Vezeték nélküli SOS nyomógomb

Egy okostelefonnal automatizált segélyhívó rendszer kialakításához terveztem az itt bemutatott vezeték nélküli átjelző prototípust. A rendszer lényege, hogy idősek és mozgásukban korlátozott egyének biztonságérzetét növelje azáltal, hogy bármikor segítségre lenne szükségük, vagy bajba kerülnének, egy mindig kéznél lévő nyomógomb megnyomásával azonnali segélykérést tudjanak indítani anélkül, hogy telefonjukat elővennék, illetve tárcsáznának, vagy SMS-t küldenének vele.

Ez a készülék is, mint ma már egyre több eszköz a megoldásnak csak az egyik fele, a rendszer másik részét ugyanis egy Android alkalmazás képezi, melyet egyedileg fejlesztettek ki ehhez a projekthez.

A felhasználó okostelefonján egy háttérben futó alkalmazás folyamatos készenlétben figyeli az USB vonalat. Ha az USB csatlakozón keresztül jelzés érkezik a telefon irányába, az alkalmazás működésbe lép és automatikusan végzi a számára beprogramozott feladatokat. Hívás indítása, SMS üzenetek küldése... stb.

A jelzést egy erre a célra már általam kifejlesztett hardvertől kapja a telefon. A hardvernek folyamatos kapcsolatban kell lennie a telefonnal, hogy a folyamat működni tudjon. Talán kényelmesebb lehetett volna megoldani ezt a kapcsolatot vezeték nélkül is, de akkor olyan vezeték nélküli kommunikációs módot kellett volna választani, ami a legtöbb telefonban gyárilag benne van. Mivel a cél pont az volt, hogy az eszköz a lehető legtöbb márkával és modellel kompatibilis legyen, illetve a használata egyszerű legyen, így sem a Wi-Fi, sem pedig a Bluetooth kapcsolat nem tűnt ideális választásnak. Ezeket a technológiákat az idősebbek többsége nem tudja megfelelően használni, probléma (lecsatlakozás, eszköz párosítás) esetén könnyen használhatatlanná válik az eszköz. Ezen okoknál fogva maradt az USB csatlakozó, mely kezelése nem igényel műszaki tudást és fizikálisan végezhető, látható a csatlakozás ténye.

A jelzést adó (továbbító) egység egy jelvevő, mely rádiófrekvenciás transceivere segítségével képes jeleket fogadni/küldeni a hozzá tartozó, ám tőle távolabb lévő gombtól. A vevőegységhez több gomb is hozzárendelhető egyszerű tanítási funkció segítségével, valamint lehetőség van már betanított gombok törlésére is. A tanítás egy egyszer elvégzendő teendő a használatba vétel előtt. További párosításra akkumulátor lemerülése, elemcsere, hosszabb inaktivitás esetén sincs szükség.

A rádiós átjelzés működése

A rádióadó egy nagyobb gomb méretű eszköz. Ez a prototípus készítése során egy kereskedelemben is beszerezhető műszerdobozba került beépítésre, de természetesen a végtermékbe tervezéskor egyedi burkolat is kialakítható hozzá, akár egy karperec, vagy csuklópánt formájában. Jelen kivitel demonstrációs jelleggel készült, viszont fontos szempont volt a kicsi méret elérése mindkét eszköz tervezésekor, ami valamelyest azért sikerült is.

Az adó és a vevő 1-1 azonos típusú rádiós transceiver IC-t tartalmaz a hozzá tartozó áramkörrel, illetve mikrovezérlővel. A feladatra a Silicon Labs Si4432-es ISM rádióját választottam nagy teljesítménye és kis mérete miatt, továbbá alacsony tápfeszültség igényének köszönhetően egy 3V-os gombelemről is működőképes. Az eszköz 868MHz frekvencián működik és maximálisan 100mW adóteljesítményre képes. A gyári modulok, melyekkel az első teszteket végeztem 433,94MHz-en működtek, valamint nem tartalmaztak CMOS SPDT IC-t mely segítségével érhető csak el a maximális 100mW-os teljesítmény. Az ehhez szükséges alkatrészeket beszereztem és a rádiós modul kapcsolási rajza, valamint a gyári méretezési javaslat alapján a teljes rádiós áramkört egyedileg terveztem meg a panelre. Ennek nem „perverzitási” okai vannak, hanem az adónak olyan picinek kellett lenni, hogy csak így lehetett megoldani azt, hogy kulcstartó méretben kivitelezhető legyen úgy, hogy még a mikrovezérlő és a hozzá szükséges körítés is beférjen.

