Tabulka požadavků a odpovědí pro Přijímač
Požadavek Význam požadavku Odpověď Význam odpovědi
0 test spojení 0
48
5 Návrh softwarové části
Po vytvoření a otestování všech navržených modulů bylo třeba navrhnout, jakým způsobem bude probíhat komunikace mezi zařízeními. Hlavním požadavkem byla jednoduchost a snadná rozšiřitelnost celé komunikace. Systém je stále ve vývojové fázi a bude se nadále upravovat a rozšiřovat. Při vývoji je důležité mít možnost z libovolného zařízení snadno získat data. Implementace nějakého sofistikovanějšího datového protokolu v této fázi by vývoj spíše zdržovala.
Při návrhu komunikace je také důležité si uvědomit, že se nejedná o přímý stálý kanál mezi dvěma zařízeními. V současném stavu bude komunikace probíhat mezi třemi zařízeními, tedy mezi Vysílačem a Přijímačem a mezi Vysílačem a PC. Vysílač bude od Přijímače vyžadovat pouze potvrzení o přítomnosti a základní data pro zobrazení na Displayi. Pokud bude připojeno PC, bude vyžadovat všechna dostupná data od Vysílače i Přijímače. Množství dat se bude měnit v závislosti na úpravách a navíc také do systému může být přidána další část, se kterou bude třeba komunikovat.
Dále je třeba si uvědomit, že komunikační kanály nejsou stálé. Systém musí fungovat i bez připojeného PC a v případě jeho připojení je třeba obsluhovat jeho požadavky. Komunikace mezi Vysílačem a Přijímačem vede přes Rádiové moduly. Běh Přijímače je závislý na vzdálenosti mezi Rezonančními moduly a vlivem pohybu modulů může nastat výpadek kanálu. Stejně tak pokud je Přijímač mimo dosah a Vysílač se na něj dotazuje, je kanál přerušen. Programy v zařízeních tedy budou muset kontrolovat přítomnost protějšku a podle toho upravit své chování. Například Vysílač nemusí vyzařovat energii, není-li přítomen Přijímač a také je zbytečné, aby se PC dotazovalo na data z Přijímače, pokud není připojen.
Celou komunikaci pak ještě komplikuje absence přerušení od sériové linky u použitého mikrořadiče. Mikrořadič se v kódu zastaví na příkazu pro čtení dat [54], a zde vyčkává na příchod dat, nebo dokud nevyprší nastavitelný časový limit. Poté pokračuje v programu, dokud se opět nevrátí na příkaz čtení. Komunikaci je tak třeba přizpůsobit tomuto problému a pečlivě ji načasovat, aby nedocházelo k odeslání požadavků zařízení, které není v režimu čtení dat. Jelikož mikrořadič nemá vstupní buffer, požadavek by nebyl přijat.
49
5.1 Programy pro mikrokontroléry
Pro komunikaci mezi zařízeními byla kvůli jednoduchosti a snadné rozšiřitelnosti ponechána komunikace metodou klient-server pomocí jednoho bytu. Hodnoty požadavků a možných odpovědí vycházejí z předchozích tabulek (Tab. 2 a Tab. 3).
Hodnoty požadavků budou zároveň využity pro adresaci cílového zařízení a to tak, že požadavky s hodnotou pod 100 budou přeposlány Přijímači a požadavky s hodnotou 100 a více budou obslouženy Vysílačem. Díky tomuto způsobu komunikace je přidání dalších požadavků velice snadné a není třeba měnit žádný datový protokol a tedy ani jeho zpracování v každém zařízení. Pro přidání nového požadavku stačí pouze na konkrétním zařízení zvolit volnou hodnotu z jeho adresního rozsahu a sepsat patřičnou obsluhu tohoto příkazu.
Programy v obou mikrořadičích budou vykonávat dvě základní funkce. V první části budou obsluhovat komunikaci a tedy přijímat, odesílat nebo přeposílat různá data.
