http://excel.fit.vutbr.cz

Spolehlivá bezdrátová casomíra (nejen) propožární sportTomáš Pelka*

AbstraktTato práce se zabývá návrhem a konstrukcí bezdrátového zarízení pro merení ruzných disciplínpožárního sportu. Cílem je nahradit dlouhé kabelové rozvody bezdrátovými spoji pri zachovánísrovnatelné, nebo lepší spolehlivosti. Hlavním problémem je potreba presné synchronizace hodinmezi jednotlivými moduly. Duležitou cástí je proto návrh vhodného synchronizacního algoritmua komunikacního protokolu. Parametry navrženého systému (zejména presnost synchronizacea merení) byly úspešne overeny v laboratorních podmínkách. Práce proto pokracuje návrhem akonstrukcí zejména elektronických cástí jednotlivých modulu (zobrazovací panel, cílové moduly,hlavní jednotka) s ohledem na široký rozsah napájecích napetí a další provozní podmínky. Navrženýsystém je použitelný nejen pro souteže v požárním sportu, ale díky malým rozmerum, nízkéhmotnosti a rychlé instalaci jej lze využít také pri tréninku.

Klícová slova: bezdrátová casomíra pro požární sport — synchronizace hodin — synchronizacecasu — SimpliciTI — CC1101

Priložené materiály: N/A*xpelka01@stud.fit.vutbr.cz, Faculty of Information Technology, Brno University of Technology

1. Úvod

Požární sport je skupina nekolika disciplín – indi-viduálních i kolektivních, mající spolecný základ vatletice. Už od pocátku požárního sportu bylo potrebamerit a srovnávat výkony soutežících. Nejprve sepoužívaly mechanické stopky, které byly nahrazenyruznými elektronickými zarízeními. Ty jsou obvyklepropojeny dlouhými kabely, což s sebou nese radunevýhod – zdlouhavá instalace, možnost poškozeníkabeláže (závodníky, diváky), apod.

Tato práce navazuje na mou dríve vypracovanoubakalárskou práci [1]. Zabývá se návrhem a konstrukcíkomplexního zarízení, které nahrazuje až 100 m dlouhékabelové spoje bezdrátovou komunikací pri zachovánísrovnatelné, nebo lepší spolehlivosti a presnosti merení

(minimální rozlišovací jednotka 0,01 s). Konkurencníbezdrátové casomíry používají nespolehlivý prenosdat (napr. vestavenými bezdrátovými zvonky) a nej-sou tak odolné proti docasnému rušení, nebo zpoždení.Duležitou soucástí je proto návrh vhodného synchro-nizacního algoritmu a komunikacního protokolu, je-jichž funkcnost bude dukladne overena.

Nahrazením kabelu došlo k výraznému sníženíhmotnosti a velikosti celého zarízení. Vzniklo nekolikmodulu s ruzným úcelem – cílový modul, hlavní jed-notka, zobrazovací panel a další. Objevuje se možnostpoužití casomíry pro trénink, což vyžaduje rychlouinstalaci a snadnou prenositelnost zarízení. V prípadetréninku je vhodné zarízení napájet z malých vesta-vených akumulátoru. Zároven musí jednotlivé mod-

uly disponovat možností pripojení k ruzným externímzdrojum napájení, aby bylo možné zajistit déletrva-jící provoz napr. pri souteži. Proto se práce zabývátaké návrhem elektroniky, která kombinuje provoz zvestaveného Li-ion akumulátoru a externího zdroje(akumulátor, palubní napetí osobního nebo nákladníhovozidla, sít’ový adaptér).

Navržený systém casomíry používá soucasné mod-erní technologie, které umožnily celé zarízení rapidnezmenšit a zároven zvýšit jeho spolehlivost. Díky snadnéprenositelnosti, malé hmotnosti a krátké dobe instalaceje možné rozšírit jeho použití i na tréninky, což dosudnebylo obvyklé. Celý koncept je velmi univerzální alze jej bez vetších úprav použít pro konstrukci casomírpro další sportovní oblasti – napr. atletické oddíly,školy, ale také agility, a další.

2. Disciplíny a jejich merení

Disciplíny požárního sportu mají puvod v atletice ajsou považovány za velmi rychlé. Merené casy mohousice dosáhnout až 5 minut (limit na provedení disci-plíny štafeta 4×100 m s prekážkami), ale rozdíly mezizávodníky casto dosahují desetin, nebo dokonce setinsekundy. Podle pravidel [2, 3] musí být elektronickácasomíra schopná merit všechny disciplíny s presností0,01 s.

