česky english Vítejte, dnes je úterý 05. březen 2024

Bezdrátové zámky dveří si zamilují i baterie. Klíčový je návrh

DPS 5/2018 | Články
Autor: Ing. Jan Robenek

Překotná doba začíná do starého železa posílat stále více věcí – a v případě těžkých svazků klíčů snad i doslova. Aby stejný osud nepotkal i naše zařízení, bude nutné chvíli přemýšlet. Rádiové rozhraní zámku je bezpochyby skvělá věc, ale dobře navržený zdroj napájení ještě lepší. Každoroční výměna baterií opravdu není žádnou výhrou, a stepování před zabouchnutou kanceláří či hotelovým pokojem už vůbec ne.

Chytře nejen na povrchu

Přídavné jméno „smart“ může v původním jazyce odkazovat nejen na automatické řízení, ale především určitou formu inteligence, prozíravosti nebo chcete-li též „mazanosti“. Bez chytrých funkcí na trhu prostě neuspějeme, jen kdyby se tak často nepřelévaly pouze někde na povrchu a nebály se zapustit své kořeny i hlouběji.

V případě bateriově napájeného návrhu elektronických dveřních zámků Smart Lock s bezdrátovým rozhraním se tak můžeme předvést při zpracování signálu v mikrokontroléru, sledování stavu zdroje nebo řešení vstupního uživatelského rozhraní, které se nemusí omezovat pouze na klasická tlačítka, ale sáhne třeba po kapacitních dotykových panelech spolu s vyhodnocením přiblížení či možností kontaktní zpětné vazby. A pak zde máme otázku kartáčových DC motorů, krokových prvků či bezkartáčových stejnosměrných akčních členů, včetně jejich budičů, detekování pozice, spínaného DC/DC zdroje nebo např. výstupního rozhraní, které na uživatele zapípá, přehraje hlášku a nechá při té příležitosti zablikat i svítivé diody RGBW. Opomenout nesmíme ani otázku vstupně‑výstupních ochran pro případ ESD, ochranu před narušiteli (Tamper) a pochopitelně samotnou bezdrátovou komunikaci. Očekávají se od nás přesto napájecí kabely a další pevná rozhraní? Žádný problém, situace bude ještě zajímavější, přesně jak nás o tom přesvědčuje i rozbor na stránkách společnosti Texas Instruments [1].

Při návrhu elektronického zámku dveří tedy skloňujeme nejen různé bezdrátové standardy, ale také bezpečné ovládání či řízení přístupu, přívětivá rozhraní HMI mezi člověkem a zařízením a předně pak dlouhodobou výdrž baterií navzdory širokému provoznímu rozsahu teplot. Podrobný návod ke stavbě celého chytrého zařízení již přesahuje rámec tohoto článku a lépe jej uchopíme přes odkazy níže. Místo toho se blíže podíváme na samotnou volbu bezdrátového rozhraní a ve smyslu vše prostupujícího důvtipu začneme přímo u zdroje. Jedno konkrétní doporučené řešení by se přesto našlo, v době psaní článku (červen 2018) prošlo revizí a se čtyřmi bateriemi typu AA by mohlo v základu přečkat i více než pět let. Ale nepředbíhejme.

Baterie přímo na ráně

Pokud vše funguje, jak má, uživatel je spokojen a samotný vnitřek ho zase tolik nezajímá (ostatně proč taky). Již dříve nad ním bádal vývojář a neponechal nic náhodě. Byl si dobře vědom toho, že vf komunikaci provází špičkové odběry proudu, což jej ale ve světě internetu věcí IoT, a potažmo též IIoT, nijak nepřekvapuje. Přičetl k nim další výraznou složku v podobě spotřeby motoru ovládajícího zámek a přiznal si, že drtivou většinu času systém stejně aktivní nebude. Co s tím udělá?

