör beleépíthetősége miatt. Valamint azért, mert a benne lévő ADE 7755-ös chiphez könnyű hozzáférni, és csatlakozni a teljesítmény-impulzus kimenetére (a CF nevű 22-s lábára), a számomra kellő jelet, és feszültség szinteket nem csak közvetlenül a chipről, hanem a teljesítménymérő paneljének az LCD paneljéhez való csatlakozásánál (PULS, GND és VCC pad-ekről) is le lehet venni. A Merox teljesítménymérő adja az áramköröm védő és rejtő csomagolását is, és ennek a külső oldalán fognak elhelyezkedni a mérőszenzorok. 8. ábra: A MEROX gyártmányú villamos teljesítménymérő [11] Az ADE 7755-ös chip akkora frekvenciát ad ki magából, amekkora a mért villamos teljesítmény, 1:1 arányban. Az impulzusok számából, és periódus idejükből kwh-át könnyen számíthatunk, az impulzus darabszámát megszorozva 3,6-tal. Korlátja: 5W alatt nem képes mérést végezni. 25

12.3 Páratartalom- hőmérsékletérzékelő [12] AM2303/DHT22 páratartalom és hőmérsékletérzékelő szenzort választottam, azért, mert ez digitális jelet ad ki, energiatakarékos, amikor nincs rajta adatforgalom, akkor alvó állapotba vált, emiatt jól illeszthető a ZigBee-s rendszerekhez. 9. ábra: Az AM2303-as szenzor [12] Tulajdonságai: Digitális ki- és bemenettel rendelkezik. Pontos értékeket ad, és nagy az öregedési ideje. A páratartalom mérő driftje 0,5 %RH/év a hőmérő driftje 0,1 C/év. A páratartalom mérő pontossága 2%RH a hőmérséklet mérő pontossága 0,3 C. A páratartalom mérés 0-99,9 %RH tartományban történhet, a hőmérés pedig lehetséges -40 C-tól 125 C ig. SHT21-es páratartalom és hőmérsékletmérő a magja, ami I 2 C interface-szel rendelkezik, OTP (egyszer programozható ROM memóriával). Benne található a kapacitív páratartalom érzékelő és a band gap (energiasáv rés, rétegek közötti tiltott sáv alapján működő) hőmérsékletérzékelő. Négy kivezetéses, ebből az első a bemeneti tápfeszültség (VDD), ennek 3,3-5,5V között kell lennie. A második lábon történik a kétirányú adatforgalom az egyvezetékes buszon (SDA) keresztül. A harmadik lába üres, vagy szűrő kondenzátoron keresztül csatlakozhat a földhöz, az esetleges lebegésből adódó zavarok elkerülése érdekében. A negyedik láb a földhöz (GND) csatlakozik. 26

10. ábra: Az AM2303-as szenzor lábkiosztása [12] 12.3.1 Az érzékelő kommunikációja: Az AM2303/DHT22 kommunikációja a CC2530 chippel egy darab buszon történik, halfduplex módban. Azaz egyszerre csak egyik irányba megy a jel. A kommunikáció indítása a vezérlőtől küldött minimum 800μs-os alacsony szintű jellel történik (start signal), ez kapcsolja át a szenzort alvó állapotból nagysebességű üzemmódba, és felszólítja a szenzort az adatok előkészítésére, elküldésére, majd elengedi az adat buszt. Ekkor a szenzor 80μs-ig alacsony szintű jelet (a busz törlése), majd 80μs-ig magas szintű jelet (adat indítót) küld az SDA-n keresztül a mikrovezérlő felé, ezzel jelezve az adatok küldésének megkezdését. Ezután 40 bitnyi adatot küld a mikrovezérlőnek. Először a 2 bájtos páratartalom jel első bájtját, utána a második bájtját küldi, ezután a 2 bájtos hőmérséklet érzékelő felső bájtját, majd ennek az aló bájtját küldi el. A folyamatot lezárja a paritás ellenőrző bájttal. A 11. ábrán látható az adatforgalom elvi működése, ahol a > jel, és a < jel az adatáramlás irányát mutatja. Start jel > < < < Pára felső bájt < Pára alsó bájt < hő felső bájt < hő alsó bájt < paritás ellenőrző 11. ábra: Az adatforgalom elvi működés [12] A páratartalom jel 16 bit-re van felbontva, a küldött érték tízszerese az aktuális páratartalom érzékelésének, mint ahogy a hőmérséklet mérés eredménye is. A hőmérséklet mérés jelének a legnagyobb bitje (15-s bit) jelzi azt, hogy a hőmérséklet pozitív vagy negatív értékű, ha 1-es értékű, akkor a hőmérséklet negatív, ha 0 az értéke, akkor pozitív. A 14-s bit és a 0-s bit között adja a hőmérséklet értékét. 27

A karakterlánc tartalmaz még paritás biteteket is, ami a magas szintű páratartalom, alacsony szintű páratartalom, magas szintű hőmérséklet és alacsonyszintű hőmérséklet jelének összege. Miután elküldte az adatokat, és a mikrokontroller a paritás bitet megfelelőnek találta, azután a szenzor automatikusan visszatér alvó állapotba és várakozik a következő kommunikációra. 12. ábra: A szenzor valós működése [12] 1. táblázat: A 12. ábra jelmagyarázata, az egyes részek időtartalma [12 ] A 12. ábra szemlélteti az AM2303-as szenzor kommunikációjának a működését, látható az is, hogy az, hogy 1 vagy 0 értékű a bit az nem attól függ, hogy magas vagy alacsony szinten van -e, hanem, hogy mennyi ideig van a bizonyos szinten. Az adatok kezelésére, kalkulálására példa: A 40 bites fogadott adat: 0000 0010 1001 0010 0000 0001 0000 1101 1010 0010 magas alacsony magas alacsony paritást jelző szintű szintű szintű szintű bit páratartalom 8-8 bitje hőmérséklet 8-8 bitje 28

