Regulator natężenia oświetlenia z Wi-Fi

Rysunek 1. Zasada regulacji fazowej oparta jest o sterowanie czasem otwarcia triaka w punkcie x. Im szybciej to nastąpi po przejściu napięcia sieci zasilającej przez zero, tym więcej energii dostanie odbiornik i tym jaśniej świeci żarówka

Zasada działania regulatora polega na zmianie czasu trwania połówek sinusoidy i przypomina modulację PWM, co pokazano na rysunku 1. Elementem regulacyjnym jest triak, którego moment załączenia jest wyznaczany i zmieniany przez mikrokontroler.

Schemat ideowy układu regulatora pokazano na rysunku 2. Układ ściemniacza podzielono na cztery bloki funkcjonalne: zasilacz z detektorem przejścia fazy przez zero, mikrokontroler, elementy wykonawcze mocy oraz moduł komunikacji Wi-Fi.

Zasilanie urządzenia wykonano w oparciu o typowy, małogabarytowy transformator sieciowy. Zrobiono to z trzech powodów:

Galwaniczne odizolowanie części niskonapięciowej układu od napięcia sieci. Ma to szczególne znaczenie, ponieważ płytkę drukowana zaprojektowano dla komponentów SMD. Aby po zmontowaniu układ działał prawidłowo, należy zaprogramować mikrokontroler.

Do tego przewidziano pady na płytce do wlutowania przewodów połączeniowych programatora. Jest to czynność jednorazowa. Gdyby nie było izolacji galwanicznej, to takie programowanie groziłoby porażeniem prądem elektrycznym.

Wymagana wydajność prądowa do zasilania modułu Wi-Fi. Podczas pracy chwilowy pobór prądu przez moduł może wynosić nawet 250 mA, co trudno byłoby uzyskać stosując rozwiązanie z zasilaczem beztransformatorowym z kondensatorem pełniącym rolę "rezystora" obniżającego napięcie.

Chęć wykonania układu detekcji przejścia fazy przez zero bez zbędnego tracenia energii elektrycznej. Najprościej byłoby zastosować transoptor z rezystorem ograniczającym jego prąd, ale taki układ ma jedną wadę. Otóż energia wytracana w rezystorze zamienia się w ciepło.

Dodatkowo, powoduje niepotrzebne zużywanie energii elektrycznej, co w skali roku może dać nawet kilka kilowatogodzin. Zakładając pracę takiego regulatora przez kilka lat, jest to nie do przyjęcia. Dlatego też zastosowano układ przejścia przez zero w dość nietypowym rozwiązaniu.

Rysunek 2. Schemat ideowy bezprzewodowego regulatora natężenia oświetlenia

Za mostkiem prostowniczym zastosowano diodę prostowniczą w roli separatora. Tranzystor T1 pracuje w roli klucza - przez większą część okresu jest zatkany, otwiera się tylko w momencie przejścia napięcia sieci przez zero.

Pozostałe elementy za diodą D1 tworzą typową aplikację stabilizatora napięcia 3,3 V. Na uwagę zasługuje tylko kondensator C3, który powinien mieć pojemność co najmniej niż 470 µF.

Pracę regulatora nadzoruje mikrokontroler ATmega8. Jego zadaniem jest odbieranie danych z modułu Wi-Fi, wykrywanie momentu przejścia sieci zasilającej przez zero i odpowiednie sterowanie triakami. Jest to jego podstawowa aplikacja, która raczej nie potrzebuje omawiania. Komunikacja z modułem Wi-Fi jest oparta o transmisję UART z prędkością 115,2 kb/s.

Do wykrywania przejścia fazy przez zero użyto przerwania zewnętrznego INT0. W jego obsłudze jest zerowany licznik Timer2, który to z kolei odpowiada za odmierzanie odcinków 50 µs. Pozwala to na zmianę czasu włączenia triaka w 200 krokach, co odpowiada regulacji od 0% do 100% mocy wyjściowej.

Oprogramowanie

Listing 1. Analizowanie transmisji szeregowej

Program mikrokontrolera napisano w całości w języku C. Jego działanie sprowadza się do wykrycia przejścia przez zero fazy sieci zasilającej i wysterowaniu triaka w odpowiedniej chwili - zależnej od żądanej jasności świecenia żarówki. Mikrokontroler wykonuje te czynności obsługując przerwanie.

W pętli głównej mikrokontroler przez cały czas sprawdza czy odebrano dane z aplikacji sterującej za pomocą UART. Jeśli tak, to zapisuje je do bufora odbiorczego i poddaje analizie. Ponieważ dane przesyłane są w postaci znaków ASCII (komenda) i dane przedzielone separatorem, więc zastosowano mechanizm tokenów i parsowania danych.