Jak jsme již uvedli, celý návrh může ve své složitosti docela nabobtnat a vyžadovat při tom spoustu integrovaných obvodů. Vývojář tedy provádí zjednodušení a uvažuje tři stěžejní části pro

  • mikrokontrolér s bezdrátovým rozhraním, např. Bluetooth® Low Energy,
  • buzení motoru a
  • řízení napájení.

Vezme také v úvahu, že aktivní zamčení nebo odemčení představuje dvě samostatné události, které v celkovém úhrnu 24 případů denně pomohou obvykle srovnat jednotlivé výsledky [2].

V našem chytrém návrhu vývojář nechává smartphone komunikovat s mikrokontrolérem a bezdrátovou cestou ovládat zámek. Pozorovatelné zpoždění si nechce připustit, a MCU proto z pohotovostního režimu pravidelně vyruší, umožní mu krátce odvysílat potřebné informace a naslouchá příchozím požadavkům, třeba právě z telefonu. Takové události, označované jako „Advertising Event“, lze pro BLE nakonfigurovat s periodou mezi desítkami ms až jednotkami vteřin, ale v žádném případě se ještě nejedná o samotný proces zamykání či odemykání. Pro názornost přikládáme obr. 1 s vyznačeným odstupem půl vteřiny vytvářejícím rozumný kompromis mezi rychlostí a dosahovanou spotřebou.

Obr. 1

Úvahu dále vedeme přes motory, kterými dle požadovaného profilu ve špičce protéká i více než 1 A, a jejich budiče. Zdrojů tepla zde máme hned několik, ale citelně se projeví zejména odpor výkonových MOSFETů v sepnutém stavu. To se již ale dostáváme k samotnému řízení napájení. Power Management, jak jej také nazýváme, ošetří kolísající napětí vstupních článků a žádnou ze zátěží neponechá bez přísunu energie – mikrokontrolér s vf rozhraním, budič motoru ani jakýkoli další subsystém. Řízení na desce zabírá místo, zvyšuje cenu a 100procentně účinné vždy taky nebude. A pokud by na zbytku systému pracovalo zcela nezávisle, stejně svobodně by se i navrhovalo. Zoufat ale nemusíme.

Čtyři články na tři způsoby

Jestliže bude účinnost systému řízení napájení důležitá při špičkových odběrech s aktivním vf rozhraním a zámkem v pohybu, stává se v případě dominantních režimů standby s průtoky na úrovni jednotek μA vyloženě otázkou cti. A tu si navíc zachováme jen tehdy, pokud příliš neslevíme ani v jednom z případů.

Je hezké mít na výběr, zde konkrétně u typu článků, jejich počtu a stejně tak i způsobu konfigurace. Univerzální řešení sice nečekejte, ale přiblížit by se k němu mohla volba alkalických tužkových baterií typu AA, které jsou pro uživatele chytrých dveřních zámků jednak velmi dobře dostupné, a navíc nestojí ani spoustu peněz. V tom s autory [2] souhlasíme, za atypické zdroje nás nikdo nepochválí. Uvážíme-li zbrusu nové články AA s napětím 1,6 V a plné vybití zasahující pod 1 V, dostáváme někde uprostřed cca 1,25 V na článek. A k tomu trojici výchozích topologií.

Lineární stabilizátory mají obecně řadu předností. Pokud se ale rozhodneme pro některou ze spínaných variant, můžeme za cenu minimálního navýšení ceny vytěžit až dvojnásobnou výdrž zdroje. Přesto, pojďme dát stabilizátorům šanci. Čtveřice článků z obr. 2a bude zapojena na způsob 4s1p, tj. čtyři do série / jednou paralelně, kdy 5V výstup umožňuje využít jednoduchého buzení motoru bez dalšího řízení napájení, čemuž prakticky odpovídá i 100procentní účinnost vzniklého subsystému. Poněkud jiná situace však nastává u mikrokontroléru, kterému snižujeme napětí až na 2,5 V. Účinnost 50 % dostaneme např. s obvody TPS76625 jen v nejlepším případě, v tom horším – při zatěžovacím proudu 1,2 μA (standby) a z titulu klidového odběru LDO 35 μA, tekoucího do země – pak už jen procenta dvě.