Paritás bit = 0000 0010 + 1001 0010 + 0000 0001 + 0000 1101 = 1010 0010 A páratartalom értéke ebből = 0000 0010 1001 0010 = 0292 (Hexadecimálisan) = 2*256 + 9*16 + 2 = 658 A páratartalom tényleges értéke: 65,8% RH A hőmérséklet értéke = 0000 0001 0000 1101= 10D (Hexadecimálisan) = 1* 256 + 0*16+13 =269 A hőmérséklet tényleges értéke: +26,9 C. Ha a hőmérséklet 0 C alatt van, akkor a következő módon néz ki a 16 bit. Például a -10,1 C esetén =1 000 0000 0110 0101, itt a legnagyobb helyi értékű bit (a 15.) jelzi, hogy pozitív (=0), vagy negatív (=1), itt =1 az érték, a maradék 15 bit értéke pedig 0065 (Hexadecimálisan) = 6*16 + 5=101 a hőmérséklet tényleges értéke -10,1 C. Példa a nem megfelelő adatcsomagra: Fogadott 40 bit: 0000 0010 1001 0010 0000 0001 0000 1101 1011 0010 magas alacsony magas alacsony paritást jelző szintű szintű szintű szintű bit páratartalom 8-8 bitje hőmérséklet 8-8 bitje Paritás bit számolása: 0000 0010 + 1001 0010 + 0000 0001 + 0000 1101=1010 0010 a paritás számolt értéke, ami nem egyezik a küldöttel, ami 1011 0010, ekkora mikrokontroller újraküldeti a szenzorral az adatcsomagot. 12.4 A külvilág adatait kezelő mikrochip [13] A CC2530-as ZigBee-s kommunikációjú chipet találtam ideálisnak a feladatra, a kedvező ára és tulajdonságai miatt úgy, mint a lábszám és az időzítők száma. Ez egy rádió frekvenciás adóvevő egybeintegrálva egy 8051-es mikrokontrollerrel, 8 kbos RAM memóriával és 32, vagy 64, vagy 128, vagy 256 kb-os Flash memóriával, valamit számos perifériával. 2,4GHz-el kommunikál más eszközökkel, a ZigBee-s kommunikációs protokoll alkalmazásával. 29

Ez a chip alkalmas az energiatakarékosságra, hiszen mikor épp nincs adatforgalom rajta, akkor alvóállapotba kerül, ahol 0,4 μa az áramfelvétele. Működéséhez egy 32 MHz-es és egy 32 KHz-es oszcillátort kell csatlakoztatva a Chiphez, ezek gondoskodnak az órajeléről, az előbbi az ébrenléti állapotban, az utóbbi az alvó állapotban. 12.4.1 CC2530-as chip lábkiosztása 13. ábra: A chip lábkiosztása felülnézetben [13] 21 darab GPIO lábbal rendelkezik, ezek a következők: P2.2 és P2.3-as port vagyis 32-es és a 33-as láb nem csak digitális ki- és bemenetként hanem analóg ki- és bemenetként, valamint a 32 khz-es kvarc oszcillátor csatlakozási pontjaiként is használható. P0.X-es portok AD konverterrel is el vannak látva, ezek a következők: P0.7-es port, 12-es láb kivezetés P0.6-os port, 13-as láb P0.5-ös port, 14-es láb, analóg komparátorként működtethető P0.4-es port, 15-ös láb, analóg komparátorként is működtethető 30

P0.3-as port, 16-os láb P0.2-es port, 17-es láb P0.1-es port, 18-as láb P0.0-ás port, 19-es láb P1.0-ás port, a 11-es lábkivezetéssel és a P1.1-es port 9-es lábkivezetéssel 20mAes vezető képességgel rendelkezik, míg az többi I/O csak 4 ma-essel P1.2-es portól a P1.5-ös portig, vagyis a 8-es lábtól az 5-ös lábig, és a P1.6-tól a P2.2-es portig vagyis a 38-as lábtól a 34esig általános digitális ki-bemenetek találhatók. 4 darab GND lábbal rendelkezik, melyek a chip 1-es 2-es 3-mas és 4-es lábai, valamint a chip alja is földre van kötve. Több digitális és analóg táp bemenettel rendelkezik: DVDD2, 10-es lábkivezetés, DVDD1, 39-es láb ezek 2V és 3,6V közötti digitális tápkapcsolatot biztosítanak a chip magjával DCOUPL, 40-es lábkivezetéssel, 1,8V-os digitális tápellátást ad, és nem szabad külső eszközök meghajtására használni. AVDD5, 21-es láb; AVDD2, 24-es láb; AVDD2 27-es láb; AVDD1, 28-as láb; AVDD4, 29-es láb; AVDD6, 31-es láb 2V és 3,6V közötti tápkapcsolatot biztosít. Az RBIAS láb, 30-es kivezetés, egy analóg be- és kimenet, melyre egy viszonylag nagy értékű (47kΩ-től 68kΩ-ig) ellenállás kell csatlakoztatni, a referencia érték, a munkapont beállítására. A RESET_N láb a 20-as kivezetésen, alacsony szintre aktív digitális bemenet, a chip felprogramozásához szükséges. Az RF_P és RF_N, avagy a 25-ös és 26-os lábak nyújtanak lehetőséget a rádiófrekvenciás kommunikáció megvalósítására, mind a kettő be- és kimenet is, de az RF_P a pozitív rádió frekvenciás jelet ad az LNA-nak (az alacsony zajú erősítőnek) az adatok fogadása alatt, és pozitív jelet vesz le a PA-ról (a teljesítmény erősítőről) a kibocsájtás ideje alatt, míg az RF_N ezt a negatív rádiófrekvenciás jellel teszi. A 32MHz-es ébrenléti órajelet biztosító kvarc oszcillátor bemenete az analóg be- és kimenetként is használható 22-es és 23-as láb, avagy a XOSC_Q1 és a XOSC_Q2-es nevű lábak. 31