Oparty go o tzw. wywołania callback. Może brzmi to groźnie, ale to tylko pozory. Po szczegóły odsyłam do książki "Mikrokontrolery AVR, Język C, podstawy programowania" autorstwa Mirosława Kardasia. Jest tam bardzo przystępnie i dokładnie wyjaśniony cały mechanizm z przykładami.

Wybrane fragmenty programu związane z analizowaniem transmisji szeregowej pokazano na listingu 1. W pętli głównej program oczekuje na dane przesyłane z aplikacji, które mają postać: out1?25 lub out2?55, co po analizie oznacza - kanał OUT1 25% mocy, kanał OUT2 55% mocy. Separatorem jest znak zapytania?

Spostrzegawczy Czytelnicy zapewne zauważyli również komendę odpowiedzialną za uruchomienie watchdoga i zerowanie mikrokontrolera - AT+RST. Umożliwia ona zdalny restart, a co za tym idzie - zdalną zmianę oprogramowania mikroprocesora Atmega8.

I tu ujawnia się kolejny atut urządzenia - jego oprogramowanie można zaktualizować zdalnie, bez konieczności demontażu procesora, przyłączania programatora i wszystkimi uciążliwościami z tym związanymi. Pomocny będzie program MKBootloader, który jest to aplikacją umożliwiającą komunikację z mikrokontrolerm w celu aktualizacji zawartości pamięci Flash za pomocą trzech różnych interfejsów: RS232, Bluetooth oraz WiFi. Prorgam jest dostępny na stronie internetowej firmy Atnel.

Triaki TR1 i TR2 są elementami wykonawczymi. W obwodach ich bramek zastosowano izolację galwaniczną uzyskaną za pomocą optotriaków typu MOC3021. Jest to typowa aplikacja i nie wymaga szczególnego omawiania.

Moduł Wi-Fi

Rysunek 3. Moduł ATNEL-WIFI-232

Na rynku jest dostępnych tak dużo różnych modułów WiFi, że wybór jest naprawdę trudny. Dla większości z nich dostępna jest dokumentacja w języku angielskim lub chińskim i ktoś nieznający języka może mieć trudność w aplikacji modułu.

W wypadku napotkania problemów niezmiernie ważny jest właściwy poziom wsparcia technicznego ze strony producenta lub dystrybutora. Mając te aspekty na względzie zdecydowałem się na zastosowanie pokazanego na rysunku 3 modułu ATNEL-WIFI232-T dystrybuowanego przez firmę Atnel ze Szczecina. Podstawowe parametry techniczne modułu ATNEL WIFI232-T są następujące:

• Wyprowadzenia w rastrze 2 mm (10 pinów).
• Zasilanie +3,3 V/do 250 mA.
• Wyprowadzenia GPIO/PWM.
• Wyprowadzenia RxD i TxD interfejsu UART.
• Możliwość konfigurowania i sterowania za pomocą komend AT.
• Gniazdo dla anteny zewnętrznej 2,4 GHz.
• Częstotliwość pracy 2,4 GHz.
• Obsługa standardów Wi-Fi b/g/n.
• Wsparcie dla funkcji WPS.
• Obsługa zabezpieczeń WEP, WPA, WPA2 oraz szyfrowania AES.
• Wyprowadzenie umożliwiające zarządzanie poborem prądu.
• Małe wymiary: 22 mm×13,5 mm×6 mm.
• Certyfikat FCC/CE.

Jest to moduł Wi-Fi małej mocy przeznaczony do pracy w systemach wbudowanych. Podstawową zaletą modułu jest łatwość opanowania protokołu komunikacyjnego, którą udało się uzyskać dzięki innowacyjnemu pomysłowi na wykorzystanie tzw. trybu transparentnego.

W odróżnieniu od szeregu produktów konkurencyjnych, komunikację wykorzystującą protokołu TCP/UDP, ale także http i inne można sprowadzić do jednego - nieskomplikowanej komunikacji za pomocą UART. Kolejne cechy stawiające moduł w pierwszym rzędzie wraz z najlepszymi, to sprzętowe wsparcie nie tylko dla takich trybów pracy, jak STA czy AP, lecz także dla trybu mieszanego AP+STA.

W każdej konfiguracji moduł umożliwia dostęp do podstawowych funkcji konfiguracyjnych za pomocą wbudowanej strony www i to strony w języku polskim. Dodatkowo, moduł jest zaopatrzony w autorski firmware, który umożliwia np. pobieranie dokładnego czasu z NTP z dowolnej strefy czasowej, wybudzanie zewnętrznych urządzeń, np. komputerów PC za pomocą funkcji WOL (Wake On LAN) czy sprawdzanie adresu IP zdalnego klienta, który ostatnio połączył się z modułem (tylko w trybie TCP).

