Proiect de captare a energiei solare pentru alimentarea unui MSP430 cu notificare 2,4GHz

Figura 1: Lista de materiale în format vizual.

În mod simplu, recoltarea energiei este abilitatea de a lua o formă de energie şi de a o transforma în electricitate ce poate fi stocată într-o baterie sau într-un super-condensator (denumit şi ‘supercap’ sau ‘ultracap’). Aplicaţiile solare sunt de la fotovoltaice de înaltă tensiune cu montare pe acoperiş, până la instalaţii solare mici pentru comandă de la distanţă a unor aplicaţii de joasă putere. Mai multă atenţie este dată energiei solare ca alternativă la petrol, ceea ce este o aplicaţie la scară largă, dar energia solară poate fi captată la scară mică pentru a oferi o sursă de energie auto-sustenabilă pentru instalaţii cu comandă de la distanţă. Panourile solare încarcă bateriile pe timpul zilei şi unitatea de monitorizare de la distanţă poate transmite un semnal sau chiar poate înregistra date local. Dispozitivele de captare a energiei de toate felurile sunt utilizate pentru a alimenta multe aplicaţii de joasă energie, incluzând încărcătoare de baterii pentru dispozitive mobile, electronice portabile şi reţele de senzori cu comandă de la distanţă. Microcontrolerul MSP430 este un MCU ideal pentru comanda de la distanţă pentru că este incredibil de eficient energetic.

Autor: Michael Parks, P.E. la Mouser Electronics
Pentru a evidenţia utilizarea energiei solare într-o aplicaţie cu comandă de la distanţă, vom utiliza un microcontroler Texas Instruments (TI) MSP430 într-o aplicaţie wireless ce v-ar putea tenta să o faceţi personal. În mod specific vom testa o platformă de colectare a energiei EH (Energy Harvesting) pentru a alimenta un sistem de cutie poştală cu comandă de la distanţă cu notificare. Cutia poştală este utilizată în lipsa unei cerinţe profesionale reale, dar aceeaşi schemă poate fi utilizată pentru transmisia la distanţă a unei acţiuni complete. Odată ce aveţi proiectul circuitului de bază şi programarea unui microcontroler, s-ar putea să doriţi să începeţi explorarea diferitelor arhitecturi de microcontroler şi platforme pentru a vedea ce este posibil. Producătorii de cipuri vând plăci de dezvoltare sau kit-uri pentru a oferi o cale inginerilor să dezvolte şi testeze rapid o aplicaţie fără eforturile de a dezvolta o placă particulară. De aceea inginerii proiectanţi le utilizează frecvent, iar producătorii vor găsi aceste “dev kits” ca o oportunitate fantastică de a avansa în profunzimile proiectării electronice.
Există în lume numeroase platforme de microcontrolere, şi unele pot fi mai bine potrivite pentru aplicaţii concrete decât venerabilul Arduino. Aici, prezentăm un proiect utilizând foarte cunoscutul micro­controler de joasă putere MSP430 de la Texas Instruments (TI) pentru o aplicaţie pe care aţi putea fi tentaţi să o faceţi şi dvs. Aici, o platformă solară EH (Energy Harvesting) alimentează un sistem de notificare la distanţă. Acest articol cu instrucţiuni complete, listă de materiale necesare, produse pre-selectate într-un proiect, cod sursă şi multe altele, vă este oferit la pagina web www.mouser.com/applications/solar-energy -harvesting

Figura 2: Întreg sistemul aşa cu este el conectat.

Scurtă descriere a proiectului: MSP430 alimentat prin panou solar
Deşi acest aranjament poate fi utilizat pentru orice notificare similară la distanţă, exemplul dat detectează atunci când corespondenţa este livrată şi spune asta unui computer aflat în interior. Computerul comandă apoi un servo-motor care mută un indicator fizic al stării livrării corespondenţei.