13 Az áramkörre tervezett IC-k 13.1 LM358N [14] 14. ábra: Az LM358N lábkiosztása [14] Dip8-as tokozással rendelkezik, 2 erősítő található benne. Megtáplálása a 8-as lábon 3-32V-os tartományban történhet, tápfeszültsége lehet szimmetrikus(-16v..+16v), vagy földhöz viszonyított (0 32V). A bemeneti jel feszültség szintje -0,3V-tól 32 V-ig terjedhet. Ez az IC egy helytakarékosabb megoldás miatt végül nem lett felhasználva. 13.2 LP2985 [15] SOT-23-as tokozású alacsony zajú IC, mely az 5 V- ról 3,3V-ra való konvertálást viszi végbe. 15. ábra: Az LP2985 lábkiosztása [15] VIN lábára kell az átalakítani kívánt feszültség értéket vezetni VOUT lábán adja ki a redukált feszültséget. Az on/off az engedélyező lába (kapcsolásomon, egyenlő az 5V-os tápfeszültséggel), és a BYPASS láb a rákötött kondenzátor (ami a kapcsolásomon 10nF) segítségével, lehetőséget ad az alacsony zajú működésre. 32

Blokk diagramja: 16. ábra: Az LP2985-ös blokk diagramja [15] Ez az IC is képes alvó állapotba kerülni, ha az on/off lába alacsony szintre kerül, ekkor kevesebb, mint 2μA folyik a rajta, de mivel a kapcsolásomon a táp ellátása és az engedélyező jel ekvipotenciálon van, így az IC teljesen kikapcsol, ha a teljesítmény nem üzemel. 14. Az egyes elemek és jelüket feldolgozó áramkör rajzolata A végleges, teljes kapcsolási rajz, valamint a NYÁK terv az 1. és 2. mellékletben található. 14.1 Fényelem, és a jelét feldolgozó áramkör A fényelem, mint már fentebb említettem, fény hatására feszültséget ad ki magából. Kezdetben a következő féleképpen gondoltam a feszültség változásának a feldolgozását: 33

17. ábra: A fényelem és a hozzátartozó áramkör Ez a kapcsolási rajz áll a fényelemből, az LM358N-as erősítőből, egy tokban két erősítővel, amiből csak az egyik erősítési fokozatot használom fel, egy 6mm-es 5 kω-ig feltekerhető trimmer potenciométerből és 4darab 0402-es méretű ellenállásból. Az áramköri rész előfeszítettsége 5V, a föld és 5V között, ami azért ésszerű érték, mert a teljesítménymérő chip-je is 5 V-os tápfeszültséggel üzemel, így a teljesítménymérőről le lehet venni a tápfeszültséget illesztő áramkör nélkül. A fényelem fényhatására történő feszültség kibocsájtását mérve állítható be a trimmer potenciométeren a komparálási szint, amelytől az erősítő logikai magas szintet ad a CC2530-as chipnek. A CC2530-as a saját tápfeszültségének 75%-tól érzékeli a bemenő jelet logikai 1 -nek, ami 2,475V, mivel a chip tápfeszültségének értéke 3,3 V. A komparálás beállításához próbaméréseket hajtottam végre egy szobában, a következő eredményeket kaptam: Felkapcsolt lámpánál, szórt fény esetén: 0,4011 V Lekapcsolt lámpánál (csak az ablakon át szűrődött át fény) : 0,394 V Sötét sarokban: 0,336 V Ha a felkapcsolt lámpa irányába néz a fényelem: 0,428 V Ezek alapján arra a következtetésre jutottam, hogy 0,4V az a határ körülbelül a fel- illetve lekapcsolt lámpa között. E szerint a feszültségszint szerint a potenciométer értékét 34

körülbelül 4,1 kω-ra kell állítani. A komparálási szintet beállító ellenállások kiszámítása a következő féleképpen nézett ki: A tápra felhúzó ellenállásnak (a képletben Rx) különböző az E 12-s ellenállás sorban előforduló értékeket helyettesítettem be, majd minden egyes alkalommal a feszültség osztó képletéből 5V R y az Ry:= a potenciométer értékével. Például a képlet alapján: = 0,4V R R y +R y = 0,08 R x x 0,92 ; ahol Rx := a felhúzó ellenállással, és Ha a felhúzó ellenállás 39kΩ, akkor a potenciométert 3,391 kω-ra kell állítani, ahhoz, hogy 0,4V-nál komparáljon. Ha a felhúzó ellenállás 47 kω, akkor a potenciométert 4,086 kω-ra kell állítani. Ha az ellenállás értéke 56 kω, akkor a potméter értéke 4,869 kω Én a 47 kω-os megoldást választottam. A 10kΩ-os ellenállás az erősítő előtét ellenállása. Az erősítő kimenetén a 39 kω-os ellenállás arra szolgál, hogy a komparáláskor a kimenet pont a ZigBee-s chip bemeneti magas feszültség szintjéhez illesztett jelet adjon ki. Ennek a szimulációját a következő ábra mutatja: 18. ábra: A fényelem áramkörének szimulációja 35

Ez azért nem állja meg a helyét, mert a chip tápfeszültségének 25%, azaz a logikai 0 és a tápfeszültség 75%-a,azaz a logikai 1 közötti tiltott sávban is ad ki jelet, és ekkor nem lehet tudni, hogy minek fogja érzékelni a chip a kapott értéket. Ezt Schmitt- triggerrel lehetne kiküszöbölni, amihez felhasználható a második erősítő, a tokban, vagy pedig szoftveresen lehetne megoldani. Ez egy működő áramkör, de sok helyet foglal, és mivel az áramköröm fizikai méretei nem haladhatják meg a 3*4 cm-t, ezért ez jelentős probléma. Így a fényelemet közvetlenül a chipben található egyik AD konverterrel ellátott lábra kötöttem (a P0.0-ra), és szoftveres úton lesz megoldva meg a jel a kiértékelése. Egy lehetséges megoldás a fényelem jelének egy bizonyos feszültség szint fölötti kezelésére bool light_ison (void) { return (bool) ( trim < ADC_customread()); //komparálás } Ahol a trim egy előre definiált változó. Ekkor a program, mikor az AD konverter értéke nagyobb egy beállított trimmer értéknél, ad egy bool értéket, azaz beállítástól függően, vagy egyet vagy 0-t. A szoftveres megoldás előnye az, hogy így későbbiekben a központi egység állíthatja be a trim az érzékelési szint értékét. Azonban ez a program nagyon könnyen hibára futhat, ha a fényelem feszültsége pont 0,4 V. Ezért hiszterézises komparálással kellene megoldani, két trim értékkel, és két változóval, ami tárolja az előző állapot értékét. Az áramkör részlet programmal való kiváltása, nem csak a felhasznált teret csökkenti, hanem a költségeket is. Ha sorozatgyártásra kerülne sor a jövőben, akkor az eszköz árát a szoftveres megvalósítással szemben a 24 477 Ft plusz költséget jelentene 100db áramkör esetén a hardveres megvalósítás. Ennek a számítását mutatja be a következő táblázat: 36