Obr. 2

Ve zvyšujícím zapojení (Boost) dle obr. 2b zapojíme baterie ve stylu 2s2p, počet článků zůstává a stejně tak i jejich cena, resp. dostupná energie. Bude však možné rovnou napájet MCU s 2,5 V. Zbývá tedy jen zvýšit napětí vyžadované motorem a jeho budičem na 5 V, což např. s obvody TPS61030 dokážeme za cenu zhruba 85procentní účinnosti. Situace se však změní, pokud ve smyslu obr. 2c nahradíme původní lineární stabilizátor snižujícím měničem (Buck). Pro speciálně zvolené obvody TPS62745 tak při plné zátěži mikrokontroléru s vf rozhraním např. stanovíme účinnost 90 %, za předpokladu režimu standby stále krásných 67 % a plný počet ještě jednou vyhradíme motoru a jeho buzení.

Obr. 3

Dosahované výsledky v reálných podmínkách po dobu jednoho dne porovnává obr. 3. Počítá přitom se všemi topologiemi a také jejich dílčími subsystémy, 24 aktivními událostmi a v neposlední řadě již zmíněnou periodou rozhraní BLE 500 ms [2]. Rozdíl pěkně vynikne i s dalším obr. 4 dokumentujícím závislost výdrže bateriového zdroje v letech na počtu každodenních událostí, při nichž buď zamykáme, nebo zase odemykáme. Máme-li jich v tomto případě méně než 36, budou mít spínané zdroje oproti stabilizátoru mnohdy navrch, a to i výrazně. S rostoucím počtem akcí zůstává snižující měnič stále nejlepší volbou, ale zvyšující zdroj si oproti LDO kvůli častější aktivaci motoru pohorší.

Obr. 4-7

Bluetooth a ti druzí

Dost bylo napájení, jdeme komunikovat se světem. Z pohledu vzájemné propojitelnosti budeme u chytrých zámků dveří uvažovat celkem čtyři kategorie [3]. Jsou jimi návrhy s

  • Bluetooth® Low Energy,
  • Wi-Fi,
  • ZigBee a
  • Vf rozhraním v pásmu do 1 GHz.

V prvním případě nás možnosti BLE dle obr. 5 omezí na bezprostřední okolí zámku a na nějaký vzdálený dohled či nastavení ve spojení s cloudovými službami můžeme také zapomenout. Pokud však nesáhneme po nabídce sítí Wi-Fi dostupných prakticky v každém domě. To pak v duchu obr. 6 vyřešíme spoustu věcí i na dálku, přičemž jako hlavní rozhraní stále zůstává Bluetooth Low Energy.

Odemykání vystavěné dle obr. 7 na technologii ZigBee bude obvykle provázáno s řídicím uzlem chytré domácnosti, a stane se tak součástí sítě (Mesh) podobně jako žárovky a další vybavení. Propojení s cloudem se prostřednictvím hubu nebráníme ani v tomto případě, těžíme přitom z docela nízké spotřeby, přímé ovládání z telefonu si znovu pojistíme přes BLE a nepohrdneme ani dalšími přístupy na způsob Thread či Bluetooth 5. Posledně zmiňované přenosy v pásmu do 1 GHz pak díky jejich dosahu oceníme především v komerčních provozech, např. v hotelu, kde všechny dveře za účelem záložního ovládání propojíme s hlavním uzlem sítě. Zároveň ale ponecháme možnost odemykat každý ze zámků ještě jednou přes chytrý telefon a jeho Bluetooth Low Energy. Administrátor si na základě obr. 8 stále přijde na své a bude nepochybně pamatovat i na nouzové situace, při kterých dokáže odblokovat všechny západky najednou.