Proiectul constă din două module: primul este un panou solar (aflat evident în exterior) pentru alimentarea MSP430, un transceiver RF şi un circuit de detecţie a luminii ambientale montat în interiorul cutiei poştale.
Al doilea modul (aflat în interior) este conectat la o cheie hardware (dongle) de depanare USB, un computer pe care rulează pro­gramul stabilit şi placa de dezvoltare MSP430 LaunchPad ce comandă servo­motorul care mişcă braţul indicator de stare.

Informaţii cu privire la proiect şi anume toate componentele electronice necesare (BOM) pot fi găsite la adresa de internet: www.mouser.com/ProjectManagerProjectDetail.aspx?AccessID=5da7159fe5.
Accesând acest link puteţi primi un coş de cumpărături la mouser.com cu toate componentele din lista de materiale, cantităţi şi preţuri. Legăturile din proiect create în cadrul coşului mouser.com sunt excelente pentru partajarea proiectelor cu încre­derea că toate componentele sunt corecte fără a necesita căutări speciale.

Lista de materiale (BOM) conţine:

Componentele externe de captare la distanţă
În mediul exterior folosim unealta de dezvoltare pentru captarea energiei solare eZ430-RF2500-SEH. Din descrierea ce însoţeşte produsul ştim următoarele:

Modulul de captare a energiei solare eZ430-RF2500-SEH include un panou solar de înaltă eficienţă ce poate opera de asemenea şi în mediu interior cu lumină fluorescentă de joasă intensitate, pentru a oferi suficientă energie unei aplicaţii cu senzori wireless, fără baterii suplimentare. Acest kit are de asemenea intrări pentru captatori externi de energie şi stochează energia suplimentară într-o pereche de baterii reîncărcabile film subţire, ce seamănă cu nişte cipuri CI mari.

eZ430-RF2500 este un kit în kit; acesta este inclus în kit-ul de captare a energiei solare eZ430-RF2500-SEH şi este utilizat pentru a comanda o aplicaţie de captare a energiei la distanţă, aplicaţie pe care am montat-o afară cu panoul solar. Dispozitivul inclus eZ430-RF2500 este în sine o unealtă de dezvoltare completă, wireless, bazată pe USB, dezvoltată în jurul microcontrolerului MSP430 (unul dintre membrii familiei MSP430F22x4, unde “x” este un număr ce poate varia). Acesta include o interfaţă de depanare pentru MSP430, ce permite depanare în sistem în timp real, programare, dar şi interfaţă de transfer a datelor către un PC de la un sistem wireless.
Pentru colectarea unor date suplimentare poate fi integrat şi un senzor extern, deşi în cazul acestui exemplu nu a fost folosită această capabilitate. Kit-ul de dezvoltare eZ430-RF2500 include:
• Un emulator alimentat prin USB pentru programarea şi depanarea unei aplicaţii în sistem
• Două plăci wireless ţintă 2,4-GHz cu MCU MSP430F de ultra joasă putere
• O placă de extensie baterii şi baterii AAA
• 1 buton cu apăsare
• 2 LED-uri
• Placa wireless ţintă eZ430-RF2500T
• TI CC2500 integrat – un transceiver multicanal, 2.4 GHz, bandă ISM, de joasă putere
• Carcasă pentru stick USB
• Exemplu de proiect cu reţea de senzori wireless ce măsoară temperatura, tensiunea şi puterea semnalului
• IAR Kickstart şi Code Compose Essentials Core Edition, ce includ un assembler, linker, depanator la nivel de sursă şi un compilator C limitat
• Documentaţie completă pe CD-ROM
Kit-ul “–SEH” integrează numeroase funcţii pe care altfel ar fi trebuit să le proiectăm de la nivel de schemă, inclusiv panoul solar, o pereche de baterii reîncărcabile film subţire, circuite de protecţie, un MCU TI MSP430F2274 şi un transceiver wireless CC2500 2.4-GHz. Am avut de asemenea nevoie să născocim un circuit simplu de divizare a tensiunii pentru a-l utiliza cu senzorul de lumină ambientală. De vreme ce dorim să detectăm prezenţa sau absenţa luminii în interiorul cutiei poştale, divizorul de tensiune va fi suficient. Dacă doriţi o rezoluţie mai bună, există circuite mult mai complexe ce utilizează senzorul de lumină ambientală ca un tranzistor NPN (baza fiind sensibilă la lumină şi reglând emitorul pentru a colecta curentul), dar acest lucru reprezintă un alt subiect.
Vom folosi o rezistenţă mică de 220Ω în serie cu un potenţiometru de 10kΩ ca jumătate a divizorului de tensiune şi senzorul de lumină ambientală ca cealaltă jumătate. Potenţiometrul ne va permite să reglăm manual sensibilitatea senzorului de lumină ambientală odată ce este instalat fără a trebui să rescriem firmware dacă ne schimbăm locul sau dacă se schimbă condiţiile de iluminare. O modificare suplimentară pe care trebuie să o facem plăcii MSP430 “nodul de la distanţă” (placa de afară ce gestionează captarea energiei solare) este de a lipi două linii de pini pentru a simplifica accesul la pinii MCU şi pentru a permite reconectarea dacă placa va fi folosită într-un alt proiect viitor.