2. táblázat: Hardveres megoldás árkalkulációja Alkatrész Piher Spain 5 kω-os ellenállás 4 db ellenállás egység ár 100 db ára 200 Ft 20 000 Ft 4*1,37= 5,48 Ft 548 Ft LM358N 39,29 Ft 3 929 Ft A teljes: 244,77 Ft 24 477 Ft Persze a legtöbbször ezeket az ellenállásokat csak nagy tételben (min 500 db) lehet beszerezni, így ez nem mérvadó Természetesen ebből is 20 darabot adnak el minimum Továbbá a szoftveres úton történő mérés sokkal szofisztikáltabban kiértékelhető, mint egy diszkrét értékkel beállított hardveres megoldás esetén. A fényelem jelének feldolgozására szolgáló áramkör: 19. ábra: A fényelem helye, és a CC2530-ashoz való csatlakozási pontja A fényelem a chip 19. lábára, azaz a P0.0-ás portra van kötve, mert az rendelkezik AD konverterrel. A hardveres fényelem áramkörnél a fényelemet még a panelre terveztem beültetni, itt azonban csak két forrszemet helyeztem el a vezetékek számára, amivel bekötöm a doboz elejébe elhelyezett érzékelőt. 37

A későbbiekben természetesen az épület falain kívül, a szabadban is el lesz helyezve egy érzékelő tömb, ami szintén kommunikál majd a központi egységgel. Így el tudja majd dönteni, hogy világos van-e odakint, és kell-e foglalkoznia a belső világítással vagy sem. 14.1.1 A fényelem helye a NYÁK terven: 20. ábra: A fényelem helye a NYÁK terven Az egyik forraszem a CC2530-as chiphez, míg a másik a földfóliához kapcsolódik. 38

14.2 AM2303 avagy a DHT22-es szenzor és áramköre 21. ábra: A páratartalom és hőmérsékletérzékelő, és áramköre A kapcsolási rajz-részlet az AM2303-as szenzor adatlapjának [12] ajánlása szerint áll egy 10 kω-os ellenállásból, ami a 3,3 V értékű tápfeszültség és az adat busz között helyezkedik el, és a felhúzó ellenállás szerepét tölti be. Tartalmaz két darab 1 μf-os szűrő kondenzátort és természetesen magát a páratartalom és hőmérsékletmérő szenzort. A Null kivezetés szabadon is hagyható vagy egy szűrő kondenzátoron keresztül a földre csatlakoztatható, én az utóbbi megoldást választottam, a nagyobb stabilitás miatt. A szenzor chiphez való csatlakoztatása, a chip 13-as lábán, a P0.6-os porton keresztül történik, ahogy ezt a 22. ábra is szemlélteti. 39

22. ábra: A DHT22-es szenzor megfelelő kivezetésének a chiphez való csatlakozása 14.2.1 Az AM2303-as szenzor elhelyezkedése a NYÁK rajzolatán 23. ábra: A páratartalom és hőmérsékletérzékelő helye a NYÁK-on A 23. ábrán láthatjuk az AM2303-as szenzor négy lábának szánt pad-eket, illetve a 3,2- es furatot, ami a panel a doboz fala és a szenzor közötti mechanikai kapcsolat megvalósítását teszi lehetővé. A pad-ek sorrendje úgy van tervezve vannak arra, hogy a szenzort a bottom oldal felől fogom beültetni. 40

14.3 A villamos teljesítménymérő jelét feldolgozó áramkör A teljesítménymérő a mért teljesítménnyel 1:1-ben arányos frekvenciát ad ki magából 5V-os amplitúdóval, amit illeszteni kell a ZigBee-s chip bemenetéhez, ami maximum 3,9 V-t tolerál. Az illesztő áramkör áll egy 10 kω 5 V-ra felhúzó ellenállásból és egy 10kΩos 3,3V-ra felhúzó 0402 tokozású ellenállásból, valamint egy BC847 NPN tranzisztorból, aminek a tokozása SOT23-as. Az illesztő áramkört a 24. ábra mutatja be. 24. ábra: A teljesítménymérő jelét a CC25330-as chiphez illesztő áramkör 41

A kapcsolás működését a következő szimulációról készült kép szemlélteti: 25. ábra: A teljesítménymérő jelét illesztő áramkör szimulációja (400 Hz esetén) A szimuláción a zöld diagram a tranzisztor kollektoráról levett jel, a piros pedig a bemenetként szolgáló szinusz generátorról levett jel, melynek amplitúdója 2,5 V, 2,5 V- os offset-tel, és frekvenciája 400 Hz, azaz egy olyan esetet modellez, mikor a teljesítménymérő 400W-ot mér. A szimuláción is látszik, hogy a tranzisztor ebben az esetben inverterként működik. Ha a teljesítmény 20W, azaz 20 Hz-es a bemeneti jel, akkor a következő szimulációs eredményt kapjuk. 42

26. ábra: A teljesítménymérő jelét illesztő áramkör szimulációja (20 Hz esetén) A 3,3V-ra felhúzó 10KΩ ellenállás lényege az, hogy az inverter alacsony szintjét a 0 feszültség értéken tartsa, és az alacsony és magas szint közötti átmenet minél gyorsabban, meredekebben megtörténjen. A teljesítménymérőből kapott jel a ZigBee-s chiphez való illesztése után a ZigBee-s chip 12-es lábára, azaz a P0.7-es portra csatlakozik, ezt mutatja a következő ábra: 27. ábra: A teljesítménymérő jelét illesztő áramkör csatlakozási pontja a CC2530-as chiphez 43