V druhé části budou vykonávat vlastní rutinu, tedy obsluhovat přilehlé moduly a provádět potřebná měření či přepínat mezi různými stavy.
Přijímač v komunikační části v aktuální koncepci bude pouze zpracovávat požadavky od Vysílače a následně na ně odpovídat odesláním požadovaných dat.
V druhé části programu bude provádět měření veličin, a pokud bude mít od Rezonančního modulu dostatečný příkon, bude nabíjet připojenou baterii. Nabíjení bude probíhat ve třech fázích v závislosti na napětí baterie.
Vysílač bude v první části programu obsluhovat požadavky od PC. Pokud bude požadavek určen Přijímači, bude mu přeposlán a navrácená odpověď bude přeposlána zpět PC. V případě, že požadavek bude určen Vysílači, budou obratem vrácena požadovaná data. V druhé části bude Vysílač zjišťovat dosah Přijímače a v případě jeho přítomnosti bude stále vysílat energii a pravidelně získávat aktuální naměřené hodnoty z Vysílače i Přijímače, které zobrazí na Displayi.
Vysílací stanice je tedy navržena tak, aby automaticky detekovala přítomnost Přijímací stanice a vysílala jí energii, dokud je v dosahu. Ve chvíli, kdy se Přijímací stanice vzdálí z dosahu, Vysílací stanice se uspí a ve stanovených intervalech bude testovat přítomnost Přijímací stanice.
50 5.1.1 Program pro Přijímač
Nástin běhu Přijímače je zobrazen na následujícím diagramu (Obr. 36). V první části probíhá vyřízení požadavků přijatých od Vysílače. Nejprve je přijat požadavek, dle hodnoty požadavku je z uložených dat navrácena patřičná odpověď (Tab. 3) a program přechází do druhé části. V případě, že ve stanoveném časovém limitu není přijat žádný požadavek, program přechází do druhé části.
V druhé části je nejprve provedeno měření veličin. Dále je na základě tohoto měření zjištěno, zda Přijímač není přetížen a pokud ano, je aktivována softwarová pojistka. Poté, pokud je na Přijímači dostatečné napětí, je aktivován Rádiový komunikační modul. Další kroky závisí na módu, ve kterém se Přijímač nachází.
V manuálním módu je vždy zapnuta první fáze nabíjení a program se vrací na začátek.
V módu automatickém je na základě příkonu přenastavováno nabíjení. Při nízkém příkonu je nabíjení vypnuto a při dostatečném příkonu je na základě napětí baterie upravena fáze nabíjení.
Kompletní kód programu Přijímače, včetně komentářů a aktuálních hodnot pro aktivaci pojistky či přechody mezi nabíjecími fázemi, je uveden v příloze na CD.
Obrázek 36: Diagram Přijímače
51 5.1.2 Program pro Vysílač
Následující diagram (Obr. 37) popisuje běh Vysílače. V první části je zpracováván požadavek od PC. Po přijetí požadavku je na základě jeho hodnoty rozhodnuto, kterému zařízení patří. Pokud patří Přijímači, Vysílač mu jej přepošle a navrácenou odpověď Přijímače přepošle zpět PC. V případě, že požadavek patří Vysílači, je požadovaná odpověď (Tab. 2) obratem vrácena. Po zpracování požadavku či vypršení časového limitu program přechází do druhé části.
Zde se program větví na základě zvoleného módu. V manuálním módu Vysílač udržuje sepnutý Rezonanční vysílač, neustále provádí měření a dotazuje se na hodnoty z Přijímače, ať je v dosahu nebo ne. V automatickém módu je prováděna kontrola přítomnosti Přijímače. Pokud není přítomen, Vysílač ve stanovených intervalech provádí jeho hledání. Je-li Přijímač detekován, je prováděno měření a jsou získávána data z Přijímače. V každé větvi druhé části programu je vždy detekováno přetížení, a v jeho případě je opět aktivována softwarová pojistka.