Figura 3: Circuitul exterior din cutia poştală cu senzor de lumină ambientală cu potenţiomatru de reglare şi Texas Instruments MSP430FR5969.

Placa de dezvoltare pentru captarea energiei solare oferă circuite de control care permit panourilor solare să alimenteze microcontrolerul MSP430 dacă soarele este suficient de strălucitor. Bateriile din kit-ul solar TI au viteze de descărcare extrem de reduse, făcându-le ideale pentru aplicaţii de captare a energiei. Odată ce soarele scade sub un anumit nivel adecvat, kit-ul va începe automat să alimenteze MSP430 de la baterii. Aceasta este o funcţie integrată extrem de convenabilă şi va furniza suficientă energie pentru aproximativ 400 de comunicaţii RF înainte ca bateriile să se descarce. Optimizând intervalul de timp între comunicaţii, puteţi obţine un interval generos de utilizare a acestei plăci fără a avea suficientă lumină solară. Acest lucru este extrem de important în multe aplicaţii de detecţie la distanţă.

Programarea MSP430 este destul de simplă pentru inginerii care au lucrat utilizând alte platforme de microcontrolere. MCU-ul din interior, kit-ul de dezvoltare LaunchPad (MSP EXP430FR5969), vine cu un CD conţinând programul sursă şi aplicaţii. Cu toate acestea vă puteţi asigura că aţi instalat cea mai recentă versiune a mediului de dezvoltare integrat (IDE) TI numit Code Composer Studio (care este la versiunea 6.0.1 la momentul scrierii acestui articol), şi că utilizaţi cel mai recent firmware vizitând www.ti.com.
Pentru cei care vin dinspre medii de dezvoltare relativ simple precum mediul de dezvoltare oficial Arduino IDE, nu trebuie să fie îngrijoraţi de mediul de dezvoltare integrat mai complex. Tutorialul care însoţeşte eZ430-RF2500 este bine scris şi vă va arăta tot ceea ce trebuie să ştiţi pentru a optimiza firmware-ul preîncărcat.

Figura 4: Niciun software nu poate rula fără hardware, astfel că această schemă de circuit arată MSP430 LaunchPad cu conexiuni la servomotor şi butonul care reiniţializează steagul, odată ce corespondenţa a fost preluată.

Pentru încărcarea unui nou firmware veţi utiliza cheia hardware USB de depanare inclusă. Doar trebuie fiţi siguri că vă reamintiţi care MSP430 este nodul de la distanţă (cel de afară cu panoul solar) şi care conţine firmware-ul de hub (din interior, de pe kit-ul LaunchPad ce controlează motorul servo pentru steagul de semnalizare fizic).
Noi vom face optimizări minime asupra firmware-ului implicit ce vine preîncărcat pe nodul MSP430 de la distanţă. În mod specific, vom optimiza porţiunea de program ce citeşte tensiunea de la baterie astfel încât va citi tensiunea pe un pin de intrare analogic extern, în cazul nostru pe pinul analogic A0. Făcând apel la lista de materiale prezentate anterior, se observă că kit-ul solar vine cu un panou solar, un microcontroler MSP430 (“nodul de la distanţă”), şi două plăci ţintă wireless eZ430-RF2500T. Micile plăci eZ430-RF2500T transmit şi recepţionează semnale care anunţă prin parametrii MSP430 din interior despre expunerea cutiei poştale la lumină.

