Nové zkušenosti z vývoje: embedded radio, bateriové a bezdrátové systémy a testery v Rystonu, 2. díl

Ač jsme v Rystonu prožili covidovou letargii a bezčasí, ztratili cenného společníka Václava Svobodu, stále dýcháme, pracujeme a ve vývoji posouváme hranice svých možností. Nabrali jsme mladého a učenlivého kolegu Jana Vomočila a dali mu příležitost ve vývoji nových systémů, které mají společných několik rysů: bezdrátovou komunikaci, bateriové/dálkové napájení a drsné pracovní a klimatické podmínky. Více než půlroční zkušenosti v týmové práci se pokusil popsat v následujícím článku.

Kotvicí asistent

Připravili jsme několik elektronických systémů do úrovně prototypu, které musejí projít funkčními a klimatickými testy. Jedním z nich je elektronická bóje, kterou je možno využít jako kotvicího asistenta, který má za úkol sledovat, jestli nedošlo k posunu kotvy po dně. K tomu může dojít kvůli nedostatečné údržnosti skalnatého či písčitého dna, vlivem počasí či vlnobití. Následky mohou být fatální.

Kotvicí asistent je navijákem upevněn ke kotvě a jeho bóje je na hladině. Zatímco plavidlo je na dlouhém řetězu vzdáleno od kotvy, asistent je téměř nad kotvou v úzkém okruhu, snášen pouze proudy a větrem. Z hladiny má možnost sledovat svoji GNSS polohu a rádiovým spojem ji přenášet na plavidlo. Jednotka na plavidle trvale komunikuje, počítá polohu kotvy a při jejím posunu upozorní posádku, jak lokálním alarmem, tak GSM voláním, popř. zprávou či obrazem.

Sama plavidlová jednotka je vybavena dalším GNSS přijímačem pro kontrolu a pro výpočet snosu. Spodní část asistenta může být dále vybavena kamerou sledující dno a data přenášet do bóje a jednotky v plavidle, popř. do mobilního telefonu. Jinou možností je ultrazvukové či UV-LED nebo laserové spojení. Tyto funkce se ještě testují, zdá se však, že síla je v jednoduchosti.

Bóje musí být, mimo jiné požadavky, napájena baterií, která musí být dobíjena, často v nepříliš dobrých podmínkách, a baterie to musí snášet. My jsme zvolili lithiovou baterii a solární dobíjení, ale pokusně jsme realizovali i bezdrátové (induktivní) dobíjení.

Ponoření bóje působí krátkodobé, ale časté výpadky − jak příjmu GNSS, tak rádiového spoje na plavidlo. Proto musí být přijímač GNSS víceprotokolový a kvalitní, komunikační hardware i protokol musí být robustní a tolerovat i „zarušené“ prostředí. K tomu jsme využili moduly od firmy Radiocrafts, které distribuujeme.

Setkali jsme se také s provozními a funkčními požadavky pro námořní systémy, které jsou naprosto brutální. Vše musí být vodotěsné, nárazuvzdorné, odolné slunci, vodě, teplotám a vibracím i lidské chybě. Z toho plynou i testovací předpisy pro elektronická zařízení a součásti, např. akumulátory.

Podvodní svítilny

Dalším výrobkem je nová generace podvodní svítilny pro potápěče, hasiče, podvodní stroje a plavidla. Použitím lithiových článků a nových LED a optiky se zvýšil maximální světelný tok na trojnásobek, stejně jako výdrž baterie, hmotnost a rozměry se naopak zmenšily. Doba nabíjení se zkrátila, zlepšila se životnost a tepelná ochrana.

Obr. 1 Vnitřní části nové podvodní svítilny

Testování akumulátorů

Testování životnosti akumulátorů je nedílnou součástí kontroly kvality výroby elektronických výrobků. Z každé sady akumulátorů, které přijdou do montáže, se náhodně vybere několik vzorků, které se podrobí dlouhodobému testu (ostatní se jen přezkoušejí). Test spočívá v cyklování akumulátorů (vybíjení a nabíjení konstantním proudem) za různých teplot. V průběhu cyklu se sleduje kapacita a vnitřní odpor článku. Následné zpracování dat odhalí případné výrobní vady a ukáže životnost daného akumulátoru. Výstupem jsou mimo jiné grafy závislosti kapacity a vnitřního odporu na provedených nabíjecích cyklech.