Kód programu Vysílače, včetně komentářů, je uveden v příloze na CD
Obrázek 37: Diagram Vysílače
52
5.2 Monitorovací software pro PC
Pro lepší přehled o běhu systému a snazší možnost prezentace funkčnosti celé sestavy včetně komunikace, bylo rozhodnuto vytvořit navíc ještě monitorovací software pro PC (Obr. 38). Sestavený software využívá navržené datové komunikace jedním bajtem pro požadavek a jedním pro odpověď. Na základě hodnoty je požadavek doručen konkrétnímu zařízení a je navrácena příslušná odpověď. Software se postupně cyklicky dotazuje na všechny požadavky pomocí interního listu, sestaveného dle předchozích tabulek (Tab. 2 a Tab. 3). Navrácené odpovědi následně zpracuje a přepočtené hodnoty zobrazí v příslušných políčkách, kde také v případě stavových informací obarví pozadí políčka příslušnou barvou.
Po zvolení čísla COM-portu, kde je systém připojen k PC a rychlosti komunikace, je tlačítkem Connect COM-port otevřen. Následně je možno nastavit časové intervaly Refresh a Timeout, tedy dobu mezi jednotlivými dotazy a maximální dobu čekání na odpověď. Nastavené monitorování je pak spuštěno tlačítkem Start.
V průběhu monitorování se software nejprve dotáže na přítomnost Vysílače, pokud se vrátí špatná odpověď nebo vyprší časový limit, je tento dotaz opakován, dokud se nepotvrdí přítomnost Vysílače. V případě potvrzení jsou následně dotázána všechna data z Vysílače dle interního listu dotazů, včetně přítomnosti Přijímače, kterou hlídá sám Vysílač. Pokud je Přijímač mimo dosah, software se vrátí na začátek listu a pokračuje od začátku. V případě, že je Přijímač přítomen, software pokračuje v listu dotazů, kde následují dotazy na Přijímač. Po dotázání všech požadavků z listu se software opět vrátí na jeho začátek a v dotazování pokračuje od začátku. V případě, že na libovolný z požadavků v listu není ve stanoveném limitu navrácena odpověď, software inkrementuje políčko s počtem timeoutů a vrací se na začátek listu, kde je dotázána přítomnost Vysílače a následně i přítomnost Přijímače. Jak již bylo řečeno, komunikační kanál není stálý a je přerušen například vzdálením Přijímače. Pokud
53
Kompletní kód monitorovacího softwaru včetně komentářů, aktuálních hodnot pro přepočet jednotek a listu dotazů je opět přiložen v příloze na CD.
Software byl vytvořen v programovacím jazyce C# na platformě .NET 3.5 s využitím frameworku WPF [55]. Pro tvorbu bylo využito vývojové prostředí Microsoft Visual Studio Premium 2012 [56]. Projekt byl přehledně rozdělen do několika tříd, aby bylo možné jej v rámci dalších prací snadno pochopit a rozšířit.
Třída MainWindow.xaml se stará o vzhled monitorovacího softwaru a rozmístění a jednotlivých položek. Třídy CommandProtocol.cs a StatusList.cs slouží jako pomocné třídy, které poskytují výčtové typy se srozumitelnými názvy a konkrétními hodnotami všech požadavků a odpovědí, jenž systém definuje. Třída Connection.cs zapouzdřuje práci se sériovou linkou a stará se například o odesílání a přijímání dat. Třída DeviceClass.cs definuje vykonávání jednotlivých požadavků z listu, tedy odeslání konkrétního požadavku a přijetí odpovědi spolu s jejím přepočtem.
Třída MainWindow.xaml.cs definuje položky v listu a jeho procházení spolu s výpisem získaných hodnot do patřičných políček.
Obrázek 38: Software pro PC
54
6 Testování systému
Po dokončení softwarové části bylo již možné celou sestavu kompletně otestovat.
