отдай работу сука. спасение. Электронный замок с управлением через WiFi
 Скачать 2.27 Mb.
|
|
3 Разработка структурной схемы устройства На рисунке 3.1 представлена структурная схема электронного замка с управлением через WI-FI. Рисунок 3.1 –Структурная схема электронного замка с управлением через WI-FI Питание системы осуществляется от 10 солнечных модулей, которые должны быть установлены на месте, доступном для солнечного света. Данные модули в свою очередь заряжают блок питания, который состоит из 8 литиевых аккумулято- ров. Для осуществления беспроводной связи устройства ввода данных пользователя и системы управления и контроля доступом будет использоваться WI-FI модуль. Так как WI-FI модуль работает с напряжением 3.3 Вольта, то будет использоваться пре- образователь напряжения 12-3.3 Вольт, для преобразования 12 Вольт блока питания в 3.3 Вольт для питания модуля. Также, выводы модуля подключаются к выходам 30 RX и TX контроллера через делитель напряжения. Для воспроизведения звукового и светового сигналов будут использоваться пьезодинамик и светодиоды, подключен- ные непосредственно к рабочим выходам контроллера. Объектом управления дан- ной системы является электромеханический замок. Для управления электромехани- ческим замком потребуется электромагнитное реле, замыкающее цепь из замка и блока питания, т.к. выходного напряжения контроллера не хватит для управления замком. 31 4 Выбор электронных компонентов Arduino UNO на базе процессора ATmega328 Wi-Fi модуль ESP8266-01 Электромагнитное реле srd-05vdc-sl-c Солнечный модуль 6В, 1 Ватт фирмы ANBES – 10 шт. Литиевые аккумуляторы 18650 3.7В, 2600 мАч – 8 шт. Электромеханический замок «ШЕРИФ-3В.У» Пьезоизлучатель звука HPA17A 5 5В, 25мА Светодиод зеленый 510PG2C 3В, 20мА Светодиод красный 510HR3C 2.6В, 20мА С1-4 резистор 0,25 Вт, 5%, 430 Ом С1-4 резистор 0,25 Вт, 5%, 150 Ом С1-4 резистор 0,25 Вт, 5%, 220 Ом С1-4 резистор 0,25 Вт, 5%, 100 Ом Диод 1N4007 1А, 1000 В. Преобразователь напряжения AMS1117 Батарейный кейс для аккумуляторов 18650 – 4 шт. Макетная плата 200Х150 В данной системе контроля и управления доступом в роли устройства прини- мающего решение, относительно разрешения или запрета доступа в помещение, ис- пользуется Arduino UNO на базе микроконтроллера ATmega 328 (рисунок 4.1). Выбор именно микроконтроллера, а не одноплатного компьютера обосновы- вается поставленной перед системой задачей, а именно управлением электромаг- нитным замком. Так как микроконтроллеры могут выполнять только одну задачу, заданную программой пользователя, в нашем случае это управление замком, а од- ноплатные компьютеры исполняют несколько программ в рамках операционной си- стемы, то нет необходимости использовать данные более сложные, мощные и доро- 32 гостоящие платформы. Поэтому в данном проекте будет использоваться микро- контроллер Arduino UNO. Также, платформа Arduino имеет очень удобную среду программирования Arduino IDE, которая имеет монитор порта, с помощью которого можно управлять WI-FI модулем посредством AT-команд. От контроллера нам потребуется четыре цифровых выхода. Три выхода- для подачи сигнала 5 Вольт на устройства светового и звукового оповещения и один- для подачи сигнала на электромагнитное реле. Для обмена данными с WI-FI моду- лем будут использоваться RX-TX выходы. Также, необходим выход GND. Сама плата должна питаться от напряжения 12 Вольт. Исходя из вышенаписанного, луч- шим выбором будет плата Arduino Uno. Конкурентом ей может стать плата Arduino Due, но данная плата проигрывает Uno по цене, при этом имеет дополнительные функции, не востребованные в нашем проекте. На рисунке 4.1 изображена плата Ar- duino Uno. Рисунок 4.1- Плата Arduino Uno Максимальный ток на выходах Arduino Uno