14.3.1 A teljesítmény mérő impulzusának feszültségszintjét a ZigBee-s chip feszültség szintjéhez illesztő áramkör a NYÁK terven 28. ábra: A teljesítménymérő illesztő áramköre a NYÁK rajzolaton 14.4 Az áramkör még nem említett részei 14.4.1 A teljesítmény mérőről levett 5V a ZigBee-s chiphez való illesztése A két áramkör feszültségszintjének illesztés az LP2985-ös IC segítségével történik, a kacsolás ezenkívül áll még három darab kondenzátorból, melyek a szűrés feladatát látják el, valamint ezek felelnek az áramkör stabilitásáért, és a kicsi időbeli érték változásáért, így ezeknek a kondenzátoroknak, nagy stabilitással kell rendelkezniük. A föld és a bemenet közötti kondenzátor kapacitásának nagyobbnak kell lennie, mint 1μF. A kimeneten lévő kondenzátor kapacitásának minimum 2,2 μf értékűnek kell lennie, ennek nincs felső korlátja. A zajszűrő BAYPASS kondenzátornak értékének minimum 10 nfnak kell lennie, az adatlapja szerint[15]. A következő kapcsolási rajzon látható: 44

29. ábra: A feszültség illesztő regulátor és áramköre Kimenete, azaz a 3,3V csatlakozik a R2-es R5-ös R6-os és R10-es ellenálláshoz, a programozó csatlakozó megfelelő lábához, az AM2303 megfelelő lábához, és a C20-as, C12-es kondenzátorhoz, valamint a ZigBee-s chip 10-es, 24-es, 27-től 29-esig és a 31-es és 39-es lábkivezetésekhez. 14.4.1.1 A feszültség illesztő helye a NYÁK tervezeten 30. ábra: A feszültség illesztő a NYÁK rajzolaton A kapacitásoknak a hozzájuk kapcsolódó lábakhoz minél közelebb kell lenniük, a zavarok kiszűrése érdekében. Mind a három kondenzátor egyik vége a föld fóliához kapcsolódik. 45

14.4.2 Antenna Az antenna rész a CC2530-as ZigBee-s chip adatlapjának [13] ajánlása szerint épül fel, ezt prezentálja a következő kapcsolási rajz: 31. ábra: Az antenna ajánlott kapcsolása A kondenzátorok C0603-as tokozásúak, a tekercsek pedig H0603-as tokozásúak. 14.4.2.1 Az antenna a NYÁK-on 32. ábra: Az antenna és áramköre a NYÁK-on Az antennának, és a hozzátartozó áramkörnek minél közelebb kell lenni a CC2530-as chiphez, és egymáshoz is, mivel 2,4 GHz-es tartományban jelentős jelveszteséget okoz, 46

ha az alkatrészek nincsenek elég közel egymáshoz. Az áramkörnek hasonlóan kell lennie az elrendezésének, mint ahogy a chip kapcsolási ajánlásában van. Az antenna a zavarok csökkentésére, a panelon lévő áramkörök árnyékolására árnyékoló (shield) viákkal van körbevéve, ezek a földfóliával vannak villamos kapcsolatban. A magas frekvencia miatt, ilyen viákat érdemes elhelyezni a NYÁK területén is néhányat. 14.4.3 Oszcillátorok 14.4.3.1 32 khz-es oszcillátor Az áramkör két oszcillátort tartalmaz, az egyik a 32 khz-es kvarc oszcillátor, ami az alvó állapot órajelét szolgáltatja, enélkül a CC2530-as chip képtelen a standby üzemmódra. Ennek az oszcillátornak az áramkörét szemlélteti a 33. ábra: 33. ábra: A 32 khz-es oszcillátor áramköri rajzolata Ez az oszcillátor a chip 32-es és 33-as kivezetéséhez csatlakozik, avagy a P2.4 és P2.3-as portokhoz. Valamint a CC2530-as chip ajánlott kapcsolása [13] szerinti kettő darab15 pfos kondenzátorhoz. 47

14.4.3.1.1 A 32 khz-es oszcillátor elhelyezkedése a NYÁK rajzolatán 34. ábra: A 32 khz-es oszcillátor a panel tervezeten A C6-os C7-es kondenzátor közös vége a földhöz is csatlakozik. 14.4.3.2 32 MHz-es oszcillátor Az aktív áramkör órajelét a másik kvarc oszcillátor biztosítja, ami 32 MHz-es. Ennek az áramkörét mutatja a 35. ábra: 35. ábra: A 32 MHz-es oszcillátor a kapcsolási rajzon Ez az oszcillátor a chip 22-es 23-as lábához kapcsolódik, és az ajánlott kapcsolás szerint kettő darab 27pF-os kapacitású kondenzátorhoz. 48

14.4.3.2.1 A 32 MHz-es oszcillátor a NYÁK-on 36. ábra: A 32 MHz-es oszcillátor a NYÁK-on 14.4.4 A TC2030-MCP-NL típusú programozó kábel csatlakozója, és chiphez való csatlakozási pontjai 37. ábra: TC2030-MCP-NL és a csatlakozási pontok [16] 38. ábra: A programozó csatlakozási pontjai a CC2530-as chiphez 49

A csatlakozóból három vezeték megy a chip felé, a RESET_N, a P2.1 és a P2.2-es kivezetésekhez. A RESET_N láb egy 2,2 kω-os R0402-es tokozású ellenállással 3,3 V- os tápra van felhúzva, a kapcsolási ajánlás szerint, ahogy azt a 38. ábra mutatja. 14.4.4.1 TC2030-MCP-NL a NYÁK terven 39. ábra: A programozó csatlakozójának helye a NYÁK rajzolaton 14.4.5 Az áramkör magja, a CC2530-as chip Minden egyes 3,3 V-os táp csatlakozási ponthoz egy-egy 100 nf-os 0402-es tokozású kondenzátort helyeztem el a chip adatlapjának ajánlása szerint [13], ezek az esetleges zavarok kiszűrésére szolgálnak, így annál jobb, minél közelebb helyezkednek el az adott táp bemenethez. Valamint a P0.1-es porthoz, azaz a 11-es kivezetéshez egy állapot jelző zöld LED-et csatlakoztattam, a chip működésének figyelésére. Ezt szemlélteti a 40. ábra. 50

