Schlafphasenwecker. Zwischenbericht. Gruppe Ele41

Transkript

1 Schlafphasenwecker Zwischenbericht Gruppe Ele41 Raoul Kana; Zohreh sadat Ahmadi Zadeh; Li Wang; Adil El Hal; Mazin Babikir; Florian Unverferth; Peer Günther; Tilo Sommerwerk; Betreuer: Bennet Fischer

2 Inhaltsverzeichnis 1 Der Schlafphasenwecker Die Idee entsteht Die Schlafphasen Funktionsweise Armband Der Aufbau Peripherie Transceiver Beschleunigungssensor AVR-Platine Beschreibung Schaltung Ladestation Beschreibung Schaltung Basisstation Aufbau Bedienung Schaltung Entwicklungsstand 15 5 Nächste Schritte 15 1

3 1 Der Schlafphasenwecker 1.1 Die Idee entsteht Die Gruppe Ele41 möchte einen Schlafphasenwecker bauen. Bis es zu dieser Entscheidung kam, gab es verschiedene Vorschläge aus unseren Reihen. Letztlich haben wir uns für den Schlafphasenwecker entschieden, weil die anfallenden Aufgaben gut einteilbar sowie das Gesamtsystem in Bezug auf die Komplexität relativ gut skalierbar ist. Darüber hinaus nden wir das Thema spannend, so dass die Motivation bis zum jetzigen Stand nicht nachgelassen hat. 1.2 Die Schlafphasen Um zu beschreiben, wie der Schlafphasenwecker funktionieren soll, muss man zunächst wissen, was überhaupt mit Schlafphasen gemeint ist. Als Schlafphasen werden die einzelnen Abschnitte des Schlafes bezeichnet, in denen ein Mensch unterschiedliche Schlaftiefen aufweist. Es gibt vier Stadien des Schlafes, dabei spielen die Fast-Wach-Momente insbesondere um den REM-Schlaf (Rapid Eye Movement) herum eine besondere Rolle für unser Projekt. Während des REM-Schlafes bewegt sich der Schlafende so gut wie gar nicht, wobei sich allerdings die Augen sehr viel bewegen, was den Fachbegri geprägt hat. Dem gegenüber stehen die Fast-Wach-Momente, in denen sich der Schlafende vergleichsweise viel bewegt Funktionsweise Der Schlafphasenwecker beruht auf der Erfahrung, dass sich der Aufzuweckende deutlich ausgeschlafener fühlt, wenn er aufgeweckt wird, während er sich auÿerhalb des REM-Schlafes und in einem der Fast-Wach-Momente bendet. Dies festzustellen ist Aufgabe eines Armbandes, welches anhand von Bewegungssensoren ermittelt, wie stark sich der Schlafende bewegt. Diese Daten werden an eine Basisstation (der eigentliche Wecker) übermittelt. Die Basisstation berechnet mit Hilfe der übermittelten Daten, in welcher Phase sich der Schlafende bendet. Ein programmiertes Zeitfenster bestimmt, in welcher Zeit der Schlafende geweckt werden darf. Wird in diesem Zeitfenster kein Moment festgestellt, in dem die zu weckende Person fast wach ist, so wird der Weckalarm zum Ende des Fensters in jedem Fall ausgelöst. Der Weckalarm besteht dabei aus der Vibration des Armbandes. Die Kommunikation zwischen Basisstation und Armband wird mit einer Funkverbindung realisiert und die Zeit des Weckers wird mit einer Funkuhrkomponente eingestellt

4 2 Armband Die Funktionen des Armbandes bestehen in der Detektion von Bewegungen des Trägers, in deren Verarbeitung und Weitergabe an die Basisstation über eine 2,4GHz Funkverbindung und das Wecken des Trägers durch einen Vibrationsalarm, der durch die Basis ausgelöst wird. Als Stromquelle wird ein Lithium- Polymerakku verwendet, für den eine Ladestation in der Basis integriert ist. 2.1 Der Aufbau Das Armband besteht aus 3 einzelnen Platinen, welche über Flachbandkabel verbunden sind. Diese Aufteilung hat hauptsächlich ergonomische Gründe, da eine gröÿere Leiterplatte sich schlecht um ein Handgelenk wickeln lässt. In Abbildung 1 ist zu sehen, dass die erste Platine den Beschleunigungssensor beherbergt, welcher über ein serielles Interface mit der zweiten Platine kommuniziert. Die zweite Platine enthält die Spannungsversorgung, den Vibrationsmotor und einen Mikrocontroller zur Verarbeitung der Daten. Die letzte Platine enthält die Transceiverschaltung, welche ebenfalls über ein serielles Interface mit der zweiten Platine kommuniziert. Abbildung 1: Blockschaltbild des Armbandes 2.2 Peripherie Um die Aufgabenverteilung zu optimieren, haben wir uns entschieden, den Transceiver, der vom Armband und der Basisstation benötigt wird sowie den Beschleunigungssensor extra zu betrachten. 3