Samostatné moduly doplňující hlavní části, tedy komunikační moduly, moduly pro přenos energie a převodníkový UART/USB modul, byly testovány již v průběhu práce a jejich funkčnost byla ověřena při mnoha pokusech a měřeních.
Přijímač byl nejprve testován na laboratorním zdroji s možností regulace napájení, kde se testovala jeho funkčnost a reakce na změny vstupního napětí. Přijímač bez problémů patřičně reagoval na přepětí i podpětí dle stanovených požadavků a při dostatečném napětí vždy dobíjel připojenou baterii. Nabíjení ve třech fázích probíhalo taktéž bez problémů.
Dále byl testován samostatný Vysílač. Chod Vysílače probíhal opět zcela bez problémů a Vysílač ve stanovených intervalech sepnul Rezonanční vysílač a skrze Rádiový modul vyhledával přítomnost Přijímače.
Následné testování bylo zaměřeno na přenos energie a dat mezi Přijímací a Vysílací stanicí, při přiblížení Přijímače na vzdálenost cca 6 cm se Přijímač aktivoval.
Po přiblížení na cca 5 cm napětí vzrostlo nad limit pro aktivaci Rádiového modulu a Přijímač začal komunikovat s Vysílačem. Vysílač ihned detekoval přítomnost Přijímače, a tedy ponechal zapnutý Rezonanční vysílač a začal získávat data od Přijímače, která pak také zobrazil na Displayi. Po přiblížení na cca 4 cm vzrostlo napětí nad limit pro nabíjení a Přijímač začal nabíjet baterii. Následně byl Přijímač odstraněn z dosahu Vysílací stanice, ta opět ihned detekovala absenci Přijímače a uspala se. Poté následně ve stanovených intervalech opět prováděla vyhledávání. Po přepnutí do manuálního módu Vysílací stanice neustále vyzařovala energii a neustále se dotazovala na data z Přijímače. Pokud Přijímač nebyl přítomen, zobrazovala na Displayi pouze svoje naměřené hodnoty a v případě, že Přijímač přítomen byl, zobrazovala i jeho hodnoty. Vysílací stanice tedy také fungovala dle stanovených požadavků.
Dále byla Vysílací stanice připojena k PC s monitorovacím softwarem a celý pokus byl zopakován, monitorovací software během celého pokusu bez problémů zobrazoval všechna pořízená data a informoval o stavu celého systému.
55
7 Návrhy do budoucna
Během celé práce a zejména pak závěrečného testování, bylo získáno velké množství poznatků a návrhů, jak systém do budoucna vylepšit. Kvůli rozsahu práce, která zasahuje do mnoha oborů a jejímž cílem bylo navrhnout a zhotovit funkční prototyp, bylo z časových a finančních důvodů provedeno několik ústupků. Návrh, pořízení součástek, sestavení, otestování a odladění všech hardwarových částí zabralo většinu časového rozvrhu práce, a tedy byla softwarová část značně zjednodušena a slouží hlavně pro testovací a prezentační účely.
Jako největší problém v systému se ukázal být 15 V DC/DC konvertor, který má malý vstupní rozsah napětí. Limitován je 18 V a na tuto hodnotu napětí na Přijímači vystoupá poměrně rychle. Následně musí být regulováno ztrátovým stabilizátorem, který snižuje efektivitu přenosu. Další nevýhodou je, že Rezonanční přijímač je velice měkký zdroj proudu a při vzdálenosti, která naindukuje na Přijímači napětí pod 18 V, je při zatížení, způsobeném sepnutím nabíjení, značný pokles napětí na vstupu. Z tohoto důvodu musely být použity bočníky s vyšší hodnotou, jinak by při sepnutí nabíjení mohlo vstupní napětí klesnout pod nabíjecí limit. Tento problém by vyřešil DC/DC konvertor s vyšším vstupním rozsahem napětí, takový, který by vyhovoval požadavkům, však nebyl v dané cenové kategorii nalezen. Tyto konvertory jsou běžně dostupné s rozsahem 8–18 V nebo 18–36 V. Řešením tohoto problému by tedy mohla být kombinace obou těchto konvertorů doplněná o obvod, který by mezi nimi přepínal, nebo investice do některého z dražších modelů [57] (Obr. 39), které jsou dostupné s nejideálnějším rozsahem například 9–36 V.