40. ábra: A CC2530-as chip és táp bemenetei 14.4.5.1 A CC2530-as chip és közvetlenül hozzátartozó áramkör a NYÁK rajzolaton 41. ábra: A chip és környezete A 100nF-os kondenzátoroknak minél közelebb kell elhelyezkedniük a 3,3 V-os tápra kapcsolódó chip kivezetésekhez. Ezeknek a kondenzátoroknak a másik vége a földfóliához csatlakozik 51

15 A teljes NYÁK terv 42. ábra: A NYÁK rajzolata A 43. ábra mutatja a NYÁK tervet az árnyékoló föld fóliával együtt: 43. ábra: A tervezett panel Top és Bot oldala 52

A 44. ábrán látható a tervezett NYÁK bottom oldala 44. ábra: A NYÁK Bottom oldala A táp vezetékeket 0,3048 mm szélességűnek terveztem, míg a többit csak 0,254 mmesnek. A funkciójuk szerint összetartozó alkatrészeket (például: a tápillesztő és kondenzátorai) igyekeztem minél közelebb helyezni egymáshoz. A panel tervezése során figyelnem kellett a toboz paramétereire is (például dobozfedél tartó oszlop és a doboz fala közé közvetlenül nem tervezhettem az oszcillátorokat). A panel 24 mm * 40 mm-es, és a DHT22-es szenzor lábaival és furatán keresztül lehet rögzíteni. Mind a két oldalán árnyékoló föld fólia helyezkedik el, az esetleges zavarok csökkentése érdekében, amik szerepe a nagyfrekvenciás áramkör miatt nem elhanyagolható. A NYÁK-on szintén a zavarok csökkentésére szolgálnak a shield viák, amik a föld fóliával érintkeznek. 16 Az áramkör fizikai megvalósítása 16.1. A NYÁK gyártás lépései A gyártás folyamata LPKF- típusú prototípus NYÁK gyártó segítségével történt. 1. lépés: A Gerber fájlok legenerálása, ezek szöveges fájlok, minden réteghez külön külön tartozik egy, tartalmazza az apertura kódokat és a koordinákat. A Gerber fájl tartalmazza a fúró fájlt, a furatok koordinátáival, átmérőjével, a rajzolati fájlokat, és a kontúrmaró fájlt. 53

2. lépés: A legyártani kívánt panelhoz méretileg megfelelő előrezezett FR4-es lemezt választani. Én 3 darab NYÁK-ot akartam egyszerre gyártani, és ehhez A/5-s lemezt választottam. 3. lépés: A gyártó fájlok betöltése az LPKF-fel kompatibilis programba. Ezek után a fiducial-ok meghatározása a programmal. 4. lépés: A fúró és kontúrmaró fájlnak megfelelő megmunkáló eszközök behelyezése az eszköztárba. 5. lépés: A kiválasztott kétoldalas panel elhelyezése az S 103-as LPKF kontúrmaró és fúró eszköz vákuum asztalán. Körülötte lévő részt le kell takarni azért, hogy a vákuum asztal koncentráltan tudja leszívni a panel lemezt, majd a panelt, csupán óvintézkedésként rögzíteni kell a vákuum asztalhoz ragasztó szalaggal, így biztos, hogy a panel nem tud elmozdulni sem fúrás, sem kontúrmarás közben. Ezt mutatja be a 45. ábra. 45. ábra: A panel rögzítése 54

6. lépés: A gép kifúrja, illetve kimarja a kellő számú és méretű furatot. 7. lépés: A panel kivétele a gépből. Majd a fúrás során keletkezett sorja óvatos eltávolítása dörzspapírral, hogy a hasznos rézfelületek ne sérüljenek meg. 8. lépés: Panel lemosása folyó vízzel, majd desztillált vízzel, ezután megszárítása. A galvanizálás megkezdése az LPKF ProConduct nevű 4 rekeszű géppel, melynek rekeszeiben a galvanizálás különböző fázisaihoz szükséges fürdők találhatók. [16] 9. lépés: Galvanizálás első fázisa: zsírtalanítás A panel a megfogóba illesztése, és az első fürdőbe engedése, ami egy 60-65 C-os zsíroldó oldat. Miközben behelyezzük a panelt érdemes egy kicsit odaütögetni a tartály oldalához, a légbuborékok megszűntetése végett, ez az összes galvanizációs fázisra igaz. Minimum 15 percet kell ebben a rekeszben töltenie. 46. ábra: A panel behelyezése az egyes fázisba 55

10. lépés: A panel kivétele az 1. rekeszből, és folyóvízzel, majd desztillált vízzel való átmosása, ezután magasnyomású levegővel való megszárítása. 11. lépés: A galvanizálás második fázisa: tisztítás A panel a második fürdőbe helyezése, ami ionizált víz tartalmú. A beengedés módszere ugyanaz, mint az első fázisnál. Itt 5 percet kell eltöltenie a panelnek. 12. lépés: Ugyanaz, mint a 10. lépés, azaz folyó vízzel való átmosás, desztillált, vagy ioncserélt vízzel való átmosás, és magasnyomású levegővel való szárítás. 13. lépés: A galvanizálás harmadik fázisa: aktiválás Ekkor a 3. rekeszbe engedjük bele a panelt, ugyanazzal a módszerrel, mint az előző fázisokban, ez a rekesz grafit és olaj tartalmú aktiváló szert tartalmaz. 15 percre kell itt hagyni a panelt. 14. lépés: A panel kivitele a 3. fürdőből, majd a fölösleges aktiváló szer eltávolítása a furatokból, VIA-ákból, ütögetéssel. Nagyon fontos, hogy maradnia kell a furatok falán aktiváló szernek, mert különben a lyukgalvanizálás nem lesz sikeres, csak az aktiváló szer buborékokat kell eltávolítani. 15. lépés: 4-5 percen keresztül 95 C-os hősugárzással megszárítani a panelon az aktiváló szert. 16. lépés A galvanizálás negyedik fázisa: Galvanizáció A galvanizáló áram meghatározása a következő diagram alapján történik: 56