Az adó

Az alábbi képen látható az RF gomb már beültetett áramköri panelje. A kis alapterületből adódó tervezési kihívást növelte, hogy integrált PCB antennát is kellett a rádió mellé tervezni, hiszen ilyen méretben nem alkalmazható botantenna, vagy egyéb kilógó „izé” a burkolatból. RF antenna gyanánt egy már korábban bevált helikális változatot alkalmaztam. Ez mindkét oldalon kapásból elfoglalta a panel majd felét. A panel alsó oldalára pedig nem tehettem alkatrészt, hiszen onnan csatlakozik a tápellátást biztosító CR2032-es Li elem. A teljes áramkör kialakítása ezzel gyakorlatilag a 34,5mm átmérőjű kör alakú panel egyetlen negyedére korlátozódott. A miniatürizálásnak köszönhetően szerencsére befértem a méretekbe, de ez azzal járt, hogy a mikrovezérlőt is MLF tokozásban kellett felépíteni, valamint minden alkatrészt 0603 méretű kivitelben kellett beforrasztani.

Adó NYÁK-ja

Adó NYÁK-ja beültetve

Az adó csak akkor működik, mikor a gomb meg van nyomva. Feláll a program, inicializálásra kerül a rádió, majd történik egy jeladás. Az adó a gomb nyomva tartásáig működik csak. Amennyiben a kiadott jel nem ért célba, az adás ismétlésre kerül és mindaddig ismétlődik, míg a vevő oldalról nem érkezik nyugtázó válasz. Nyugtázó válasz esetén a gomb mellett világítani kezd egy zöld LED, jelezve az átvitel sikerességét, majd a program leáll.

A vevő

A vevőnek több feladata is van. Egyrészt, folyamatosan vételi módban kell lennie és figyelnie kell a beérkező jeleket. Jel érkezésekor azt dekódolni, azonosítani kell. A jelátvitel biztonságát egyrészt a transceiver másrészt a mikrokontrollerbe épített szoftveres azonosítási eljárások szavatolják.

Vétel esetén azonnali nyugtázást kell küldeni az adó részére, majd jelzést kell küldeni az USB-n keresztül a telefon részére, ami onnantól már szoftver kérdése, hogy mit tesz.

Mivel a vevőegység folyamatosan csatlakoztatva van a telefon USB portjához, a telefon így nem tölthető fel. Az emiatt történő lecsatlakozás pedig csökkenti a rendszer biztonságát, hiszen töltés után előfordulhat, hogy a felhasználó nem csatlakoztatja vissza a vevőt a telefonra. Ezen okból a töltésre a vevőegységen keresztül van lehetőség a saját beépített microUSB csatlakozóján keresztül.

Vevő NYÁK-ja

Adó NYÁK-ja beültetve

Adó NYÁK-ja beültetve

Problematikus volt továbbá, hogy a vevőegység milyen forrásból kapja a működéshez szükséges tápfeszültséget, hiszen nem egy USB OTG eszközről van szó, így a telefon felől nem kap tápellátást. Emiatt csak akkor működhetne ha a töltő csatlakoztatva van. Ahhoz, hogy a használata kényelmes legyen és ne csak vezetékkel működjön a vétel, így a vevőegységbe került egy 900mAh kapacitású Li-ion cella is, melyhez a szükséges töltésvezérlőt és mélykisülés elleni védelmet még külön integrálni kellett. Emiatt kissé bonyolultra sikeredett az áramkör, így a sok alkatrész miatt itt is miniatürizálásra volt szükség. Az adó mintájára MLF, QFN, SSOP tokozású alkatrészek kerültek fel és passzív elemek mérete is túlnyomó többségben 0603 lett.

Hatótávolság

Az átjelző hatótávolsága nyílt terepen eléri a 90-100 métert. A 100 méter viszont már tényleg a felső határ, teli akkumulátorral, ritka levegőben, hátszéllel megy. :) Átlagos felhasználás során szabad térben a biztos áthidalható távolság 60 méter körül alakul, lakáson belül pedig a falak anyagától és állapotától függ.
A tervezés során a rádiós rész teljesítményét illetően kihoztam a maximumot, ami a méretekből adódó hátránnyal lehetséges volt. Nyilván egy irányított és nagyobb teljesítményű antennával többre lenne képes, de ezek ellehetetlenítették volna a normális felhasználást.

Kész prototípus