Obrázek 39: Vhodnější DC/DC konvertor [57]
56
Dalším vhodným vylepšením by bylo do systému doplnit nebo integrovat nějaký sofistikovanější nabíjecí modul. V současném systému je dobíjení řešeno přes tři různé bočníky, které omezují maximální možný odběr proudu baterií, jelikož při větším odběru by došlo ke značnému poklesu napětí u napájení Přijímače, a mohlo by dojít baterie. Ten byl původně plánován již při vývoji prototypu, avšak z cenových důvodů a faktu, že práce je zaměřena hlavně na bezdrátový přenos a zpracování energie, se od něj ustoupilo. Hodnota proudu při nabíjení je užitečná pro zjištění stavu nabití baterie a také by ji určitě využil nabíjecí modul.
Vhodné by také bylo do budoucna, na základě získaných poznatků ze současné koncepce systému a použité komunikace, navrhnout nějaký sofistikovanější systém komunikace a případně i komunikační protokol, který vyřeší adresování zařízení a zabezpečí data například nějakým kontrolním součtem. Je však třeba mít na mysli, že se komunikuje mezi více zařízeními, je žádáno různé množství dat a komunikační linky nejsou stálé. Vhodné by také bylo použít mikrořadič, který disponuje přerušením od sériové linky.
Dále také bude třeba doplnit do systému komunikaci s robotem, který by tuto bezdrátovou Přijímací stanici integroval. Z nabíjecího modulu by pak získával informace o průběhu nabíjení a na základě těchto hodnot by robot mohl například upravit svou pozici vůči Vysílací stanici, aby maximalizoval efektivitu nabíjení.
Poslední návrhy do budoucna se týkají konstrukčních prvků. Použité senzory proudu byly u prototypů umístěny do provizorních patic. Toto zapojení se však ukázalo jako nevhodné, jelikož slabý výstupní signál, který vede do zesilovače, je ovlivněn přechodovými odpory, které se při manipulaci mění. Dále by bylo vhodné dát si pozor na umístění ladících trimrů. Některé z nich jsou u prototypu špatně přístupné. Taktéž by bylo vhodné trimry doplnit o krajní odpory pro snížení ladícího rozsahu, které umožní snazší ladění obvodů.
57
Závěr
Zadáním této práce bylo seznámit se s dostupnými druhy bezdrátového přenosu energie a na základě vybrané technologie navrhnout a sestavit prototyp systému pro bezdrátové dobíjení. Prototyp následně řádně otestovat.
Práce započala seznámením se s dostupnými technologiemi bezdrátového přenosu energie a výběrem realizovatelných technologií. Výběr byl zúžen na dvě technologie a po důkladném seznámení, prozkoumání a otestování byla zvolena technologie elektrodynamické rezonance. Po výběru technologie byly shrnuty všechny poznatky a požadavky a byla navržena koncepce bezdrátového dobíjecího systému.
Následně byly rozvrženy jednotlivé části systému, jejich chování a systém komunikace.
Dále byly v práci postupně navrženy, sestaveny a otestovány jednotlivé části systému.
K nim byly poté sepsány testovací programy a pomocí nich ověřeny všechny části jednotlivých modulů. Po dokončení hardwarových částí byly navrženy finální programy pro jejich správu a otestována komunikace mezi nimi. Funkčnost kompletního systému byla následně několika způsoby řádně otestována, čímž bylo splněno zadání práce. Pro zvýšení přehlednosti stavu systému pro testování a lepší možnost prezentace byl dále ještě vytvořen monitorovací software pro PC, který přehledně zobrazuje naměřené hodnoty a aktuální stav systému. S tímto softwarem byl systém opět otestován a vše fungovalo dle požadavků a předpokladů.