47. ábra: A galvanizáló áram meghatározás a bemerülő felület alapján [16] (például egy 60 000 mm 2 es lemez galvanizáló árama 8,6 A) A panelemből 112 cm 2 -nyi felület ért bele a galvanizáló fürdőbe, így a diagramról leolvasott galvanizáláshoz szükséges áram 1,8 A. Ez a fürdő rézgálic oldatot tartalmaz. A galvanizáló, vagyis a 4. rekeszben először 45 percet kell eltöltenie. 17. lépés: A panelt kivenni az oldatból, először folyó víz alá tartva alaposan lemosni a rézgálictól, majd desztillált vízzel lemosni a csapvíztől, ezután magasnyomású levegővel megszárítani, kifújni a furatokból a vízcseppeket. 57

18. lépés: Újabb 45 percre visszahelyezni a 4. rekeszbe, de a 180 -kal elforgatva az előző rézfürdőben lévő állapotához képest. Természetesen itt is, mint a többi fázisban a légbuborékok eltüntetése érdekében, enyhén ütögetni kell az rekesz oldalához, behelyezés közben. 19. lépés: Ugyanaz, mint a 17. lépés, azaz mosás és szárítás. 20. lépés: A galvanizálás vizuális ellenőrzése a furatok falán. Ebben a stádiumban lévő panelt szemlélteti a következő ábra: 48. ábra: A panel a galvanizálás után 21. lépés: A galvanizált panel visszahelyezése az LPKF fúró és maró berendezésbe, ugyanolyan módon, mint ahogy először volt. 22. lépés: Referencia furatok (fiduciálok) megkeresése kézi vezérléssel, ha az LPKF kontúrmaró és fúró gép nem találja meg őket automatikusan. 23. lépés: Az S 103-os LPKF berendezés kimarja a vezető sávok kontúrját. 58

24. lépés: A NYÁK megfordítása, és a fiduciálok meglétének ellenőrzése, megkerestetése a géppel 25. lépes: Az S 103-os LPKF berendezés kimarja a másik oldal vezetősávjainak kontúrját és a nyák kontúrját is. 26. lépés: A NYÁK-ok szemrevételes vizsgálata, és rövidzárak és szakadások keresése multiméter segítségével. A VIA-ák ellenőrzése. A NYÁK-ok TOP oldala látható a 49. ábrán. 49. ábra: A panel kimarása utáni beültetési oldal A NYÁK-ok BOTTOM oldala pedig a 50. ábrán látható: 50. ábra: A panel alja a kimaratás után 59

27. lépés: Vegyi úton történő előónozás. Ehhez TN 160-as kémiai előónozó szert használtam, és mivel a szervezetre káros, így megfelelő óvintézkedéseket megtettem azért, hogy sem szemembe sem bőrömre ne kerülhessen ez a vegyszer. Az ónozás után a panelom TOP oldala ilyen lett: 51. ábra: Ónozás utáni TOP oldal Ezeken az ábrákon látszik a galvanizált és az eredeti rézfelület közötti különbség, valamint az a rész, amit a megfogó takart az ónozó szer elől. A BOTTOM oldal: 52. ábra: Ónozás utáni BOT oldal 28. lépés: Ónozás utáni vizuális ellenőrzés, továbbá multiméterrel történő szakadások és rövidzárak keresése. 60

16.2 Az áramkör kézi beültetése és forrasztása Először a CC2530-as chipet ültettem be, majd azokat az alkatrészeket, melyeket nehéz lett volna beültetni akkor, ha már vannak körülöttük más alkatrészek beforrasztva. A chip beforrasztása után denaturált szesszel lemostam a NYÁK-ot, majd eltávolítottam a forraszgolyókat, melyek zárlatot okozhattak volna. A következő kép szemlélteti az alkatrész elhelyezését: 53. ábra: Alkatrész beültetés Minden egyes forrasztott kötés kialakítása után multiméter segítségével ellenőriztem, hogy megfelelő-e a villamos kapcsolat, illetve, hogy nem okoztam-e zárlatot. Ahol hibát észleltem, ott újraforrasztással, vagy a szigetelő sávok tisztításával javítottam. A szenzorok beforrasztása előtti állapotot mutatja a 54. ábra: 54. ábra: Még szenzorok nélküli, de már beforrasztott NYÁK 61

A forrasztás után egy kis barkácsgéppel körülvágtam a NYÁK körvonalát. Majd miután a villamos teljesítménymérő burkolatát átalakítottam úgy, hogy panelem beleépíthető legyen, és a szenzorok is stabilan rögzítve illeszkedjenek, a fényelemhez csatlakozó föld illetve jel kábeleket forrasztottam rá a megfelelő forrszemekre. Fontos, hogy ez a lépés a DHT22-es szenzor beforrasztása előtt történjen meg, különben a NYÁK rögzítve lesz a doboz falához, és a doboz tartó, rögzítő oszloptól nem lehet majd hozzá férni a fényelem pad-jeihez. A fényelemet a panellal összekötő kábelének a méret kis ráhagyással méreteztem, azért, hogy a további forrasztások is lehetségesek legyen, és a teljesítménymérő tetejét, amibe a fényelem van ültetve csak akkor kelljen rátenni, ha már minden más is be van forrasztva, ezzel könnyítve meg a saját munkákat. Ezek után a teljesítménymérő panel VPULS kimenetéről levett jelnek a kábelét kell ráforrasztani a megfelelő forrszemre. A DHT22-es szenzor beforrasztása csak ekkor lehetséges, ezzel kerül fel az áramkör a doboz falár, ekkor már rögzíthető a 3-as furaton keresztül, a DHT22-es szenzor, a doboz fala és a tervezett áramkör, egy műanyag csavar segítségével. Azért van szükség arra, hogy a csavar műanyag legyen, mert az nem villamos vezető így nem jelenthet gondot, ha érintkezik a vezetősávokkal. Ezek után lehet beforrasztani a táp és föld kábeleket. A chip felprogramozását még a szenzorok beültetése előtt kell megtenni, mert különben nem lehet hozzá férni a TC2030-MCP-NL programozó kábellel. A táppontokra forrasztott tüskék a programozó munkáját könnyíti meg, azzal, hogy egyszerűen lehet rá 5V-os tápot kapcsolni, azonban a programozás után, érdemes ezeket leforrasztani, mert megnehezíti a szenzortömb összerakását, és a már amúgy is kicsi helyet csökkenti. Mikor az eszköz összerakásának a végére érünk, akkor a táp és föld kábelt direktbe kell a megfelelő forrszemekre forrasztani. A furatok illeszkedésének próbáját szemlélteti a következő kép, valamint a rendelkezésre álló teret és a doboztető tartó oszlopot: 62