Soutežní pokus je obvykle odstartován výstrelemze startovací pistole, méne obvyklé je startování po-mocí optické brány (první clen družstva, který protnepaprsek, spustí merení casu). U individuálních disci-plín (beh na 100 m s prekážkami, výstup do 4. podlažícvicné veže) je možné postavit nekolik drah paralelne(obvykle 2 nebo 4) pro urychlení prubehu souteže.Všichni závodníci jsou odstartováni soucasne a to i vprípade kolektivních disciplín. Zacátek merení pokusuje pro danou skupinu závodníku stejný, na trati je vždypráve jedna skupina – startování je sekvencní, neboparalelní, nikdy ne zretezené.

Ukoncení merení casu se u jednotlivých disciplínliší. V prípade behu na 100 m s prekážkami je vcíli optická brána, stejne jako u štafety 4×100 m sprekážkami. Pri výstupu do 4. podlaží cvicné veže semusí závodník dotknout podlahy – musí šlápnout nadve desky se spínaci. Požární útok, který probíhá nadva terce, se od predchozích disciplín liší tím, že secas pokusu zastaví po sražení obou tercu. Zároven jeobvyklé zmerit mezicas prvního sraženého terce.

3. Specifikace prvku casomíryZ predchozí kapitoly plyne, že jednotlivé disciplínyvyžadují ruzné zpusoby merení – startování, ukoncení

pokusu, další parametry (doba prípravy, limit na prove-dení pokusu). Tyto požadavky se budu snažit naprícdisciplínami maximálne abstrahovat. Cílem je mini-malizace poctu prvku specifických pro jednotlivé dis-ciplíny, a naopak navržení prvku univerzálních.

Casomíru jako celek rozdelím na nekolik modulu,které budou mezi sebou komunikovat bezdrátove. Kri-terium na rozdelení je zejména vzdálenost, která budenahrazena bezdrátovým spojením.

Navržené rozdelení je následující, nekteré modulylze sloucit do jednoho:

• hlavní jednotka (práve 1),• startovací modul (nejvýše 1),• cílový modul (alespon 1),• zobrazovací moduly (volitelne).

3.1 TopologieKaždá sestava casomíry bude mít hlavní jednotku.Díky tomu se nám nabízí možnost usporádat komu-nikující moduly do hvezdicové topologie, kde stredembude práve hlavní jednotka.

Ustavení síte bude proto jednoduché – každý modulse bude snažit pripojit pouze k hlavní jednotce.

Vzdálenost, na kterou zarízení komunikují, musíspolu s volbou bezdrátových modulu umožnit prímoukomunikaci bez použití opakovacu (repeater) a jimpodobných zarízení.

Obrázek 1. Príklad casomíry se startovací jednotkoua ctyrmi cílovými moduly

3.2 Hlavní jednotkaV sestave casomíry je práve jedna hlavní jednotka.Slouží jako prístupový bod a je stredem veškeréhotoku dat. Proto musí být v dosahu všech ostatníchmodulu. Obvykle bývá umístena blízko startu. Rídí

synchronizaci hodin mezi moduly (bude popsáno dále).Pred zapocetím dalšího pokusu (merení) zretelne sig-nalizuje pripravenost casomíry jako celku, která je pod-mínena napr. vynulováním casu, synchronizovanýmihodinami, apod.

Obsluhují ji casomerici, kterí se starají o zápiscasu a jejich vyhodnocení. Je vybavena ovládacímitlacítky a LCD displejem, na kterém jsou zobrazoványdosažené casy v jednotlivých drahách. Muže být propo-jena s PC, do kterého budou prenášeny namerené casya další.

3.3 Startovací modulV sestave casomíry je nejvýše jeden startovací modul.Zajišt’uje bezdrátovou komunikaci mezi senzory ustartu a hlavní jednotkou. Umožnuje pripojit starto-vací zarízení – obvykle pistoli s vestaveným spínacem.Volitelne je k ní možné pripojit optickou bránu, kterábude využita pro hlídání predcasného startu, nebo prospeciální zpusob startování.

Na príkaz nového merení (od hlavní jednotky)odpovídá, jestli je pripraven (pripojené senzory jsouv klidu, pamet’ casu musí být prázdná). Následneceká na aktivaci startovacího senzoru. Pokud dojde ke2. aktivaci startovacího senzoru (2 výstrely z pistoleznamenají neplatný start), nebo aktivaci volitelne in-stalované optické brány pro hlídání predcasného startu,tak predá informaci o neplatném startu.