составляет 40мА. Этого недостаточно для управления WI-FI модулем ESP8266-01, который может потреблять от 62 до 215 мА, в зависимости от режима работы. Следовательно, его нельзя подключить для питания к выходу 3,3 Вольт контроллера. Но, можно подключить данный модуль к 33 блоку питания системы, предварительно понизив напряжение до 3,3 Вольт, необхо- димых для питания модуля. Для решения этой проблемы можно воспользоваться преобразователем напряжения AMS1117 он преобразует напряжение 12 Вольт в 3.3 Вольт. Данный модуль может выдавать при 3,3 Вольтах ток до 1 А. При этом, мак- симальное входное напряжение может достигать 18 Вольт. На рисунке 4.2 изобра- жен преобразователь AMS1117. Рисунок 4.2- Преобразователь напряжения AMS1117 С помощью WI-FI модуля esp8266-01 в нашей системе контроля и управления до- ступом осуществляется связь между пользовательским устройством ввода данных для открытия замка и контроллером Arduino Uno. На рисунке 4.3 представлен внеш- ний вид модуля ESP8266-01. На современном рыке существуют аналоги данного 34 модуля, например, MediaTek MT7681. Из его плюсов можно выделить его сравни- тельно маленькие габариты (5 x 5 мм), и наличие UART, SPI, GPIO портов. Однако его использование затрудняется его высокой, относительно аналогов, ценой и прак- тически отсутствием какой либо технической и справочной документации о модуле. Esp8266 подключается к последовательному порту Arduino UNO, который пред- ставлен выходами RX TX. Модуль esp8266-01 питается от напряжения 3.3 Вольта, которые подаются на выход VCC модуля через преобразователь напряжения. Выход GND –это земля (минус питания). RST- выход для перезагрузки модуля. При подаче на него напряжения модуль перезагружается. Обмен данными между модулем и контроллером осуществляется через выхода RX (прием данных) и TX (передача данных). У платы Arduino Uno на выходе TX значение напряжения при единице равно 5 В. Такое напряжение, поданное на вход RX модуля, может вывести его из строя. Чтобы этого не произошло можно использовать делитель напряжения, состо- ящий из двух резисторов: 110 КОм и 200 КОм, который будет преобразовывать 5 Вольт в 3,3 Вольта, которые будут подаваться на выход RX модуля. Максимальная дистанция связи 100 метров. Рисунок 4.3 – Модуль ESP8266-01 Объектом управления разрабатываемой системы контроля и управления до- ступом является электромеханический замок «ШЕРИФ-3В.У». На рисунке 4.4 35 представлены габаритные размеры замка. Он является нормально открытым, то есть, он открывается при снятии с него напряжения. Это является очень полезной харак- теристикой, так как в случае какой либо поломки системы, люди в помещении не окажутся заблокированы закрытыми дверьми. Замок может выдерживать усилие удержания не менее 300 кг. Напряжение питания данного замка составляет 12 Вольт. Так как Arduino UNO не может обеспечить такое значение напряжения на своих выходах, то замок необходимо подключить к блоку питания 12 Вольт. Рисунок 4.4- Габаритные размеры замка Питание системы будут осуществлять десять солнечных модуля фирмы ANBES (ри- сунок 4.5). Напряжение на выходе каждого модуля составляет 6 Вольт, мощность- 1 Ватт. Для обеспечения 12 вольт модули будут разделены на пять пар, в которых мо- 36 дули будут соединены последовательно. Затем, пять пары модулей будут соединены параллельно. Таким образом, мы получим источник питания 12 Вольт мощностью 10 Ватт. Так как вся наша система потребляет примерно 4 Ватта (так как в разные ре- жимы работы для работоспособности системы необходим разный ток), то для рабо- ты системы в течение 12 часов нам необходим блок питания емкостью минимум 4800 а*час. Рисунок 4.5 – Солнечный модуль ANBES 6 Вольт, 0.6 Ватт Для того, чтобы разрабатываемая система не зависела