Dodatkowo, firma Atnel udostępnia specjalistyczne narzędzie konfiguracyjne w postaci programu ATB WIFI Config, dzięki któremu nie musimy męczyć się z konfigurowaniem modułu za pomocą komend AT. Każdy, kto choć raz miał okazję używać komend AT przy konfigurowaniu np. modułów GSM wie, jakie jest to uciążliwe. Dodatkowo, każdy klient może liczyć na wsparcie techniczne ze strony firmy i to praktycznie 24 godziny na dobę. Wystarczy tylko wejść na forum firmowe http://forum.atnel.pl/portal.php.

Montaż i uruchomienie

Rysunek 4. Schemat montażowy bezprzewodowego regulatora natężenia oświetlenia

Schemat montażowy regulatora oświetlenia pokazano na rysunku 4. Dla regulatora zaprojektowano płytkę drukowaną w kształcie koła o średnicy 55 mm. Ma to na celu jej łatwe umieszczenie w puszce przełącznika światła lub w puszce na ścianie.

Montaż regulatora należy rozpocząć od przylutowania wszystkich elementów SMD zaczynając od mikrokontrolera. Na koniec należy przylutować złącza ARK, podstawkę pod moduł Wi-Fi i transformator sieciowy. Przed włożeniem modułu Wi-Fi w podstawkę należy włączyć urządzenie i sprawdzić napięcie występujące pomiędzy wyprowadzeniami 1 i 2 złącza.

Powinno ono wynosić 3,3 V. Jeśli tak jest, to odłączamy zasilanie sieciowe i do specjalnie wyprowadzonych padów na płytce lutujemy przewody programatora i ponownie włączamy zasilanie. Ta czynność jest zbędna, jeśli mamy wcześniej zaprogramowany mikrokontroler. Jeśli nie, to należy go zaprogramować.

Rysunek 5. Ustawienie bitów konfi guracyjnych mikrokontrolera ATmega8

Jako pierwsze musimy ustawić fuse bity. Osobiście korzystam z programu MKAVRCalculator, prawdziwego "kombajnu", który ułatwia programowanie bitów konfiguracyjnych fuse bit oraz zabezpieczających lock bit w mikrokontrolerach AVR. Ma on też wiele innych ciekawych funkcji, których nie znajdziemy gdzie indziej.

Musimy tak zaprogramować bity konfigurujące, aby umożliwić taktowanie ATmegi za pomocą rezonatora kwarcowego o częstotliwości 11,0592 MHz, ustawić rozmiar sekcji bootloadera na 256 słów [BOOTSZ=10] i zmienić adres wektora resetu, aby program startował z sekcji bootloadera. Odpowiednie ustawienia pokazano na rysunku 5.

Jeśli Fusebity już zaprogramowaliśmy, należy wgrać dołączony w materiałach dodatkowych program dimmer.hex. Oprogramowanie współpracuje wyłącznie z modułami dystrybuowanymi przez firmę Atnel. Te same moduły pochodzące od innych firm mogą nie działać prawidłowo. Ma to związek, jak wspomniano, ze zmienionym firmwarem modułów Atnel.

Konfigurowanie modułu Wi-Fi

Fotografia 6. Prawidłowy przylutowany 3-centymetrowy odcinek przewodu przy gnieździe antenowym

Po prawidłowym zaprogramowaniu mikrokontrolera wyłączamy zasilanie i wkładamy w podstawkę moduł Wi-Fi. Moduł ma wyprowadzone gniazdo do podłączenia anteny zewnętrznej. W jej roli należy, tak jak pokazano na fotografii 6, przylutować 3-centymetrowy odcinek drutu w izolacji. Z taką anteną moduł pracuje poprawnie, a siła odbieranego sygnału jest niewiele niższa, niż przy zastosowaniu specjalizowanej anteny zewnętrznej.

Kolejnym krokiem jest skonfigurowanie modułu Wi-Fi. Wykonamy to to za pomocą naszego telefonu. Aplikację ATB WiFi Config należy pobrać ze sklepu Google i zainstalować. Należy się również upewnić, że jesteśmy w zasięgu naszej domowej sieci Wi-Fi oraz znać podstawowe dane dotyczące ustawień routera.

Załączamy zasilanie regulatora. Ponieważ moduły WiFi domyślnie pracują w trybie AP, więc w pierwszej kolejności łączymy za pomocą telefonu z modułem, jak to pokazano na rysunku 7a. Następnie uruchamiamy program ATBWIFIConfig, co spowoduje wyświetlenie ekranu głównego, jak na rysunku 7b.

