Hardware para controle de câmeras via comunicação BLE Eduardo Cardoso Engenharia Elétrica Universidade de Caxias do Sul Caxias do Sul, Brasil [email protected] Resumo—Este artigo tem como objetivo apresentar a forma de construção e elaboração de um projeto de hardware para controle de câmeras que monitorarão aulas práticas nas escolas de formação de condutores. O trabalho se inicia mostrando quais as necessidades que o projeto tem suprir tais como as ferramentas e mecanismos necessários para a criação das soluções. O sistema geral consiste na comunicação de três dispositivos principais, sendo o primeiro deles um Tablet que fará o controle de aulas e ira se comunicar com o segundo item a ser criado, o hardware de controle das câmeras, a comunicação entre o 1º e 2º item será feita através de Bluetooth. O terceiro item do sistema é uma câmera da empresa Foscam ou Hikvision que terá comunicação com o hardware intermediário através de cabo USB. O foco do projeto é a criação do item intermediário, escolha de microcontrolador, modulo Bluetooth e todos os outros componentes necessários. Também deveremos fazer o projeto da placa PCB utilizando para isso o software AltiumDesign e por fim a criação do firmware que fará o real controle. Palavras-chave—Bluetooth, USB, hardware, PCB , firmware. I. INTRODUÇÃO O artigo tem por objetivo tratar o desenvolvimento de um hardware de controle que permitirá ao usuário a possibilidade de conexão com o mesmo, controle de saída e obtenção de status de saída. Para isso será necessário o desenvolvimento de uma comunicação via BLE (Bluetooth Low Energy) entre tablet e hardware. Atualmente muitos sistemas utilizam essa forma de controle, principalmente em IOT. Dois itens essenciais nesse projeto ou em qualquer projeto de IOT que permita conexão entre usuário e hardware são o microcontrolador e módulo de conexão, nesse caso Módulo BLE. Atualmente, o BLE possui três versões: 4.0, 4.1 e 4.2, lançadas em 2010, 2013 e 2014, respectivamente. BLE 4.0 e 4.1 possuem um máximo de mensagem (Maximum Transmit Unit – MTU) de 27 bytes, diferentemente da mais nova versão (BLE 4.2) que possui 251 bytes. Outra diferença entre as versões é o tipo de topologia de rede que cada versão pode criar[1]. A escolha do módulo BLE e o microcontrolador devem levar em conta a taxa de transmissão necessária para o projeto, a quantidade de conexões com o tablet do usuário e também a quantidade de memória demandada. Além disso como o hardware fornecerá a alimentação via porta USB, o desenvolvimento de um conversor CC-CC se torna necessário, visto que a tensão do veículo (alimentação do hardware será proveniente do veículo) e das câmeras não é compatível. Para isso um estudo de conversores CC-CC será necessário, devido à capacidade de corrente demandada das saídas, levando em conta possíveis sobre corrente, curto-circuito causando pelo usuário e possíveis falhas. Tendo em vista os itens necessários do projeto, sendo eles: Microcontrolador, módulo BLE e conversor CC-CC podemos começar em um escopo geral de projeto iniciando pela escolha do microcontrolador e módulo e subsequente o desenho do conversor CC. Com esses parâmetros prontos trataremos da criação de circuito e finalmente o layout de uma PCB. Fig, 1. Escopo de projeto II. MATERIAIS E PROCEDIMENTOS Antes de iniciarmos a criação do circuito precisamos entender quais componentes serão utilizados, quantas interfaces de comunicação, tensão de alimentação, qualidade dos componentes, ciclo de vida, interferência elétrica e magnética, temperatura de operação e etc. Para isso a escolha do microcontrolador, conversores, e módulo BLE devem ser feitas com muita cautela para que todos os componentes atendam as necessidades do projeto. Também devemos considerar requisitos que vão além da eletrônica, como dimensões mecânicas e estruturais. Após a escolha dos componentes principais podemos iniciar