от степени освещенности окружающей среды, необходимо наличие устройства, которое бы принимало заряд от солнечных модулей, накапливало его и отдавало его для питания системы. Дан- ное устройство - блок питания и состоит из последовательно и параллельно соеди- ненных 8 литиевых аккумуляторов 18650 3.7В 2600 мАч (Рисунок 4.6). Таким обра- зом, мы получим блок питания который обеспечит нашу систему необходимыми 7 Ваттами на 12 часов работы в течение темного времени суток. Максимальный ток разрядки данных аккумуляторов может достигать 4,6 А. Для того, чтобы в отсут- 37 ствии освещения, когда на солнечных модулях напряжение может опускаться ниже 12 В, ток не был направлен от блока питания к солнечным модулям, будет исполь- зован диод 1N4007. Его максимальное обратное напряжение = 1000 В. Прямой ток 1А. Рисунок 4.6 - Литиевые аккумуляторы 18650 3.7В Данные аккумуляторы будет располагаться в четырех, последовательно соединен- ных кейсах, изображенных на рисунке 4.6.1 38 Рисунок 4.6.1 - Кейс для аккумуляторов 18650 3.7В Помимо подачи напряжения на WI-FI модуль и контроллер, напряжение будет подаваться и на электромеханический замок через реле srd-05vdc-sl-c, изображен- ный на рисунке 4.7. Рисунок 4.7 - Модуль реле srd-05vdc-sl-c 39 Данный модуль реле имеет три вывода - IN, DC+, DC-. На вывод IN подается управ- ляющий сигнал с контроллера. DC- вывод для земли, он подключается к выходу GND котроллера. К выводу DC+ подключается вывод 5 V контроллера. Также, реле имеет еще три вывода: NO, COM и NC. COM вывод – это общий контакт, к нему бу- дет подключен один из контактов цепи “блок-замок”. NO - это нормально- разомкнутый контакт. NC - нормально-закрытый. Наш электромеханический замок является нормально открытым, то есть, он открывается при снятии с него напряже- ния. Следовательно, второй контакт цепи “блок-замок” необходимо подключить к выводу NС. Таким образом, управляющий сигнал на выходе IN реле отсутствует, то цепь, состоящая из блока питания замка будет замкнут контактами COM и NC. Сле- довательно, на него будет поступать необходимое напряжение чтобы замок был за- крыт. При подаче управляющего сигнала с контроллера на вход IN реле, цепь, из блока питания и замка будет размыкаться, и замок будет открыт. Для того, чтобы пользователь узнал, открылся замок или нет будут использо- ваться светодиоды (Рисунок 4.8). В случае, если идентификатор, введенный пользо- вателем правильный, то замок откроется и загорится зеленый светодиод. Во всех остальных случаях будет гореть красный светодиод. Рисунок 4.8 – Светодиоды 510PG2C и 510HR3C Данные светодиоды потребляют ток, равный 20 мА. Светодиоды имеют две ножки. Одна короткая- катод. Длинная – анод. Для ограничения тока, проходящего через 40 них от выходов контроллера, каждый будет подключен через резистор. Красный светодиод потребляет ток 20 мА при напряжении 2-2.6 Вольта. Он будет подключен к выводу контроллера через резистор 150 Ом. Рассеиваемая мощность на резисторе составит 0.06 Вт. Зеленый светодиод подключается к следующему выводу контрол- лера и потребляет ток 20 мА при напряжении 3 Вольта. Он подключается через ре- зистор 100 Ом и рассеиваемая мощность на нем составит 0,04 Вт. Для звукового оповещения об открытии замка будет использоваться пьезоиз- лучатель звука HPA17A 5 5В, 25мА. Он изображен на рисунке 4.9. Так как ток, ко- торый он потребляет равен 25 мА, то он будет напрямую подключен к выходам кон- троллера. Диаметр корпуса излучателя составляет всего 9,6 мм, что делает его очень компактным. Уровень звука составляет 78дБ. Был выбран именно пьезоизлучатель, а не электромагнитный излучатель, так как он обладает большей износостойкостью. Также, ни имеет посторонних шумов и потребляет меньший ток, по сравнению с электромагнитным излучателем. Рисунок 4.9 – Пьезоизлучатель звука HPA17A Все элементы системы, кроме солнечных панелей и электромеханического замка будут располагаться односторонней макетной плате 200мм на 150 мм (Рису- нок 4.10). 