Testování akumulátorů probíhá na vlastními silami vyvinutém přípravku (dále jen tester), který je možno datově přizpůsobit k testování různých typů akumulátorů. Nejčastěji jsou testovány lithium-iontové (Li-ion) akumulátory. Dále je také možné testovat lithium-polymerové či lithium-železo-fosfátové (Li-FePO4) akumulátory. V omezené míře lze testovat i články nikl-kadmiové (NiCd) a nikl-metal hydridové (NiMH).

Tester je koncipován jako modulární systém, který lze sestavit pro konkrétní počet testovaných akumulátorů najednou. Každý modul řídí test jednoho akumulátoru a může pracovat jako samostatná jednotka. Jednotlivé moduly komunikují s monitorovacím PC po sběrnici RS-485, na které je implementován protokol modbus, kde každý modul má unikátní adresu. Celý tester umožňuje připojení až 64 modulů na jedné sběrnici. Samostatnost modulu umožňuje testovat různé typy akumulátorů najednou.

Obr. 2 Modulární systém pro testy baterií

Každý testovací modul obsahuje řídicí mikrokontrolér, který monitoruje a řídí nabíjení a vybíjení akumulátoru. Modul umožňuje vybíjení článku konstantním proudem (CC), který udržuje analogová smyčka. Ukončení vybíjení je řízeno procesorem sledujícím napětí na článku. Nabíjení je řízeno standardní křivkou CC/CV (konstantní proud, po dosažení maximálního napětí jeho udržování s klesajícím proudem). Hodnoty vybíjecích a nabíjecích proudů a napěťové limity lze předvolit z programu v nadřazeném PC.

Modul tedy monitoruje proud, napětí a vnitřní odpor akumulátoru citlivostní analýzou. Následně provádí výpočet kapacity a průběžně posílá data do PC. Testované akumulátory lze připojit přímo na modul nebo pomocí čtyřsvorkového zapojení i přes delší vodiče. Tímto je umožněno akumulátory umístit do teplotní komory, kde lze provádět testy při různé teplotě a zároveň zachovat přesnost měření. Každý modul dále umožňuje připojení senzoru teploty pro monitorování teploty okolí, kde je umístěna baterie.

Obr. 3 Sestava modulárního testeru a teplotní komory

Výsledný „produkt“, multitester baterií pro vozidlové jednotky, tak pracuje bezobslužně, pod dohledem PC v síti, který monitoruje a ukládá data, a také bezpečně − s hlídáním teploty v kontrolovaném prostředí a s kamerovým dozorem. Je tak možno otestovat několik set baterií denně, což je dostačující pro trvalý servis nebo výrobní dávky vozidlových jednotek pro mýto. Tam jde „o prachy“, a proto je každá porucha baterie nežádoucí. Každá baterie má svoje výrobní ID, čitelné i elektronicky, spárované s jednotkou, takže je absolutní kontrola nad cykly baterie, činností jednotky a případnými podivnostmi. Stejně testované baterie jsou použity u kotvicího asistenta a dalších výrobků.

Rádiové systémy a aplikace

Zúročujeme vloženou investici do systémů identifikace a zjišťování polohy kombinací těchto subsystémů. Je možno kombinovat systémy identifikace (RFID) a zjišťování polohy (GNSS, Wifi) v různých pásmech frekvencí, kde jsou různé dosahy, rychlosti čtení a chování, a tak dosáhnout optimálních vlastností systému pro danou aplikaci a prostředí: identifikace a sledování polohy osob a lůžek v nemocnicích, předmětů v budovách, prostorech bez signálu (suterén, tunel, krytina), přijímat a převádět polohovou informaci, identifikovat „za letu“ pohyblivé objekty, řídit systémy podle jejich polohy (měření rychlosti závodních vozidel na okruhu, zemědělství) a identifikovat osoby (přístupové a docházkové systémy, riziková pracoviště) a kombinovat to vše v síti a informačním systému (továrny, osazovny a montážní haly, logistika).