Cas odstartování a prípadné informace o neplat-ném startu si nejprve ukládá do pameti (která se nevy-maže pri ztráte napájení), a teprve poté se vše snažíodeslat hlavní jednotce. Data z pameti maže až poobdržení potvrzení o prijetí, prípadne pri vynucenémnulování.

Prostrednictvím hlavní jednotky je možno konfig-urovat typ startovacího senzoru (optická brána, nebospínac – spínací, rozpínací, prepínací) a parametry prodetekci predcasného startu (prodlevu).

3.4 Cílové modulyV sestave casomíry je alespon jeden cílový modul.Umožnuje pripojit ruzná koncová cidla (spínací, roz-pínací, prepínací, nebo optickou bránu) a muže sig-nalizovat aktivaci koncového cidla (napr. pomocí relénebo LED diod). Teoreticky mohou být mereny až4 dráhy soucasne a to pomocí jediného modulu se 4pripojenými senzory, nebo až 4 moduly – každý s jed-iným pripojeným senzorem.

Na príkaz nového merení (od hlavní jednotky)odpovídá, jestli je pripraven (pripojené senzory jsou vklidu, pamet’ casu musí být prázdná). Následne cekána aktivaci senzoru. Casy aktivace senzoru si prubežne

ukládá do pameti (která se nevymaže pri ztráte napá-jení), a snaží se vše odeslat hlavní jednotce. Data zpameti maže až po obdržení potvrzení o prijetí, prí-padne pri vynuceném nulování.

3.5 Zobrazovací modulyV sestave casomíry muže být ruzný pocet zobrazo-vacích modulu. Pro úcely tréninku nemusí být nain-stalován žádný (výsledný cas bude zobrazen pouzena displeji hlavní jednotky). Na soutežích muže být ivetší pocet zobrazovacích panelu.

Modul bude vestaven prímo do zobrazovacího pan-elu (napr. z LED diod). Krome mereného casu pokusumohou být zobrazovány prubežné výsledky, odpocetcasu na prípravu pokusu, jméno soutežícího (nebodružstva), hodiny, nebo teplota vzduchu. Vhodná jetaké možnost regulace jasu.

Pri bezdrátové komunikaci muže dojít ke ztrátedat, což by mohlo vést k nesprávným výsledkum zo-brazeným prostrednictvím tohoto modulu.

Pri merení casu pokusu obdrží tyto moduly casodstartování pokusu. Protože jsou jejich hodiny syn-chronizovány s hlavní jednotkou, tak je možné spocítatuplynulou dobu od startu a tento cas prubežne zobra-zovat. Pokud by ale došlo ke ztráte casu o ukoncenípokusu, tak zobrazovací modul bude dále cítat. Tatosituace sice nebude mít vliv na výsledný cas (jednáse o docasnou chybu, z které se casomíra díky komu-nikacnímu protokolu zotaví), ale muže to zmást jakdiváky, tak závodníky.

Rešením je pravidelné zasílání zpráv, které infor-mují modul o tom, že veškerá komunikace probíhásprávne a nejsou žádná nedorucená data – vše, comá modul k dispozici je aktuální. Pokud zobrazovacímodul neobdrží vcas tuto zprávu, tak displej automat-icky zhasne a rozsvítí se, až bude problém s komu-nikací vyrešen.

4. Synchronizace hodin (casu)U bezdrátové komunikace nelze predpokládat 100%spolehlivost dorucení dat. Mohou nastat kolize v síti,chyba pri prenosu, nebo docasné rušení. Pokud by-chom prenášeli pouze informace o zmenách stavu sen-zoru, tak nám merený cas mohou znehodnotit dva prob-lémy – možnost ztráty dat, nebo nedeterministickézpoždení.

Tento zpusob prenosu využívají napr. bezdrátovézvonky. Jedná se o nespolehlivé rešení, které je zdro-jem nepresnosti merení. Proto budou místo zmen stavusenzoru prenášeny casy techto událostí. Zarízení se bu-dou pokoušet dorucit data tak dlouho, dokud neprijdepotvrzení – tím jsme odstranili oba problémy. Vznikl

ale nový problém – všechna zarízení musí mít k dis-pozici v každý okamžik stejné casové razítko.

