Predstavitev diplome

1. Diplomsko delo
Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko
Avtor: Blaž Remškar
Mentor: doc. dr. Janez Perš
Brezžični merilnik in
prikazovalnik kvalitete zraka v
zaprtih prostorih

2. Začetna motivacija
• Projekt sega v začetek leta 2013
• Merjenje vrednosti hlapljivih organskih snovi (ang. Volatile Organic Compounds - VOC) v stanovanju
• Porodila se je ideja, da bi bilo stopnjo onesnaženja zraka mogoče prikazovati z barvno lestvico

3. Začetki trženja naprave
• Prvi prototip
• Prva predstavitvena spletna stran
• Startup tekmovanje iTime
• 8. Slovenski forumu inovacij

4. Kvaliteta zraka v notranjih prostorih
• EPA ocenjuje:
-v zaprtih prostorih preživimo že skoraj 90 % svojega časa
-zrak v notranjih prostorih je od 2- do 5-krat bolj onesnažen kot zunaj
Tipični onesnaževalci zraka v zaprtih prostorih
• OGLJIKOV DIOKSID:
-se sprošča z dihanjem
-vpliva na produktivnost
• HLAPLJIVE ORGANSKE SPOJINE:
-produkt človeških dejavnosti
-ogljik, vodik, fluor, klor, alkohol, žveplo, dušik itd.
Vpliv slabe kvalitete zraka
• Vpliv na zdravje in počutje
• Vpliv na človeško odločanje in razmišljanje
• Velik padec zmožnosti strateškega razmišljanja pri 2500 ppm CO2

5. Senzorji kvalitete zraka
• Analogni senzorji
• Digitalni senzorji
Infrardeči senzorji ogljikovega dioksida
Senzorji hlapljivih organskih spojin (VOC)

6. Prototip naprave s povezljivostjo po protokolu BLE
• Želeli bi imeti neke vrste brezžično komunikacijo
• Brezžična povezava Bluetooth, natančneje BLE (ang. Bluetooth Low Energy)
• Sistem BLE na integriranem vezju TI CC2540

7. Modifikacija razvojnega kompleta
• Razvojni komplet CC2540 Keyfob Mini Development Kit je bilo treba najprej razdreti
• Nato se je povezalo analogni senzor VOC MQ135
• Zatem se je še povezalo barvno RGB LED-diodo

8. Razvoj programske kode za napravo
• Razvojno okolje IAR Embedded Workbench
• Programski sklad (ang. Software Stack) TI (Texas Instruments) BLE-STACK za CC2540

9. Branje analognega senzorja VOC
• Preko 12-bitnega analogno-digitalnega pretvornika ADC
• Periodično branje senzorja z časovnikom preko nastavljenega pina ADC
• Umerjanju analognega senzorja VOC (Ro = upornost pri 100 ppm; Rs = upornost senzorja)

10. Spreminjanje barv na barvni RGB LED-diodi
• Barvna RGB (ang. Red, Green, Blue) LED-dioda vsebuje v enem ohišju tri LED diode
• Različne jakosti svetlobe LED-diod se dobi z signali PWM (ang. Pulse Width Modulation)
• Nastavljanje delovnih ciklev LED-diodi glede na vrednosti iz senzorja:
-vpogledna tabela
-sprotno preračunavanje

11. Implementacija servisov in karakteristik
• Definiran UUID za servis UUID za karakteristiko
• Definirana karakteristika z lastnostmi, vrednostjo in kratkim opisom
• Nastavljanje vrednosti senzorja VOC na karakteristiki

12. Testiranje komunikacije naprave na računalniku
• S pomočjo naprave CC2540 USB Dongle in programa Btool
• Odkrivanje naprave in povezovanje nanjo
• Odkrivanje servisov in karakteristik in nato branje iz slednjih

13. Implementacija testnih naprav na platformi Arduino
• Razvojna ploščica Arduino Pro Micro
• Razvojno okolje Arduino
• Knjižnice Arduino