Figura 5: Interfaţa de depanare USB eZ430-RF şi placa ţintă wireless caracterizată de transceiverul RF de joasă putere CC2500 2.4 GHz.

Pinii plăcii ţintă eZ430-RF2500T arată că A0 de la nodul de la distanţă MSP430 este adus către pinul 3 de pe placa ţintă eZ430-RF2500T. Acesta este unul dintre pinii externi care face parte din conectorii cu pini lipiţi mai devreme pentru acces mai simplu. Dacă vă uitaţi la firmware-ul implicit instalat pe modulul MSP430 nod de la distanţă, va trebui schimbată linia de program evidenţiată în figura 6.
După salvarea schimbării, putem acum încărca noul firmware pe MSP430 care gestionează panoul de captare a energiei solare (localizat fizic cu panoul de la căsuţa poştală) utilizând cheia hardware USB ca unealtă de programare. Apoi este doar o simplă problemă de prindere a senzorului de lumină ambientală (după cum se poate vedea în figura 3) şi conectarea plăcii ţintă MSP430 pe placa de captare a energiei (precum în figura 4). Prin înlăturarea jumperului JP8 se permite panoului solar să înceapă încărcarea pe placă. Trebuie verificat dacă LED-ul de pe placa MSP430 nod de la distanţă începe să clipească atunci când este ataşat la panoul solar. Un lucru important de remarcat este că, dacă se doreşte oprirea alimentării proiectului şi depozitarea plăcii de captare a energiei (EH), trebuie să vă asiguraţi de înlocuirea jumperului J8.
În acest punct, dacă doriţi instalarea perma­nentă a aplicaţiei, trebuie să apelaţi la o carcasă care să asigure rezistenţă la con­di­ţiile meteorologice şi să utilizaţi un material termocontractabil sau un material de etan­şare (poate ceva ca sugru – lipici care odată modelat seamănă cu un cauciuc) pentru a etanşa carcasa şi pentru a menţine ordonate cablurile exterioare. Când montaţi dispozi­tivul la o căsuţă poştală, reţineţi că dacă lo­cuiţi în emisfera nordică este ideal să în­drep­taţi panoul solar către sud pentru a maxi­miza expunerea solară pe toată durata anului.

Pregătirea sistemului din interior
Porţiunea din interior a sistemului nostru de notificare cu privire la livrarea corespon­denţei vor necesita utilizarea unui computer cu Windows.

Dacă nu puteţi avea disponibil un computer pentru proiectul de comandă de la distanţă, acest întreg proiect de captare a energiei poate fi construit utilizând doar microcontrolere, deşi utili­zarea compu­terului vă permite crearea de noi funcţii pentru acest proiect, precum rularea unui script Python pentru a trimite un email cu privire la schimbarea stării.
Porţiunea din interior constă din calcula­torul anterior menţionat care va rula programul de procesare ce va asigura interfaţa cu două dispozitive externe:

1. MSP430 din interior ce rulează firmware-ul hub-ului şi care este ataşat la computer prin intermediul cheii hardware de depanare USB;
2. Placa de dezvoltare şi experimentare TI LaunchPad ce controlează servomotorul care ridică steagul în interiorul casei.