Obr. 8

Místo nudy zábava

Mohlo by se zdát, že zámek vybavený pouze rozhraním BLE nemá mnoho šancí, ale opak je pravdou. Do karet mu hraje právě jednoduchost společně s nízkou cenou a technologií Bluetooth Low Energy, která je nejen jednoduchá, a přece robustní, ale v současné době také velmi rozšířená. O problematickém připojení k internetu za účelem dozorování na dálku jsme již hovořili. V tom případě s výhodou využijeme služeb Wi-Fi, kdy v systému nepotřebujeme žádný speciální uzel ani jiná zařízení a svůj chytrý zámek prostě jen propojíme s přístupovým bodem a necháme uživatele užívat si všech výhod, které on-line svět nabízí i v této oblasti. Vysoká propustnost dat se bude hodit zejména při podpoře audio nebo video služeb. Bude automatizovaná domácnost vybavena spoustou dalších zařízení? To se pak vyplatí zvolit ZigBee nebo Thread a po odemčení např. hned rozsvítit světlo.

Obr. 9

Rutinní odemykání zámku tedy můžeme povýšit na zcela novou úroveň, která jen tak nezevšední. Bez ohledu na použitou variantu vf přenosu však stále platí požadavek na nízkou vlastní spotřebu, bezpečnost a také svižné reakce. Vybitá baterie klienty prostě nezajímá, místo hesla zde můžeme přijít rovnou o celý majetek a času také není nazbyt. Běžné klíče, jak je stále známe, odemykají raz dva.

Závěr

Používání chytrých dveřních zámků může být zábavné, stejně jako jejich vývoj. Dnes, zítra nebo i za několik let. Pokud totiž internetu věcí předpovídáme zářnou budoucnost, stanou se takové nástroje ještě rády jeho součástí a my můžeme být u toho. Dopřejeme jim bezdrátovou komunikaci, nové funkce, a třeba i hezké uživatelské rozhraní, kterého bude radost se dotýkat. Vnější pozlátko by však nemělo zastínit skutečnou podstatu návrhu, který jinak není vůbec vidět a na povrch vyplouvá až s první výměnou baterií (pokud ovšem do té doby vše morálně nezastará).

Obr. 10

Také proto jsme v článku otázce řízení napájení věnovali zvýšenou pozornost, zvláště když většinu času chytrý zámek v podstatě jen vyčkává na povely. Ze tří variant v podobě lineárního stabilizátoru, zvyšujícího měniče a snižujícího spínaného zdroje nám pro čtveřici alkalických baterií typu AA dává největší smysl právě posledně zmiňovaná. Stejně jako autorům referenčního návrhu TIDA‑00757, kteří se takto v úplném základu dopočítali k více než pěti rokům provozu. Poplatně obvodům od společnosti Texas Instruments, zejména pak 32bitovým mikrokontrolérům CC2640R2F s jádrem ARM Cortex‑M3 a podporou BLE, buzení motorů s DRV8833 nebo snižujícím měničům TPS62745, odkazujeme na poslední dva obrázky a zároveň důkladně zdokumentované myšlenkové pochody v celém návodu o 66 stranách [4], který se nevyhýbá ani signalizaci s větším počtem svítivých diod nebo ochranám pro případ přepólování baterií či ESD.

S bateriovým napájením jde ruku v ruce též bezdrátové rozhraní. Základ stavějící na Bluetooth Low Energy zde rozšíříme o podporu Wi-Fi, ZigBee nebo dalších pásem do 1 GHz, a výsledný návrh tak svému okolí přiblížíme ještě více. Nesmíme ale zapomínat, pro koho vše ve výsledku navrhujeme a co především bude potřeba zajistit. Mříže na okně jsou nepochybně také skvělá věc, hlavně v přízemí. To, co nás ale mělo původně chránit, však může v případě nouze fungovat přesně naopak.

ODKAZY

[1] Electronic Smart Lock, http://www.ti.com/solution/electronic-locks-encoders

[2] Extending battery life in smart locks, http://www.ti.com/lit/pdf/slyy107

[3] Smart Door Lock With SimpleLink Platform, http://www.ti.com/litv/pdf/swra604

[4] Smart Lock Reference Design Enabling 5+ Years Battery Life on 4x AA Batteries, http://www.ti.com/tool/TIDA-00757