41 Рисунок 4.10 – Стеклотекстолит FR4 Его размеры соответствуют необходимым размерам для размещения на нем всех необходимых элементов системы контроля и управления доступом. 42 5 Подключение компонентов 5.1 Подключение WI-FI модуля В данном проекте используется микроконтроллер ESP8266 с интерфейсом WI-FI и UART. Существуют различные варианты исполнения плат с данным кон- троллером. Все они различаются только размерами, вариантами антенн и выходами. Поэтому в данной работе используется Wi-Fi модуль ESP8266 01, изображенный на рисунке 5.1.1 Рисунок 5.1.1 – Wi-Fi модуль ESP8266 01 Данный модуль поддерживает протокол передачи данных UART. UART- это асинхронный последовательный протокол, который передает и принимает данные в виде 0 и 1. Синхронизация осуществляется по времени, которая определяется до начала передачи данных. Поэтому принимающее устройство и передающее должно работать на одной скорости передачи данных, иначе данные могут быть либо ча- стично, либо полностью утеряны. 43 В начале передачи предающее устройство посылает логический ноль. Это- старто- вый бит. Принимающая сторона, получив стартовый бит, выжидает определенное время и начинает считывать 2,3,4 и т.д. биты через одинаковые интервалы времени. Последний бит является стоп битом, который сигнализирует о конце передачи дан- ных. Для передачи данных используются 8 бит плюс бит старта и бит окончания передачи. Работать с ESP8266 можно двумя способами: 1. Для управления модулем использовать переходник USB- UART. Тогда, мо- дуль можно подключить через переходник к USB порту компьютера и управ- лять им с помощью AT – команд. 2. Подключить модуль через интерфейс UART к последовательному интерфейсу UART Arduino UNO. A arduino UNO, в свою очередь, подключить к UAB пор- ту компьютера, так как сама плата контроллера уже имеет преобразователь USB-UART TTL CH340G. Управление модулем будет осуществляться с по- мощью АТ - команд при помощи среды программирования Arduino IDE. В данном проекте используется второй вариант. Модуль ESP8266 01 имеет 8 выводов рисунок 5.1.2: VCC CH_PD GND RX TX RESET GPIO0 GPIO2 44 Рисунок 5.1.2 – Обозначения выводов Wi-Fi модуля ESP8266 01 На вывод VCC подается напряжение для питания модуля. Для его работы необходимо напряжение 3,3 Вольта. На плате Arduino UNO присутствует вывод 3,3 Вольта, но он не подойдет для питания модуля, так как максимальный ток, который может потреблять ESP8266 01 составляет 250 мА, в то время, как максимальный ток, который может обеспечить Arduino UNO составляет 40 мА. Поэтому для пита- ния модуля используется блок питания на 12 Вольт, напряжение которого преобра- зуется с помощью преобразователя напряжения AMS1117 в 3.3 вольта, и который может обеспечить максимальный ток 1 А. Вывод GND модуля подключается к земле преобразователя AMS1117. Вывод CH_PD нужен для включения модуля. Для этого на него необходимо подать напряжение, как и на вывод VCC. Он также под- ключается к контакту 3,3 Вольт преобразователя AMS1117. Выводы RX и TX пред- ставляют из себя передающую (TX) и принимающую (RX) линии UART. Они ис- пользуются для последовательной передачи данных между модулем и платой Ar- duino. Вывод TX модуля необходимо подключить к выводу RX контролера. Вывод же TX контроллера нельзя подключать непосредственно к выводу RX модуля. Ar- duino UNO работает на TTL логике (0-5 Вольт) в то время как ESP8266 работает с 3,3 Вольтами. Следовательно, напряжение на выводе TX контроллера может ока- 45 заться слишком большим для модуля и вывести его из строя. Для решения этой про- блемы используется делитель напряжения из резисторов 220 Ом и 430 Ом, изобра- женный на рисунке 5.1.3 Земля делителя - это земля контроллера. Выводы RESET, GPIO0, GPIO2 не используются, так как нужны только во время перепрошивки мо- дуля. Рисунок 5.1.3 – Делитель напряжения для передачи данных по интерфейсу UART В конечном итоге схема подключения Wi-Fi модуля к Arduino Uno будет выгля- деть так, как показано на рисунке 5.1.4. 