5 2.2.1 Transceiver Der Transceiver ist für die Kommunikation zwischen dem Armband und der Basisstation unerlässlich und bendet sich demnach am Armband sowie in der Basisstation. Über die Antenne werden die Signale seriell übertragen. Abbildung 2 und 3 zeigen den Schaltplan und das Layout vom Transceiver. Abbildung 2: Schaltplan des Transceivers Abbildung 3: Layout des Transceivers 4

6 2.2.2 Beschleunigungssensor Der Beschleunigungssensor reagiert auf die Bewegungen des Trägers und sendet ein Signal zum AVR des Armbandes. Anhand der Bewegungen wird festgestellt in welchem Zustand sich die schlafende Person bendet. In Abbildung 4 und 5 sind der Schaltplan und das Layout des Beschleunigungssensors zu nden. Abbildung 4: Schaltplan und Layout des Beschleunigungssensors Abbildung 5: Schaltplan und Layout des Beschleunigungssensors 5

7 2.3 AVR-Platine Beschreibung Das Zentrum dieser Platine bildet der Mikrocontroller ATMEGA 88/V. Dieser wurde ausgewählt, weil er in einem Spannungsbereich von 1,8V bis 5,5V arbeitet und auch stromsparender ist als der ATMEGA 88. Aus Platzgründen wird die TQFP- Variante verwendet. Er bietet des Weiteren ein SPI-Interface, serielle Interfaces für die Kommunikation und die Debugschnittstelle, einen internen Oszillator und genügend freie Ein- und Ausgänge. Der integrierte Oszillator ist in unserem Fall ausreichend, da eine genaue Taktung auf dem Armband nicht notwendig ist. Die Basisstation arbeitet mit einer funkgenauen Zeitbasis und kann so die übertragenen Bewegungen zeitgenau erfassen. Der Vibrationsmotor stammt aus einem Mobiltelefon. Versuche haben ergeben, dass dieser bei einer Spannung 2V und einem Strom von 40mA eine ausreichende Vibration aufweist. Die Stromversorgung wird von einem Lithium- Polymer-Akku übernommen. In Abbildung 6 ist der Schaltplan der AVR-Platine zu sehen. 6

8 Abbildung 6: Schaltung der AVR Platine 7

9 2.3.2 Schaltung Die Batterie liefert am Eingang der Schaltung 3,7V Gleichspannung. Da in der folgenden Schaltung 3,3V verwendet werden sollen, wird ein Spannungsregler LE33CZ verwendet. Die Kondensatoren C3 und C4 dienen der Störungsunterdrückung und Spannungsstabilisierung. Die Schaltung besitzt 2 Pfostensteckverbindungen als Schnittstelle zu der Transceiver- und der Sensorplatine. Die Belegung ist in Tabelle 1 dargstellt. Pin Transceiver Sensor 1 3,3V 3,3V 2 GND GND 3 IRQ CS 4 MISO SCL 5 MOSI SDI 6 SCK SDO 7 CSN RDY 8 CE Tabelle 1: Pinbelegung Sensor und Transceiver Es gibt auÿerdem noch eine Schnittstelle für den In-System-Programmer (ISP), welche die Pinbelegung aus Tabelle 2 hat. Pin Belegung 1 MOSI 2 VCC 3 LED 4 GND 5 RESET 6 GND 7 SCK 8 GND 9 MISO 10 GND Tabelle 2: Pinbelegung ISP Der Vibrationsmotor wird von einem MOSFET-Transistor als Schalter mit Strom versorgt, welcher durch einen der digitalen Ausgänge (PD5) des Mikrocontrollers geschaltet wird. Die Eingangskapazität (1,6nF) des MOSFETs ist so gering, dass der Widerstand R3 nur zur Sicherheit als Strombegrenzer eingeplant wurde. Der Vorwiderstand R1 des Vibrationsmotors dient zur Begrenzung des Stromes auf 40mA bei 2V: 8

10 U R1 = U V ersorgung U V ibra = 3, 3V 2, 0V = 1, 3V 1, 3V R1 = = 32, 5Ω 0, 04A Die Pinbelegung des Microcontrollers ist in Tabelle 3 deniert. Pin PC0 PC1 PD0 PD1 PD2 PD3 PD4 PD5 PB3 PB4 PB5 Verwendung Select-Signal Funk Funk CE Debugschnittstelle Debugschnittstelle Interrupt-Signal Transceiver Interrupt-Signal Sensor Select-Signal LIS Steuerung Vibrationsmotor ISP/Funk/LIS ISP/Funk/LIS ISP/Funk/LIS Tabelle 3: Pinbelegung AVR Andere Pins wie VCC, GND, Reset wurden gemäÿ Datenblatt beschaltet und das Layout ist in Abbildung 7 zu sehen. Abbildung 7: Layout der AVR Platine 9