4.1 Presnost krystaluPresnost krystalu urcuje, o kolik se muže lišit skutecnáfrekvence od udávané (za predepsaných podmínek).Její jednotkou je obvykle ppm (parts per million), cožje jedna miliontina. Krystaly dostupné na trhu majípresnost približne v rozmezí 10–100 ppm.

Pri urcování nejhorší chyby merení budeme pred-pokládat, že jeden modul se odchyluje smerem na-horu a druhý dolu. Vznikne tak možná chyba až dvo-jnásobku presnosti krystalu. Nyní spocítáme pomocívzorce 1, za jakou dobu se zacnou casy mezi modulylišit o rozlišovací jednotku.

todchylka = 2 · presnost ·∆tdoba

∆tdoba =todchylka

2 · presnost(1)

Pokud bychom meli krystal s presností 20 ppm(což odpovídá pomerne kvalitnímu krystalu), tak kprekrocení povolené odchylky (0,01 s) dojde za:

∆tdoba =0,01

2 ·20 ·10−6 = 250 s

4.2 Možnosti synchronizace hodinDalo se predpokládat, že k odchylce hodin dojde v rel-ativne krátké dobe. Synchronizaci hodin jednotlivýchmodulu bude nutné provádet behem souteže (prípadnev prubehu samotného mereného pokusu). Proto jepotreba najít metodu synchronizace, která bude jedno-duchá (nesmí príliš zatežovat zvolený mikrokontrolér),nenárocná na prenos dat, a bude mít požadovanou pres-nost (alespon 0,01 s).

Možností, z kterých jsem vycházel, je nekolik:

• GPS,• Network Time Protocol (NTP),• Precision Time Protocol (PTP),• Reference Broadcast Synchronization (RBS)• Simple Network Time Protocol (SNTP).

Pri synchronizaci pomocí bezdrátové komunikacemuže presnost negativne ovlivnit:

• Zpoždení sít’ového zarízení (fronty, prístup kmédiu, výpocet kontrolního souctu, šifrování).

• Samotný prenos (šírení) dat.• Latence software (OS, obsluha prerušení).

Pri komunikaci na krátké vzdálenosti (což 100 mje) mužeme zpoždení pri prenosu (šírení) dat ignorovat.Výsledný synchronizacní algoritmus musí popsanénegativní vlastnosti maximálne eliminovat.

GPS umožnuje synchronizaci s presností nekolikadesítek nanosekund – s využitím signálu 1PPS [4, 5].Problémem je nutnost být v dosahu signálu GPS, cožnení možné napr. v uzavrených prostorách (halovésouteže), navíc jsou GPS prijímace pomerne drahé.

RBS [6] vyžaduje nejméne 3 zarízení – jednovysílá synchronizacní signál, ostatní poslouchají. Be-hem jedné iterace lze synchronizovat pouze N − 1zarízení. Všechny tyto vlastnosti jsou pro casomírunevhodné. Velmi omezující je hlavne minimální pocetzarízení, protože nejmenší sestava casomíry cítá 2prvky (cílový modul a hlavní jednotku).

NTP [7], SNTP [8] a PTP [9] jsou si velmi podobné.Synchronizace casu probehne na základe výmeny neko-lika zpráv, a merení casu událostí, které pri komu-nikaci nastaly. Zmínené protokoly se liší napr. vprumerování namerených hodnot, v hardwarové pod-pore (napr. tvorby casových razítek).

Princip (algoritmus) výmeny zpráv u protokoluNTP je znázornen na obrázku 2. Synchronizaci inici-uje klient a má tyto kroky:

1. Klient si uloží cas (t0).2. Klient odešle zprávu (požadavek ke zjištení zpo-

ždení) NTP serveru.3. Server si uloží cas prijetí požadavku (t1).4. Server pripraví zprávu (odpoved’), do které pri-

pojí cas t1 a t2, což je jeho aktuální cas.5. Server pripravenou zprávu odešle.6. Klient si uloží cas prijetí odpovedi (t3).

server

klientt 0

t 1 t 2

t 3

čas

čas

Obrázek 2. Znázornení NTP synchronizacníhoalgoritmu

Z casu t0 až t3 je možné pomocí vzorce 2 spocí-tat celkové zpoždení δ , které nastalo pri komunikaci(zelene zvýraznené trojúhelníky na obrázku 2).