46 Рисунок 5.1.4 – Принципиальная схема подключения модуля Wi-Fi 5.2 Подключение реле Так как максимальный ток и напряжение, которые может выдать Arduino UNO недостаточны для питания электромеханического замка, то в данном проекте ис- пользуется электромагнитное реле srd-05vdc-sl-c. Данный модуль будет управляться с помощью управляющего сигнала с Ar- duino UNO. Напряжение для работы самого замка будет поступать с блока питания 12 Вольт, после замыкания необходимых контактов реле. Данный модуль реле имеет три вывода - IN, DC+, DC-. На вывод IN подается управляющий сигнал с контроллера. DC- вывод для земли, он подключается к выхо- ду GND котроллера. К выводу DC+ подключается вывод 5 V контроллера. Также, реле имеет еще три вывода: NO, COM и NC. COM вывод – это общий контакт, к нему будет подключен один из контактов цепи “блок-замок”. NO - это нормально- разомкнутый контакт. NC - нормально-закрытый. Наш электромеханический замок является нормально открытым, то есть, он открывается при снятии с него напряжения. Следовательно, второй контакт цепи “блок-замок” необходимо подключить к выводу NС. Таким образом, управляющий 47 сигнал на выходе IN реле отсутствует, то цепь, состоящая из блока питания замка будет замкнут контактами COM и NC. Следовательно, на него будет поступать не- обходимое напряжение чтобы замок был закрыт. При подаче управляющего сигнала с контроллера на вход IN реле, цепь, из блока питания и замка будет размыкаться, и замок будет открыт. Принципиальная схема подключения реле показана на рисунке 5.2.1 Рисунок 5.2.1 – Принципиальная схема подключения реле 5.3 Подключение светодиодов и излучателя звуков В качестве устройств звукового и светового оповещения о режиме работы замка в данном проекте используются: Светодиод зеленый 510PG2C 3В, 20мА Светодиод красный 510HR3C 2.6В, 20мА Пьезоизлучатель звука HPA17A 5 5В, 25мА С1-4 резистор 0,25 Вт, 5%, 150 Ом 48 С1-4 резистор 0,25 Вт, 5%, 100 Ом Так как пьезоизлучатель звука HPA17A рассчитан на напряжение 5 Вольт, а именно такое напряжение на выводах контроллера Arduino UNO, то данный пьезо- излучатель подключается к любому выводу контроллера выводом + и на вывод GND котроллера выводом - напрямую. Светодиоды так подключать нельзя, так как при рабочем токе 20 мА они в сред- нем требуют напряжение 2.6-3.3 Вольта, в зависимости от светодиода. Поэтому, данные светодиоды подключаются к выводам контроллера каждый через резистор. Красный светодиод при токе 25 мА требует в среднем 2.6 Вольт. В среднем, так как светодиод имеет нелинейную ВАХ, поэтому у каждого производителя требования по напряжению для каждого вида светодиодов разные. Светодиоды имеют по две ножки. Одна- короче, другая длиннее. Длиная ножка – это анод. Он подключается к выводу контроллера, на котором будет высокое значение напряжения. Короткая ножка- катод она подключается к GND контроллера. Красный светодиод подключа- ется к выводу контроллера последовательно через резистор 150 Ом. Зеленый требу- ет в среднем напряжение 3 Вольта. Он подключается к выводу контроллера после- довательно через резистор 100 Ом. Принципиальная схема подключения пьезоди- намика и светодиодов показана на рисунке 5.3.1 Рисунок 5.3.1 – Принципиальная схема подключения светодиодов и пьезодинамика |