Matalatehoinen BLE tiedonkeräin

Abstract

Tässä opinnäytetyössä ideoitiin, suunniteltiin ja rakennettiin matalatehoinen Bluetooth Low Energy -tiedonkeräin.

Tiedonkeräin ideoitiin aluksi lyijyakkujen varauksen ja varaamisen seurantaan, mutta suunnittelun aikana mittauspiireistä keksittiin tehdä modulaarisia. Mittauspiiri siirrettiin erilliselle piirilevylle, jotta sen ja täten mitattavan suureen voisi vaihtaa toiseen milloin vain.

Laite perustuu HM-10 BLE -sarjaporttilähettimeen, jota käytetään tässä työssä vain piirilevynä jossa on mikrokontrolleri apukomponentteineen. Levyllä on Texas Instrumentsin CC2541-mikrokontrolleri, jossa on sisäänrakennettu BLE-radio. Sillä voidaan saavuttaa hyvin pieni tehonkulutus, tinkimättä lähetysnopeudesta tai -etäisyydestä. Piirilevyjä suunniteltiin kaksi; päälevy, johon HM-10 -piirilevy kiinnittyy, sekä yksi mittauspiirilevy jännitteen mittaukseen. Suunnittelun apuna käytettiin koekytkentäalustalla testattuja kytkentöjä.

Ohjelmointiin ja debuggaukseen käytettiin IAR SYSTEMSin IAR Embedded Workbench 8051 -ohjelmiston kokeiluversiota, jossa oli lisänä TI:n oma kehitysympäristö. Ympäristö tukee CC-sarjan mikrokontrollereille tehtyä CC Debugger -debuggaus- ja ohjelmointilaitetta.

Koodi perustuu TI:n OSAL- ja HAL-ohjelmakirjastoihin, sekä valmistajan esimerkkiohjelmiin. Kirjastoja käytetään BLE-radion ohjaamiseen ja ajastuksiin. Mittausohjelma tehtiin itse. Kun mittauksia ei suoriteta, laite on lepotilassa suurimman osan ajasta. Se herää vain ilmoittamaan itsestään aika ajoin ja tällöin siihen voidaan muodostaa yhteys. Yhteystilassa mittauksia suoritetaan valituin väliajoin ja tiedot lähetetään yhdistetylle isäntälaitteelle. Säädettävällä mittausvälillä voidaan nopeuttaa mittausta tehonkulutuksen kustannuksella ja päinvastoin.

Keräin käyttää standardoitua BLE protokollapinoa ja siihen kytkettyjä profiileita, joten tiedon lukeminen onnistuu teoriassa kaikista BLE laitteista missä siihen resurssit riittävät.

This thesis concentrates on sketching, planning and building a low power Bluetooth Low Energy datalogger.

The datalogger was intended at first for use in monitoring the state of charge and charging characteristics of lead acid batteries, but during planning an idea of measurement modularity was introduced. The measuring circuitry was transferred to an external circuit board, thus allowing the type of measurement to be changed at any time.

The device is based on a HM-10 BLE serial tranceiver board used as a breakout board. The board has a single Texas Instruments CC2541 microcontroller with built-in BLE to ensure low power requirements and long battery life while still retaining good transmission speed and range capabilities indoors and outside. Custom printed circuit boards were designed for both the main board in which the HM-10 board sits in as well as one modular voltage measurement board. Board design was based on earlier experience and tested simple circuits built on a readboard.

Programming and debugging was done on a trial version of IAR SYSTEMS IAR Embedded Workbench 8051 with an additional TI development package made for use with the chip manufacturers own CC Debugger debugging and programming interface.

The code is built on TI's OSAL and HAL software libraries and uses TI's examples as an operating base. The libraries are used for managing the BLE-radio and timed functions. Measurement functions are self-written. When no measurements are being made, the device spends most of the time in sleep mode, only waking up to advertise its presence once in a while. It can be connected to during that time. When in the connected state, measurements are made at a set interval and data results sent to the connected host device. With an adjustable measurement interval, power savings can be sacrificed for greater measurement data speed or vice-versa.

The datalogger uses the standardized BLE stack with custom and standard profiles, so the data can practically be read on any BLE host device that identifies the profile services and has sufficient resources.