Prototyp bezdrátového dobíjecího systému byl koncipován jako laboratorní aparát, který bude dále upravován a rozšiřován. Aktuálně je ve funkčním stavu a během práce a závěrečného testování bylo získáno mnoho různých poznatků a návrhů na další možné doplňky či úpravy.
58
Použitá literatura a zdroje informací
[1] PINKER, Jiří. Mikroprocesory a mikropočítače. 1. vyd., 1. dot. Praha:
BEN - technická literatura, 2008, 159 s. ISBN 978-80-7300-110-0.
[2] MALINA, Václav. Poznáváme elektroniku I. 3. vyd. České Budějovice: KOPP, 2003, 222 s. ISBN 80-723-2039-4.
[3] MALINA, Václav. Poznáváme elektroniku II. 1. vyd. České Budějovice: KOPP, 1995, 193 s. ISBN 80-723-2172-2.
[4] MALINA, Václav. Poznáváme elektroniku III. 1. vyd. České Budějovice: KOPP, c1997, 240 s. ISBN 80-858-2887-1.
[5] MALINA, Václav. Poznáváme elektroniku IV. 1. vyd. České Budějovice: KOPP, c1998, 220 s. ISBN 80-723-2173-0.
[6] MALINA, Václav. Poznáváme elektroniku V: Vysokofrekvenční technika. 1. vyd.
České Budějovice: KOPP, c2000, 343 s. ISBN 80-723-2114-5.
[7] MALINA, Václav. Poznáváme elektroniku VI: od A do Z. 2. vyd. České Budějovice:
Kopp, 2007, 289 s. ISBN 978-80-7232-324-1.
[8] MALINA, Václav. Poznáváme elektroniku VII: Osciloskopy. 1. vyd. České Budějovice:
KOPP, c2002, 288 s. ISBN 80-723-2175-7.
[9] MALINA, Václav. Poznáváme elektroniku VIII: Digitální technika. 1. vyd.
České Budějovice: Kopp, 2006, 430 s. ISBN 80-723-2271-0.
[10] NOVÁK, Ondřej. Elektronika. Vyd. 2. Liberec: Technická univerzita v Liberci, 2004, 178 s. ISBN 80-708-3792-6.
[11] Wireless power. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA):
Wikimedia Foundation, 2001 [cit. 2014-05-08]. Dostupné z:
http://en.wikipedia.org/wiki/Wireless_power
[12] Ampérův zákon. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA):
Wikimedia Foundation, 2001 [cit. 2014-05-08]. Dostupné z:
http://cs.wikipedia.org/wiki/Ampérův_zákon
[13] Zákon elektromagnetické indukce. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online].
San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001 [cit. 2014-05-08]. Dostupné z:
http://cs.wikipedia.org/wiki/Zákon_elektromagnetické_indukce
59
[14] Nikola Tesla. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA):
Wikimedia Foundation, 2001 [cit. 2014-05-08]. Dostupné z:
http://cs.wikipedia.org/wiki/Nikola_Tesla
[15] S. Y. R. HUI, S. Y. R. A New Generation of Universal Contactless Battery Charging Platform for Portable Consumer Electronic Equipment. In: POWER ELECTRONICS [online]. 2005 [cit. 2014-05-08]. 20. Dostupné z:
http://www.convenientpower.com/1/file/cp_416.pdf
[16] WIRELESS POWER CONSORTIUM [online]. 2008 [cit. 2014-05-08]. Dostupné z:
http://www.wirelesspowerconsortium.com
[17] KIM, Sanghoek, John S. HO, Lisa Y. CHEN a Ada S. Y. POON. Wireless power transfer to a cardiac implant. Applied Physics Letters [online]. 2012-08-13, vol. 101, issue 7, s. 073701- [cit. 2014-05-09]. DOI: 10.1063/1.4745600. Dostupné z:
http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/101/7/10.1063/1.4745600
http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/101/7/10.1063/1.4745600