Pierwsza czynność to odnalezienie modułu Wi-Fi. W tym celu wybieramy przycisk CONNECT, wyszukujemy moduł i łączymy się z nim, a następnie odczytujemy jego konfigurację za pomocą READ. Powinniśmy uzyskać odczyt taki, jak na rysunku 7c. Jak widać moduł pracuje w trybie AP. Zmieniamy tryb pracy na AP/STA, klikamy na WRITE i restartujemy moduł za pomocą RESTART WIFI.

Rysunek 7. Oprogramowanie ATBWIFIConfi g: a) łączenie telefonu z modułem, b) ekran główny programu, c) konfi guracja odczytana z modułu, d) ustalenie typu zabezpieczeń

Po restarcie powinniśmy zobaczyć, że tryb pracy zmienił się na AP/STA. Jeśli tak jest, to następnie klikamy na symbol radaru i wyszukujemy domową sieć Wi-Fi. Po jej wybraniu moduł automatycznie rozpozna typ (rysunek 7d) zabezpieczeń. Pozostaje nam wpisanie hasła dostępu do sieci (zielona obwódka na rys. 7d). Ponownie zapisujemy konfigurację za pomocą WRITE i restartujemy moduł RESTART WIFI.

Wyłączamy program. Następnie przełączamy się w telefonie na połączenie Wi-Fi z naszą siecią domową i ponownie uruchamiamy program. Jeśli wszystko zrobiliśmy prawidłowo, to moduł powinien otrzymać adres IP z puli adresów przyznawanych przez nasz router (czerwona obwódka na rys. 7d). Ostatnią czynnością jest ustawienie w zakładce NET Protocol Params typu połączeń na UDP SERVER.

Rysunek 8. Okno główne aplikacji regulatora oświetlenia

Ostatni raz wybieramy WRITE i RESTART. Moduł po restarcie jest gotowy do pracy. W razie problemów ze skonfigurowaniem modułu pomocy można szukać na stronie internetowej firmy Atnel.

Aplikację na telefon - WHLD.apk (Wireless Home Light Dimmer - rysunek 8) napisano w środowisku Basic4Android. Przyznam, że nie spodziewałem się, że okaże się to tak łatwe. Ponownie bardzo pomocne okazały się filmiki opublikowane przez firmę Atnel i dostępne w serwisie youtube.

Do wysyłania danych po UDP używamy tylko dwóch poleceń - Packet.Initialize(data, ipadress, 8899) oraz UDPSocket1. Send(Packet). Zmienna data to dane do wysłania, ipadress to adres urządzenia docelowego, 8899 to numer portu. Dodam, że działający szkielet aplikacji powstał w przeciągu dosłownie kilku godzin, a nigdy wcześniej nie pisałem programów dla systemu Android.

Po uruchomieniu aplikacji naciskamy symbol kluczy w lewym dolnym rogu, a następnie symbol lupy, aby wyszukać moduł Wi-Fi. Jest to operacja jednorazowa, ponieważ aplikacja zapamiętuje wprowadzone dane. Na ekranie głównym mamy do dyspozycji dwa suwaki odpowiedzialne umożliwiające regulowanie oświetlenia w kanale 1 i kanale 2, w zakresie 0...100%.

Każdorazowo po uruchomieniu aplikacja odczytuje aktualną pozycję suwaków, więc nawet po wyłączeniu i ponownym włączeniu telefonu na ekranie zostaną przywrócone ostatnio ustawione wartości. Pod każdym suwakiem widoczne są również przyciski ON i OFF. Służą one do włączenia/wyłączenia oświetlenia, ale odbywa się to płynnie, co podnosi walory użytkowe całego urządzenia. Aplikacja jest do pobrania ze sklepu Google.

Na koniec chciałbym napisać, że w ramach doskonalenia pisania aplikacji na system Android powstaje kolejna wersja do obsługi dimmera. W dniu oddania artykułu do druku jest dostępne sterowanie tylko jednym modułem.

W założeniach ma być dodana obsługa wielu modułów, aby za pomocą pojedynczej aplikacji można było sterować oświetleniem w całym domu. Zachęcam czytelników do własnych eksperymentów z programowaniem. Na stronie producenta B4A można pobrać wersję 30-dniową bez ograniczeń i samodzielnie spróbować napisać aplikację. Zapewniam, że jest to łatwe.

Chciałbym podziękować panu Mirosławowi Kardasiowi za wsparcie techniczne oraz poświęcony czas podczas pisania aplikacji regulatora oświetlenia.

Grzegorz Burzyński
sp5ein@gmail.com