δ = (t3 − t0)− (t2 − t1) (2)

Pri výpoctu offsetu θ (vzorec 3) casu klienta oproticasu serveru se predpokládá, že zpoždení pri komu-nikaci smerem k serveru je stejné, jako smerem keklientovi. Vzorec pro výpocet offsetu byl odvozennásledovne:

θ = t1 − t0 −δ

2

θ =(t1 − t0)+(t2 − t3)

2(3)

4.3 Výsledný synchronizacní algoritmusPri tvorbe casových razítek jsem se inspiroval pro-tokolem PTP, který definuje hardwarovou podporupro jejich tvorbu. Bezdrátový modul ihned po pri-jetí zprávy vygeneruje prerušení do mikrokontroléru,kde bude ve velmi krátké dobe obslouženo, pricemžse uloží cas události. Nejedná se sice o prímou hard-warovou podporu tvorby casového razítka, ale výsledekbude v dusledku vysoké priority pri obsluze prerušenípodobný.

Bezdrátová casomíra nepoužívá switche, routeryani jiné podobné sít’ové prvky, které by mohly paketynáhodne pozdržet. Proto není treba využívat dalšíchvlastností PTP, které toto zpoždení eliminují. Protojsou ostatní postupy (výpocty zpoždení a offsetu, zpu-sob komunikace) prejaty z jednoduchého SNTP.

5. Realizace prototypu, testování

5.1 Volba komunikacní frekvencePro bezdrátovou komunikaci je nutné zvolit vhodnýkmitocet. Využívání vymezených kmitoctu stanovujeCeský telekomunikacní úrad ve všeobecném oprávnení[10]. Ten taky zprístupnil prehled kmitoctu na svéwebové aplikaci „Využití rádiového spektra“ [11].

Z možných kmitoctových pásem lze použít433 MHz, 868 MHz, nebo 2,4 GHz. Pásmo 2,4 GHzje intenzivne využíváno pro bezdrátové pripojení kinternetu – a to poskytovateli pripojení i samotnýmidomácnostmi (domácí WiFi routery). Pásmo 433 MHzje využíváno bezdrátovými zvonky a hrackami, jejichžvysílace jsou casto velmi laciného provedení a zpu-sobují proto velké rušení. Vhodnou volbou tedy budekmitoctové pásmo 868 MHz, na kterém lze provozo-vat zarízení krátkého dosahu (SRD) s vyzarovanýmvýkonem do 25 mW. Toto pásmo je CTÚ rozdeleno nanekolik menších cástí, které jsou všeobecným opráv-nením ruzne omezeny, zejména klícovacím pomerem.Jako alternativu ke klícovacího pomeru lze použít me-todu Listen Before Talk.

Klícovací pomer (známý též jako duty cycle, DC)je definován jako podíl casu, kdy zarízení aktivnevysílá v rámci jakékoliv jedné hodiny. V kmitoc-tovém pásmu 863–870 MHz je urcen DC ≤ 0,1 %.Pro pásmo 868,0–868,6 (což jsou jen nekteré kanály)je DC ≤ 1,0 %, což odpovídá dobe 36 s, po kterou jemožné vysílat v rámci jedné hodiny.

Bezdrátová casomíra vybavená maximálním poc-tem modulu však generuje znacný sít’ový provoz. Abybyl s takovým množstvím zpráv dodržen DC, tak bybylo nutné nastavit baudrate na pomerne vysokou hod-notu, kterou bezdrátový modul nemusí podporovat,

nebo pri ní bude komunikace nestabilní. Proto je totoomezení nutné rešit implementací Listen Before Talk.

Listen Before Talk je metoda vysílání, pri kteréje nejprve urcitou dobu poslouchána komunikace navybraném kanálu. Pokud nepresáhne úroven signáluhranicní (prahovou) hodnotu, tak je možné vysílat.

5.2 Volba bezdrátových moduluPri pruzkumu dostupných rešení na trhu jsem narazilna moduly s cipy firem Nordic Semiconductor, TexasInstruments, HopeRF, Amber Wireless.

Cena modulu Amber Wireless byla vysoká (pri-bližne 700 Kc za kus), proto jsem je bez zkoumáníparametru vyradil.

Nordic Semiconductor vyrábí populární cipnRF905, který rada cínských výrobcu používá na vý-robu hotových modulu. Jeden modul lze porídit pribli-žne za 100 Kc.

HopeRF nabízí hotové bezdrátové moduly, kterémají srovnatelné parametry s cipy Nordic Semiconduc-tor a jejichž prumerná cena za kus je 60 Kc.