o desenvolvimento do projeto no software adequado. Nesse caso utilizaremos o Altium Designer versão 19.0. Da escolha do microcontrolador- Usando o diagrama da figura 1 podemos ter noção de todas as interfaces externas que o microcontrolador precisará suportar. Podemos notar que a interface de comunicação necessária será UART (acrônimo de Universal Asynchrounous Receiver/Transmiter ou Receptor/Transmissor Universal Assíncrono ) e essa necessidade se dá pelo fato do módulo BLE converter Bluettoth para RS232 (RS-232 também conhecido por EIA RS-232C ouV.24 é um padrão de protocolo para troca de dados binários entre um DTE (terminal de dados, de Data Terminal equipment) e um DCE (comunicador de dados, de Data Communication equipment)). Os outros itens necessários no microcontrolador serão GPIO e ADC. Com essas informações em mãos podemos escolher o microcontrolador que atendera os requisitos. Para esse projeto escolhemos o microcontrolador da marca ST, da família STM32 com o seguinte PartNumber: STM32F101C8T6. Características do microcontrolador escolhido: Tensão de alimentação 3.3V, frequência máxima de 36Mhz, 3 UART’s disponíveis, 37 GPIO’s e 128 Kbytes de memória Flash. Da escolha do módulo BLE- O módulo BLE deve ser escolhido tendo em mente que a versão do Bluetooth do tablet, o qual faremos conexão é a 4.1. Também é necessário escolher um módulo que tenha conversão interna do protocolo Bluetooth para UART. Por último devemos considerar a escolha de um módulo que já venha com antena pois o desenho de antenas na PCB é complexa e pode ser um fator agravante para erros. Com isso escolhemos o módulo BC118 da empresa Sierra Wireless. “BC118 is a highly flexible, ultra low power, small form factor Bluetooth Version 4.1. Certified module. It comes preloaded with Sierra Wireless Melody Smart software, and is ideal for developers who want to quickly and cost effectively integrate Bluetooth Low Energy functionality into their products or develop standalone sensors or accessories”[2]. Características do modulo BLE escolhido: Tensão de alimentação 3.3V, Versão 4.1, BLE, 1 UART disponível e frequência de banda de 2.4GHz. Da escolha dos conversores CC-CC. Como citado anteriormente, precisamos rebaixar a tensão de entrada proveniente da bateria do veículo que geralmente varia entre 11V e 16.5V(Vin) para 12V que alimentará as câmeras da marca Hikvision, 5V que alimentará as câmeras da marca Foscam(A escolha da marca da câmera a ser utilizada depende do estoque da empresa e da capacidade de fornecimento do vendedor). Também deve existir outro conversor de tensão, de 5V para 3.3V necessário para alimentar o microcontrolador e o módulo BLE. O conversor Vin para 5 V será feito utilizando o circuito integrado LM2576-5 da Texas Instruments. A série de reguladores LM2576 são circuitos integrados monolíticos que fornecem todas as funções ativas para reguladores do tipo step-down (buck), capaz de fornecer 3A de corrente de saída[3], o que é suficiente para alimentar até 4 câmeras da marca foscam (500 mA cada câmera), junto com o consumo do regulador 5V-3.3V. estabilidade. No circuito conversor desenhado foi colocado um ferrite (NFE61PT102E1H9L) na saída pois o microcontrolador necessita do mesmo para evitar ruídos e instabilidades. Fig, 2. Conversor Vin para 5V fixo. Fig, 4. Conversor 5Vpara 3.3V fixo. III. ANÁLISE DOS RESULTADOS Fig, 3. Conversor Vin para 12V fixo. O conversor Vin para 12 V será feito utilizando o circuito integrado LM2596-ADJ da Texas Instruments. A série LM2596 opera a uma frequência de chaveamento de 150 kHz, permitindo, assim, componentes de filtro menores que o necessário para reguladores de chaveamento de frequência mais baixa[4]. Por ser de saída ajustável, para podermos fixar a saída em 12 V tivemos que calcular os resistores R5, R6, R7 e R8 (Fig,3) para tal (fórmulas matemáticas provindas do datashet do regulador). Ele fornece