11 2.4 Ladestation Beschreibung Aufgabe der Ladestation ist es, den im Armband bendlichen Lithium-Polymerakku aufzuladen. Dazu wird der Akku, mittels einer Steckverbindung vom Armband abzogen und an die Ladestation angeschlossen. Auf der Platine wird zuerst die Betriebsspannung von 12V auf 5V reduziert. Dazu wird ein Spannungsregler µ A 7805 verwendet. Der verwendete Akku stammt aus dem Modellbau und hat eine Spannung von 3,7V und eine Kapazität von 50mAh. Er ist damit ausreichend für die Stromversorgung des Armbandes für mindestens eine Nacht. Den Ladevorgang steuert der IC MAX1811, welcher den Lithium-Polymerakku mit 100mA Ladestrom automatisch auädt und mittels einer LED das Ladeende anzeigt. Der Schaltplan ist Abbildung 8 zu entnehmen. Abbildung 8: Schaltplan der Ladestation Schaltung Der Eingang der Schaltung ist vorgesehen für 8-15V Gleichspannung. Diese werden durch einen Spannungsregler µ A7805 auf 5V gebracht. Die beiden Kondensatoren dienen der Störungsunterdrückung. C1 ist zur Unterdrückung von hochfrequenten Störungen auf dem Eingangssignal und C2 ist ein Elektrolytkondensator und dient zur Spannungsstabilisierung. Den Kern der Platine bildet der Laderegler MAX1811. Über die Dip-Schalter S1 können die Parameter des MAX1811 eingestellt werden. Schalter 1 stellt den Ladestrom ein, wobei an 500mA und aus 100mA bedeuten. Mit Schalter 2 stellt man die Ladespannung ein, wobei an 4,2V und aus 4,1V entspricht. Da das Signal EN auf 5V liegt, ist der Ladechip immer aktiviert und betriebsbereit. Die LED1 zeigt an, dass der Ladevorgang beendet ist. Die LED ist als low-current-variante ausgeführt und der Vorwiderstand berechnet sich daher aus: 10

12 U LED = 1, 9V I = 2mA U W iderstand = 5V 1, 9V = 3, 1V R = U W iderstand I = 3, 1V = 1, 5kΩ 0, 002A Die Widerstände R2 und R3 dienen als Pull-down-Widerstände. Die Batterie wird durch eine Steckverbindung SL2 mit der Ladeschaltung verbunden. In Abbildung 9 bendet sich das Layout zur Ladestation. Abbildung 9: Layout der Ladestation 3 Basisstation Die Basisstation ist das Herzstück des Wecksystems. Es verarbeitet die empfangenen Daten und gibt nach vorangegangener Berechnung gegebenenfalls die Anweisung den Alarm auszulösen. 3.1 Aufbau Die Basisstation besteht aus einem Microcontroller zu Steuerung derselben, Display und Taster zur Ein- bzw. Ausgabe von Informationen, sowie den Transceiver, der bereits in Abschnitt Transceiver diskutiert wurde. Abbildung 10 zeigt den Aufbau der Basisstation. 3.2 Bedienung Die Schnittstelle zum Menschen besteht aus fünf Schaltern, wobei einer alleine für Reset zuständig ist. Die anderen vier Schalter dienen z.b. der Eingabe von 11

13 Abbildung 10: Aufbau der Basisstation einem Zeitfenster, Rückgabe von gewonnenen Daten oder Anzeigen der Uhrzeit. Die Abbildung 11 zeigt das Zustandsdiagramm für die Bedienung der Basisstation. Mit den Pfeiltasten kann man so innerhalb verschiedener Modi navigieren, während die Taster Enter und Cancel für jeweiliges Fort- oder Zurückschreiten genutzt werden. 12

14 Abbildung 11: Zustandsdiagramm der Basisstation 3.3 Schaltung Der Schaltplan sowie das Layout sind den Abbildungen 12 und 13 entnehmbar. 13

15 Abbildung 12: Schaltplan der Basisstation 14

16 Abbildung 13: Layout der Basisstation 4 Entwicklungsstand Die Entwicklung ist in dem Stadium, in dem die Layouts weitgehend fertig sind und wir fehlende Bauteile nachbestellen können. Auÿerdem ist der grobe Ablauf der Programme speziziert. 5 Nächste Schritte Die nächsten Aufgaben werden sein: die Mikrocontroller müssen programmiert, die Leiterplatten bestückt sowie gelötet werden. Darauf folgt eine Testphase, in der Fehler gefunden und entfernt werden sollen. Alles in allem bendet sich das Projekt auf einem guten Wege und im Zeitplan. Sehr zeitintensiv wird in naher Zukunft die Programmierung der Microcontroller werden. 15