55. ábra: A doboz falára helyezett panel A panel nem mehet fentebb (az 55. ábra szerinti pozícióból nézve) a doboz oldalán, mert, akkor a tartó oszlop a doboztetőn lévő ellenoldala fennakadna a CC2530-as chipen. A 56. ábra mutatja az összerakott, AM2303/DHT22-es szenzorral és fényelemmel bővített villamos teljesítménymérő dobozának a belsejét: 56. ábra: A teljesítménymérő dobozának belseje 63

A elölnézetben látható a 57. ábrán az általam összeszerelt doboz: 57. ábra: A villamos teljesítménymérő doboza 17. Tesztelés A szenzortömb és a központi egység felprogramozása nem az én feladatköröm volt, így csak a részegységek működését, villamos paramétereit volt lehetőségem tesztelni, a funkcionális működését az eszköznek nem. A tesztelés az eszköz kialakításával párhuzamosan történt. Először az LP2985-ös IC működését teszteltem. 5V-os tápegységet csatlakoztattam a panel megfelelő bemeneteire és megmértem a feszültséget az IC előtt és a kimeneti lábán. A bemenetén a feszültség: 5,18 V A kimenetén a feszültség: 3,29 V A kimenet eltérése 3,3 V-hoz képest 1%-on belül van, az áramkörnek ez a része biztosan jól működik. Ezt a mérést mutatja be a 58. ábra 64

58. ábra: A táp illesztés tesztelése A következő beforrasztott része az áramkörömnek a fényelem volt, így ennek az ellenőrzése következik, ami szintén multiméter segítségével történő feszültség mérés volt. A fényviszonyokat nem lehetett pontosan ugyanúgy beállítani, mint mikor csak a fényelemet vizsgáltam, részben a külső körülmények megváltozása miatt, részben azért, mert nem sikerült ugyanoda, ugyanabba a szögbe helyezni a fényelemet, de a mérések eredménye hasonló tendenciát mutat, azaz: Felkapcsolt lámpánál, szórt fény esetén: 0,405 V Lekapcsolt lámpánál, (csak az ablakon át szűrődött be fény): 0,386 V Sötét sarokban: 0,325 V Ha felkapcsolt lámpa irányába néz a fényelem: 0,462 V A fényelem lábainál és a villamos vezetékek másik végén, a forrszemeken, és a chip megfelelő lábánál is ezeket az értékeket kaptam, ami azt mutatja, mint a szakadás mérés is, hogy a fényelem villamosan jól kapcsolódik a cc2530-as chiphez. A következő tesztelendő pontom a BC847 tranzisztorra épülő, a teljesítménymérőből kapott impulzusok feszültség szintjének a CC2530-as feszültség szintjéhez illesztő áramkör tesztelése volt. A hozzáférhetőség miatt nem a teljesítmény mérőről vettem le a bemeneti jelet, hanem függvénygenerátorról, majd oszcilloszkóppal mértem a tranzisztor be- és kimenetét. 400 Hz-es és 5,2 V-os a feszültség csúcsértéke a bemeneti jelnek, akkor a következőt kaptam: (59. ábra) 65

59. ábra: 400 Hz-es bemeneti jel esetén a BC847-es kimenetén mérhető jel A bemeneti jel a sárga, a kimeneti a kék színű mind a 59-es és a 60-as ábrán is. Ha a bemeneti jel 99,01 Hz-es és 5,20 V-os a maximális feszültségértéke, akkor a következőt tapasztaltam: 60. ábra: 99,01 Hz-es bemenet esetén, a kimeneten jelentkező jel Ezek után egy kábellel összekötöttem a BC847-es tranzisztor bemenetének szánt forrszemet és a teljesítménymérő VPULS kimenetet. A teljesítménymérő és a panel közötti villamos kapcsolatot szakadásméréssel ellenőriztem, multiméter segítségével, ami nem jelzett hibát. 66

A DHT22-es avagy a AM2303-as szenzor tesztelése a beforrasztása után történt úgy, hogy először zárlat méréssel kimértem, hogy a megfelelő láb a földhöz van e kapcsolva, majd a panelra rákapcsoltam az 5V-os tápegységet, és oszcilloszkóppal rácsatlakoztam először a szenzor SDA lábára, ahol a 61.,62. ábrán lévő jelet sikerült észlelnem, ami a szenzor működésére utal. Az ábrákról leolvasható a bináris kód: 0000 0001 0011 0110 0000 0001 0001 0011 0100 1011. 0000 0001 0011 0110 a páratartalom tízszeres bináris értéke, ez decimálisan: 310, azaz a páratartalom tényleges értéke 31 %RH 0000 0001 0001 0011 a hőmérséklet tízszeres bináris értéke, ez decimálisan: 275, azaz a hőmérséklet a szobában 27,5 C volt, ami a hőmérővel mért értékkel egyezik. 0100 1011 a paritás bit 0000 0001+ 0011 0110+0000 0001+ 0001 0011= 0100 1011 tehát a küldött adat értéke helyes. 61. ábra: A DTH22-es SDA lábán történő teljes adatforgalom 67