Texas Instruments vyrábí celou radu cipu probezdrátovou komunikaci. Hotové moduly jsou ne-jcasteji vyrábeny s cipem CC1101. Parametry techtomodulu jsou podobné jako u predchozích dvou firem,jejich cena se pohybuje kolem 100 Kc za kus – tedystejne jako za moduly Nordic Semiconductor. Velkouvýhodou cipu od Texas Instruments je dostupnost soft-warového rešení a protokolu SimpliciTI [12], který jeurcen pro použití s jejich cipy. Jedná se o jednoduchýprotokol urcený pro malé bezdrátové síte.

Protokol SimpliciTI se zdál být dobre použitelnýpro bezdrátovou casomíru a proto jsem se rozhodlpoužít práve moduly s cipem CC1101 od Texas In-struments. Další výhodou byla prímá podpora ListenBefore Talk (pro zajištení duty cycle) a Adaptive Fre-quency Agility (volba nejméne zarušeného kanálu).

5.3 Volba mikrokontroléruNabídka MCU je v dnešní dobe velmi široká. Nejvíceme zaujala nove vzniklá rada 16bitových mikrokon-troléru firmy Texas Instruments s oznacením FR, kterámá nový typ pameti, tzv. FRAM (Ferroelectric Ran-dom Access Memory), která kombinuje výhody flashpameti a SRAM. Je stálá jako flash, rychlá podobnejako SRAM, a pritom má nízkou spotrebu.

Dalším duvodem pro volbu mikrokontroléru od TIbylo použití protokolu SimpliciTI, který je urcen promikrokontroléry firmy TI, vcetne príkladu pro nekterévývojové kity.

Minimální požadavky na MCU byly výrazne ovliv-neny knihovnou SimpliciTI (vyžaduje alespon 10 kB

programové pameti a 1 kB RAM) a bezdrátovými mod-uly (komunikacní rozhraní SPI). Pro merení casu jepožadováno pocítadlo RTC (real time clock), kteréfunguje i v režimu nízké spotreby. Samozrejmostí jsoupull up/down rezistory u pinu obecného použití, cožsníží pocet externích soucástek. Dalšími kritérii bylaspotreba, cena a dostupnost.

Všechny požadavky splnoval mikrokontrolér TIMSP430FR4133 [13, 14], který je osazen i na Launch-Padu (vývojový kit TI) s oznacenímMSP–EXP430FR4133 [15].

5.4 Dosah bezdrátových moduluBezdrátové moduly je možné osadit ruznými anténami,v prípade bezdrátové casomíry je vhodné použít vše-smerové antény.

Velmi levnou variantou je pružinová anténa, kterámi byla dorucena jako soucást modulu. Její parame-try však nebyly uvedeny. Pri experimentálním merenídosahu jsem zjistil, že pri vzdálenosti 30 m docházíke ztráte zpráv. Merení probíhalo na volném pros-tranství (poli) v malé obci Traplice, kde se nepredpok-ládala prítomnost rušení. Moduly mely na sebe prímývýhled. Výkon vysílace byl nastaven na 0 dBm, bau-drate na 76,8 kBaud/s. Pri zvýšení výkonu vysílacenad +10 dBm prestala komunikace fungovat, což jezpusobeno pravdepodobne špatnou konstrukcí antény.Namerené parametry pružinové antény považuji zanedostatecné pro bezdrátovou casomíru.

Pri dalším experimentu jsem použil prutovou an-ténu dlouhou se ziskem 3 dBi. Merení dosahu probíhaloza stejných podmínek jako u pružinové antény. Mod-uly byly schopné spolehlivé komunikace na vzdálenost150 m i bez prímé viditelnosti (modul zakryt vlastnímtelem). Dosah prutové antény je více než dostatecný.Její použití je vhodné pro všechny moduly bezdrátovécasomíry.

5.5 Presnost synchronizace hodinPro overení presnosti synchronizace jsem použil je-dnoduchý firmware, který blikal LED diodou – inver-toval stav pinu vždy presne v celou vterinu. MístoLED diody byl pripojen osciloskop. Tlacítkem bylavynucena synchronizace modulu. Následne byly na os-ciloskopu sledovány signály reprezentované napetímprivedeným na LED diody LaunchPadu.

Ihned po synchronizaci byla namerena absolutníhodnota zpoždení pouhých 174 µs, což je velmi dobrývýsledek. Po 2 minutách se absolutní hodnota zpo-ždení zlepšila na 100 µs, ve skutecnosti ale došlo kposunu o 274 µs proti hodnote namerené ihned posynchronizaci. Na grafu 4 je videt, že se namerené

Obrázek 3. Výstup z osciloskopu pri merenízpoždení ihned po synchronizaci

hodnoty mení s casem približne lineárne, což je prav-depodobne zpusobeno nepresností krystalu, která jezde v požadované toleranci.