até 3A de corrente de saída, podendo alimentar até 6 câmeras da marca Heikvision. O conversor 5V para 3.3V será feito utilizando o circuito integrado LM1117MP-3.3 da Texas Instrumentes. O LM1117 é um regulador de tensão de baixa queda com uma capacidade de 800mA de corrente de carga. Seu circuito interno inclui um zener de bandgap (bandgap é um circuito de referência de tensão independente da temperatura amplamente utilizado em circuitos integrados) para garantir a precisão da tensão de saída ± 1% [5]. É necessário um capacitor de no mínimo 10µF na saída para melhorar a resposta transitória e Com os componentes escolhidos e esquemas desenhados [6] (os desenhos dos circuitos são grandes demais para anexar no relatório, com isso será criada a pasta de compartilhamento de projeto e também link para citação) podemos partir para o desenvolvimento da PCB no Altium Designer. Fig, 5. Desenho da PCB em 2D. Fig, 6 Desenho da PCB em 3D. Com a placa construida e já montada podemos partir para a fase de testes, mas antes disso a criação do firmware a ser gravado no microcontrolador foi necessário. que causa uma queda de tensão nas saídas que segue a seguinte formula: Fig, 8. Formulas da corrente de saída. Onde Iout é a corrente consumida pelas câmeras ligadas a placa de controle. IV. CONCLUSÃO Através dos resultados obtidos, podemos comprovar a eficacia da comunicação Bluetooth entre o hardware desenvovido e tablet. O tempo de envio do protocolo através do tablet até a resposta do hardware e ativação da câmera ficou entre 20 e 21 ms. Foi instalado um kit de monitoramento completo (Hardware desenvolvido, câmera e tablet) em um carro Renault Clio 2015. A instalação do equipamento se mostrou fácil para os técnicos e também podemos comprovar a eficiência do sistema BLE dentro de um ambiente extremo, onde temos alta temperatura do interior do carro. Fig, 7. Escopo básico para o Firmware. A figura 7 nos mostra o escopo básico para a criação do firmware. O mesmo foi feito via GDB no VisualStudio 2019. Com o firmware gravado podemos fazer o teste de comunicação entre tablet e módulo BLE. Foi constatado que o tempo para conexão com módulo, envio de comando por bluetooth processamento e ativação de saída é de aproximadamente 21 ms. A câmera Foscam tem um tempo de resposta de 2 ms desde o instante da ativação das saídas e energização da mesma enquanto que as câmeras Haikvision tem um tempo de 3 ms. Os Mosfets que comutam as saídas após receberem o sinal da GPIO do microcontrolador tem uma resistência de caminho de 51 mOhm o Fig, 8. Sistema instalado no carro. O módulo BLE BC118 se mostrou adequado para a aplicação emprega, podendo dar a oportunidade de uma extração maior ainda de seus recursos em projetos futuros, visto que na aplicação atual apenas a função Buetooth to UART foi usada. Com isso podemos concluir que todo o hardware desenvolvido, microcontrolador, módulo e conversores nos deram resultados satisfatórios, podendo assim já ser utilizado em campo, em monitoramento de aulas práticas nas autoescolas. REFERÊNCIAS [1] SANTOS P, B.; et al. Internet das Coisas: da Teoria à Prática. Belo Horizonte, MG:UFMG 2014. Disponivel em:https://homepages.dcc.ufmg.br/~mmvieira/c c/papers/interne t-das-coisas.pdf . Acesso em: março 2019. [2] Product Technical Specification BC118 Disponivel em: https://www.semak.com.ar/Item/ File/3341? filename=BC118%20Datasheet_r1.pdf [3] LM2576xx Series SIMPLE SWITCHER® 3-A Step-Down Voltage Regulator. Disponível em: ttp://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm2576.pdf [4] LM2596 SIMPLE SWITCHER® Power Converter 150-kHz . Disponível em: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm2596.pdf [5] LM1117 800-mA Low-Dropout Linear Regulator. Disponível em: http://www.ti.com/lit/ ds/symlink/lm1117.pdf [6] RDEB.001.4. Disponível em: https://drive.google.com/file/d/ 1YM56Pwcp1vIVQcj_uiZfGx8vFzLtKT6Z/ view