Enviado por Eduardo Cardoso

BLE

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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
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