14. Razvoj testnih naprav
• Branje analognih senzorjev VOC MQ135
• Spreminjanje barv na barvni RGB LED-diodi
• Branje vrednosti iz digitalnih senzorjev VOC iAQ-Core (protokol I2C)

15. Izdelava ohišja s 3D-tiskalnikom
• Zgornji del je vzet iz poceni barvne lučke
• Spodnji del je narejen z 3D-tiskalnikom

16. Testiranje uporabniške izkušnje

17. Razvoj tiskanega vezja
• Program za izdelavo vezja EAGLE CadSoft
• Načrtovanje sheme za tiskano vezje

18. Povezovanje komponent na tiskanem vezju
• Prve verzije vezja so bile čim manjše, vse povezave pa so bile narejene ročno
• Ena od verzij je imela HM10 CC2540 modul za lažje spajkanje

19. Oblikovanje tiskanega vezja
• Prve čim manjše in pravokotno
• Na koncu smo se odločili za okroglo vezje

20. Zgornja stran končnega vezja z opisom komponent

21. Proizvodnja prototipnih tiskanih vezij
• Prva vezja smo dali v tisk in spajkali ročno
• Pri okroglih vezjih smo dali izdelati šablono in elemente pritrdili v pečici

22. Končni izgled naprave za merjenje in prikazovanje kvalitete
zraka v zaprtih prostorih

23. Razvoj mobilne aplikacij
• iPhone je med prvimi pametnimi telefoni, ki je podpiral komunikacijo po protokolu BLE
• Programsko okolje, uporabljeno za razvoj aplikacije iOS, se imenuje Xcode

24. Potek razvoja aplikacije
• Na podlagi primera aplikacije iOS IPhone4SBLEDemo, ki jo je pripravilo podjetje Texas Instruments
• Modifikacija glavnega okna
• Modifikacija komunikacijske kode

25. Testiranje skupaj z napravo
• Testiranje že med postopkom razvoja
• Izveden je bil tudi test zanesljivosti pisanja in branja

26. Nadaljnje delo
• Izboljšati grafični vmesnik mobilne aplikacije
• Obvestila na pametnem telefonu
• Grafi za pregled zgodovine merjenj iz naprave, ko bi naprava to podpirala

27. Literatura
• Julie Chao - Berkeley Lab, “Elevated Indoor Carbon Dioxide Impairs Decision-Making
Performance.”
• CO2Meter Inc., “How Does an NDIR CO2 Sensor Work?.”
• FIGARO Engineering Inc., “Operating principle: MOS type.”
• Hanwei Electronics Co., Ltd., “TECHNICAL DATA MQ-135 GAS SENSOR.”
• Kevin Townsend, “Introduction to Bluetooth Low Energy.”
• Arduino-info Wiki, “Red-Green-Blue (RGB) LEDs.”
• SparkFun Electronics, “Pro Micro & Fio V3 Hookup Guide.”
• Isidor Buchmann - Battery University, “Charging Lithium-ion.”
• Texas Instruments Inc., “IPhone4SBLEDemo.”
• US Environmental Protection Agency, “Basic Information: Indoor Air Quality.”
• World Health Organisation, “Mortality from ambient air pollution.”
• ams AG., “iAQ-Core Indoor Air Quality Sensor Module.”
• Bluetooth SIG, Inc., BLUETOOTH SPECIFICATION Version 4.0
• Bluetooth SIG, Inc., “Gatt specifications - services.”
• Bluetooth SIG, Inc., “Gatt specifications - characteristics.”
• Texas Instruments Inc., “2.4-GHz Bluetooth low energy System-on-Chip.”
• Texas Instruments Inc., “Bluetooth Low Energy CC2540/41 Mini Development Kit”
• Arduino 2016, “Standard Libraries.”
• Texas Instruments Inc., “CC2540 Keyfob Reference Design.”
• Texas Instruments Inc., “LM3658 Dual Source USB/AC Li Chemistry Charger IC”