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

0 20 40 60 80 100 120

Změř

ený

rozd

íl [µ

s]

Doba od synchronizace [s]

Změřený rozdíl [µs]

Obrázek 4. Graf namerených hodnot zpoždení mezi 2moduly

Presnost merení závodních pokusu závisí pouze napresnosti synchronizace jednotlivých modulu. Name-rené hodnoty splnily všechny podmínky s rezervou.

6. Vlastní hardwareNyní, když se podarilo overit klícové vlastnosti ca-somíry na prototypových deskách, mužu pristoupitk návrhu vlastního hardwaru. Hlavním duvodem ktomuto kroku je zvýšení spolehlivosti (doposud bylyvývojové kity propojeny spoustou vodicu s periferiemi)a miniaturizace (vše na jedné desce).

6.1 Napájecí obvodyKvuli prenositelnosti zarízení je každý modul vybavenvlastním vestaveným akumulátorem. Krome toho lzemoduly napájet z externího zdroje, který zároven sloužíjako zdroj pro nabíjení vestaveného akumulátoru.

Rozsah provozních napetí je celkem velký – od 6do 30 V. Napetí je snižováno na 3,3 V (mikrokontrolér,bezdrátový modul) a 5 V (LED diody, relé). Aby prisnižování napetí bylo dosaženo maximální efektivity,tak jsou namísto lineárních regulátoru použity spínanéregulátory napetí v režimu Step-Down.

Speciální napájecí vetví je volitelná 12 V vetev,která slouží napr. pro napájení optických závor. Zde

je použit speciální spínaný regulátor (SEPIC), kterýdokáže napetí jak snižovat (pri použití externího zdrojenapetí), tak zvyšovat (pri napájení z vestaveného aku-mulátoru).

6.2 Nabíjení akumulátoruV každém modulu jsou dva vestavené lithiové aku-mulátory, jejichž napetí pri sériovém zapojení je cca7,4 V. Li-ion akumulátory byly zvoleny zejména kvulijejich malým rozmerum a dostatecnému rozsahu pro-vozních teplot ve srovnání s olovenými akumulátory.

Nabíjení akumulátoru je spušteno vždy pri pripo-jení externího zdroje a probíhá zcela automaticky –je použit inteligentní rídicí cip, který sleduje a hlídánabíjecí napetí, proud i teplotu akumulátoru.

6.3 Desky plošných spoju (DPS)Pro návrh zapojení a DPS byl použit software Eagle.Pri návrhu DPS jsem dbal na vhodné rozmístení sou-cástek a spoju s ohledem na elektromagnetickou kom-patibilitu [16] a možnost prípadného rušení.

Obrázek 5. DPS pro napájení a nabíjení

7. ZáverPo seznámení s hlavními disciplínami požárního sportubyla navržena nová casomíra. Její hlavní predností jebezdrátová komunikace, která nahradila 100 m dlouhépropojovací kabely. Dalším cílem pri návrhu bylaspolehlivost a modularita.

K dosažení vytycených cílu bylo nutno vyrešitsynchronizaci casu mezi jednotlivými moduly. Bylyprozkoumány ruzné synchronizacní algoritmy a na zák-lade získaných znalostí byla vytvorena vlastní metodasynchronizace hodin.

Za úcelem overení presnosti navrženého rešení bylpostaven prototyp na vývojových deskách Texas Instru-ments. Bezdrátovou komunikaci zajišt’ovaly moduly scipem TI CC1101 podporující komunikacní protokolSimpliciTI. Merení v laboratori ukázalo presnost syn-chronizace ve stovkách µs, což je o rád lepší, než

požadavek. Dále byl overen dosah bezdrátových mod-ulu, který je pri použití vhodné antény více než 150 m.

Po overení konceptu byly navrženy nekteré DPS,zejména jde o obvody napájení a nabíjení, které umo-žnují provoz zarízení jak z vestavených akumulátoru,tak z externích zdroju s ruznými napetími.

Navržený systém je vhodný pro použití nejen nasoutežích v požárním sportu, ale i na tréninku a todíky malým rozmerum a možnému provozu z vestave-ných akumulátoru. Jinou cílovou skupinou mohou býtatletické oddíly, školy, atd.