Obr. 4 RFID terminál v aplikaci pro přístupový systém

Jak vozidlové jednotky pro mýto a sledování polohy, tak komunikační plavidlové jednotky i kombinované systémy s RFID, Wifi a GNSS mohou využívat programové vybavení „Moje poloha“, vyvinuté a udržované Rystonem. O této aplikaci a jejím využití jsme referovali i v časopise DPS [1]. Zvláštností je možnost komunikace nejen z terénu do systému, ale i naopak do sítě (s jednotkami Ryston).

Zde jsme rovněž psali počátkem letošního roku [2] o zkušenostech s novými moduly norské firmy Radiocrafts, které jsou schopny vytvářet celé rádiové sítě. Jelikož moderní moduly obsahují vestavěný mikropočítač s rezervou výkonu pro obsluhu připojených periferních obvodů, vžil se pro ně i název „embedded radio“.

Moduly jsou vybaveny různými komunikačními protokoly podle zamýšlené aplikace: od jednoduchého RC232 s „transparentním“ přenosem sériové linky mezi spárovanými stanicemi přes rádiovou „sběrnici“ obdobnou RS-485, paketové standardy MBUS, KNX až k internetovými protokolům s topologií hvězda (RIIoT) nebo Mesh (RIIM) či Mioty.

Tyto sítě mají různou rozlohu, dopravní zpoždění a přenosovou kapacitu. Pro jejich připojení k pevné síti jsou nabízeny „border-routery“ provádějící například konverzi IPv4 a IPv6 mezi pevnou a lokální rádiovou sítí, dohledy, online aktualizace a další funkce. Samotné moduly jsou schopny v síti přeposílat komunikaci ke vzdálenějším uzlům.

Od uvedení na trh v loňském roce byla vydána druhá zásadní inovace jak firmwaru modulů, tak uživatelského prostředí a API pro spolupráci modulu s dalšími obvody. Nadbytek kapacity paměti a výpočetního výkonu v modulech nabízí uživateli možnost použít RIIM/RIIoT modul jako řadič pro obvody na své desce s možností naprogramovat obsluhu událostí a přerušení přímo v jazyce C a přeložit ho rovnou do kódu modulu. Tento firmware je možno přímo v rádiové síti aktualizovat „vzduchem“ (OTA, Over The Air updating) bez nutnosti demontáže.

Aplikace a podpora

Nejjednodušší aplikací modulů od RCF je uvedená sada RC232 dvou kitů pro „rádiovou“ sériovou linku mezi dvěma sériovými linkami, bez flow-control signálů, něco jako kdysi Laplink. To je zajímavé jak pro PC s konvertorem USB-RS232, tak pro jednočipové řadiče, které zpravidla disponují několika porty sériové linky tvořenými dvojicí signálů RxD/TxD. Modul připojený k těmto signálům je schopen propojit např. centrální PC pracoviště s měřidly spotřeby médií anebo propojit uzel čidel/aktuátorů IoT do lokální rádiové sítě.

Moderní síťové „embedded“ rádiové moduly jsou postaveny na RF procesoru CC1310 od Texas Instruments a díky firmwaru jsou konfigurovatelné a programovatelné: Kromě základních vývodů mají rozhraní I2C, SPI, JTAG a dalších sběrnic a dále řadu I/O vývodů, jejichž funkce je programovatelná přímo ve zdrojovém jazyku C.

K vývoji aplikací slouží výrobcem zdarma (po registraci projektu) poskytované nástroje – vývojový kit a program Dashboard pro monitorování stavu sítě za provozu a překladač z jazyka C s knihovnami do mezikódu. Tyto nástroje se neustále vylepšují.

Závěr

V tomto článku jsme přinesli pokračování informací o vývoji bezdrátových, bateriových, síťových a robustních zařízení v Rystonu pro nové aplikace a o výrobním testeru lithiových baterií v teplotní komoře. Tato koaplikace rozšiřuje spektrum možností programovatelného testovacího systému, který jsme vyvinuli jak pro vlastní výrobu a servis, tak i jako produkt.