Vom utiliza uneltele de limbaj Processing de tip open source pentru a dezvolta aplicaţia noastră într-un program numit “schiţă”. Am ales limbajul Processing pentru că atunci când sunteţi în faza de prototip, există puţine medii de dezvoltare la fel de uşoare ca Processing din punct de vedere al manipulării comunicaţiei seriale şi al creării unei interfeţe de bază cu utilizatorul (UI).
Pentru a rezuma structura hardware internă, modulul MSP430 pe care rulează firmware-ul se ataşează la computer cu o cheie hardware USB. Depanatorul va apărea pe computer ca un port COM. Reţineţi care port COM, deoarece vom utiliza această informaţie în programul Processing mai târziu.
O altă componentă hardware care se va lega la computer este placa de dezvoltare şi experimentare TI LaunchPad. Aceasta ne va permite interfaţarea cu un servomotor ce va ridica steagul atunci când corespon­denţa a fost livrată.
Vom ataşa de asemenea un buton pentru a permite utilizatorului să reiniţializeze sistemul (şi să coboare steagul prin inter­mediul servo) după ce corespondenţa a fost preluată. Precum în cazul tuturor I/O digitale, nu uitaţi să includeţi o rezistenţă de ridicare sau de coborâre pentru a preveni o intrare incertă care să facă aplicaţia nesigură în cel mai bun caz, iar în cel mai rău caz să o facă defectă.

Pseudocodul pentru programul în Processing constă din:
1. Citeşte pachetul de date seriale venind de la portul COM conectat la placa eZ430-RF2500T, care este conectat la depanatorul USB.
2. Analizează pachetul de date pentru a ignora pachetul de date de la hub şi pentru a lua în considerare doar datele de la nodul de la distanţă.
3. Analizează pachetul de date de la nodul de la distanţă pentru a căuta citirile de tensiune de la ADC.
4. Dacă tensiunea citită este mai mică de 4,5V, se consideră că s-a livrat corespondenţa.
5. Se trimite pachetul de date serial către LaunchPad informându-l astfel că s-a livrat corespondenţa şi să ridice steagul.

Figura 6: Reutilizarea programului demonstrativ ce vine deja instalat pe plăcile RF2500-SEH MSP430: linia evidenţiată mai sus este adaptată pentru firmware-ul nodului de la distanţă utilizând Code Composer Studio. Acesta se încarcă pe eZ430-RF2500T prin cheia hardware USB.

LaunchPad-ul ce controlează servomotorul va fi programat utilizând mediul de programare Energia IDE în loc de Code Composer Studio, ce a fost utilizat anterior. Mediul de dezvoltare integrat arată similar cu Processing IDE şi ar trebui să facă tranziţia dintre cele două foarte uşor, şi ar trebui să gestioneze mult mai uşor problemele de comunicare. Firmware-ul va aştepta până la recepţionarea de la computer a unui cuvânt cheie; în acest caz steagul va fi un şir de ca­ractere cu valoarea “MAIL”. Odată ce recepţionează cuvântul cheie el va roti servomotorul cu 90 de grade, ridicând steagul. Putem utiliza o bibliotecă sevo oferită pe site-ul Energia, care va face mult mai simplă comanda servomotorului, prin abstractizarea programului necesar pentru calculele factorului de umplere al semnalului PWM; ea reduce interacţiunea servo cu o simplă apelare a unei funcţii. Suplimentar, avem nevoie de o funcţie pentru a gestiona butonul de reiniţializare conectat la unul dintre pinii digitali de I/O al LaunchPad. În acest caz funcţia va comanda motorul pentru a coborî steagul şi pentru a permite sistemului să aştepte din nou pe serial cuvântul cheie “MAIL”.

Concluzie
Există un număr mare de platforme de microcontrolere (şi unelte software), iar utilizarea plăcii de dezvoltare Texas Instrument LaunchPad este o cale minunată de a începe lucrul. MSP430 are cerinţe de joasă putere extraordinare şi este ideal pentru aplicaţii de captare a energiei, unde cheia este eficienţa energetică. Fie că sunteţi un inginer experimentat sau un dezvoltator de week-end, învăţarea diferitelor platforme are o valoare incredibilă. Expunerea la o varietate de platforme permite o mai mare flexibilitate la analiza tuturor soluţiilor po­sibile în vederea rezolvării unei probleme specifice. Aici a fost prezentată o soluţie posibilă pentru un sistem de notificare la distanţă a primirii corespon­denţei utilizând microcontrolerul TI MSP430.

Cum îl veţi modifica pentru a se potrivi necesităţilor dvs.? Sau veţi proiecta o aplicaţie complet diferită?

www.mouser.com