Další práce bude smerovat k dokoncení firmwarujednotlivých modulu, vytvorení vhodného uživatel-ského rozhraní a montáž do prístrojových krabiceks vhodným krytím (proti vode, aj.). Duležité je takédukladné testování prímo v terénu – na konkrétníchsoutežích, apod.

Vývoj je sice v plném proudu, ale už nyní je možnéodhadnout celkovou porizovací cenu. Uvedu zde dvetypické sestavy casomíry, aby je bylo možné srovnats nabídkou konkurence. Sestava casomíry pro trénink(hlavní jednotka s LCD displejem, startovací zarízení,2 cílové moduly vcetne senzoru) se muže pohybovatod 15 do 20 000 Kc podle volby príslušenství (optickébrány, startovací pistole se spínacem nebo s mikro-fonem, apod.). Cena sestavy pro souteže (jako sestavapro trénink, navíc s velkým dvourádkovým zobrazo-vacím displejem – výška znaku 160 mm) se podlezvoleného príslušenství muže pohybovat od 30 do35 000 Kc. Nejsou zde žádné skryté náklady – doceny jsou zapocítány napájecí adaptéry, akumulátory,prístrojové krabicky (cílové jsou s krytím IP67 vcetnekonektoru), stojany (napr. pro zobrazovací panel),apod.

Literatura[1] Tomáš Pelka. Bezdrátová komunikace v oblasti

požárního sportu. bakalárská práce, Vysokéucení technické v Brne, Fakulta informacníchtechnologií, 2015.

[2] GR HZS CR. Pravidla požárního sportu [online],2010. http://www.hzscr.cz/soubor/pravidla-ps-2010-finalni-verze_-zmeny-pdf.aspx.

[3] Sdružení hasicu Cech, Moravy a Slezska.Smernice hasicských sportovních souteží promuže a ženy [online], 2011-06-16. http://www.dh.cz/index.php?option=com_content&view=article&id=1383:uorhs-pipravila-novelu-&catid=60:poarni-sport&Itemid=81.

[4] Texas Instruments. Ti gps pps timingapplication note [online], leden 2012.http://processors.wiki.ti.com/images/f/f1/TI_GPS_PPS_Timing_AppNote.pdf.

[5] Jingbo Ye. Gps time synchronization [online],2016. http://www.physics.smu.edu/~yejb/GPSPaper.pdf.

[6] Jeremy Elson, Lewis Girod, and Deborah Estrin.Fine-grained network time synchronization usingreference broadcasts [online], prosinec 2002.https://www.usenix.org/legacy/event/osdi02/tech/full_papers/elson/elson.pdf.

[7] D. Mills, U. Delaware, J. Martin, J. Burbank, andW. Kasch. Network time protocol version 4: Pro-tocol and algorithms specification [online], cer-ven 2010. http://www.ietf.org/rfc/rfc5905.txt.

[8] D. Mills. Simple network time protocol (sntp)version 4 for ipv4, ipv6 and osi [online],leden 2006. http://www.ietf.org/rfc/rfc5905.txt.

[9] Ieee standard for a precision clock synchroniza-tion protocol for networked measurement andcontrol systems. IEEE Std 1588-2008 (Revisionof IEEE Std 1588-2002), pages c1–269, 2008.

[10] Ceský telekomunikacní úrad. Všeobecnéoprávnení c. vo-r/10/05.2014-3 k využívánírádiových kmitoctu a k provozování zarízeníkrátkého dosahu [online], 2014-05-07. https://www.ctu.cz/cs/download/oop/rok_2014/vo-r_10-05_2014-03.pdf.

[11] Ceský telekomunikacní úrad. Využití rádiovéhospektra [online], 2016. http://spektrum.ctu.cz/kmitocty/.

[12] Texas Instruments. Simpliciti compliant protocolstack [online], 2016. http://www.ti.com/tool/SimpliCITI.

[13] Texas Instruments. Msp430fr4xx andmsp430fr2xx family user’s guide [online],2016. http://www.ti.com/lit/pdf/slau445.

[14] Texas Instruments. Msp430fr413x mixed-signal microcontrollers (rev. a) [online],2015]. http://www.ti.com/lit/gpn/msp430fr4133.

[15] Texas Instruments. Msp430fr4133 launch-pad development kit - msp-exp430fr4133 [on-

line], 2016. http://www.ti.com/tool/msp-exp430fr4133.

[16] Texas Instruments. System-level esd considera-tions [online], 2016. http://www.ti.com/lit/an/slaa530/slaa530.pdf.