Tutorial sobre cómo implementar un Timbre inalámbrico Sub-1GHz

Tutorial sobre cómo implementar un Timbre inalámbrico Sub-1GHz

En este tutorial, veremos cómo podemos implementar un timbre inalámbrico Sub-1GHz haciendo uso de los MCUs y transmisores/receptores de RF de Holtek. Esta solución utiliza como elemento central del transmisor un transmisor de RF OOK sub-1GHz, y por parte del receptor, utiliza un receptor RF OOK sub-1GHz junto a un MCU de control principal a través de la interfaz I2C.

 

1. Introducción

El timbre inalámbrico realiza el control remoto del timbre a través de una comunicación inalámbrica, como la radiofrecuencia. Un timbre inalámbrico consta de un transmisor y un receptor. El transmisor suele colocarse fuera de la casa y se activa para transmitir datos cuando un visitante pulsa su botón. El receptor suele estar dentro de la casa y, tras recibir un grupo de datos, los descodifica y determina su validez. Si el receptor determina que los datos recibidos son válidos, reproducirá el tono de llamada preestablecido.

La solución de timbre inalámbrico sub-1GHz de Holtek consta de un transmisor y un receptor. El elemento central del transmisor es un circuito integrado transmisor de RF OOK sub-1GHz BC2161 con codificador. Su potencia de salida RF es de hasta 13dBm y la tasa de símbolos OOK es de hasta 24ksps. El receptor utiliza una MCU de control principal HT68RV03x y un CI de receptor RF OOK sub-1GHz – BC2302C/D. La serie HT68RV03x Voice OTP MCU incluye una memoria Flash de 2~16Mbit para soportar actualizaciones de voz repetitivas y un controlador PWM Delta Sigma para controlar directamente el altavoz. Los dispositivos BC2302C/D proporcionan una sensibilidad RX de hasta -108dBm (@10ksps, 433MHz), admiten una velocidad de símbolos de hasta 40ksps y se comunican con la MCU de control principal a través de una interfaz I2C. Holtek también proporciona una plataforma de desarrollo de timbres inalámbricos que admite la edición de tonos de llamada y la configuración de parámetros funcionales, lo que simplifica el proceso de desarrollo de software para el receptor.

En este diseño de referencia se presentará cómo utilizar el HT68RV035 (16NSOP) y el BC2302C para construir un receptor de timbre inalámbrico y utilizar el BC2161 para construir un transmisor activado por botón. En este diseño, el transmisor se alimenta mediante una pila de botón, con una corriente de espera tan baja como 0,25μA. La transmisión de la señal inalámbrica se activa cuando el usuario pulsa el botón del transmisor. El receptor se alimenta con una corriente de 85VAC~265VAC y dispone de dos botones funcionales para ajustar el volumen, poner música y otras funciones. Los usuarios pueden ampliar el número de botones funcionales a cuatro mediante el software de la plataforma de desarrollo del timbre inalámbrico.

Figura 1. Diagrama de Bloques del Sistema

 

2. Características de la solución

1. Buenas características de RF: alta potencia de TX; buena sensibilidad de RX y capacidad antiinterferencias.
   El BC2161 incluye un transmisor RF sub-1GHz con una potencia de salida RF de hasta 13dBm, que proporciona una alta potencia TX. El BC2302C es un receptor RF sub-1GHz lowIF OOK con una buena sensibilidad (-108dBm@433MHz), una baja corriente RX de 4.0mA (@433MHz) y una tasa de símbolos de hasta 40ksps, proporcionando una buena capacidad anti-interferencia.
2. Soporta múltiples bandas de frecuencia: 315/433/868/915MHz.
   El transmisor BC2161 admite las bandas de frecuencia de 315/433/868/915MHz para la transmisión de señales. El receptor BC2302C admite las bandas de frecuencia de 315/433MHz y, como opción alternativa, el receptor BC2302D admite las bandas de frecuencia de 315/433/868/915MHz. Estos dispositivos satisfacen las necesidades de los clientes en una gran variedad de aplicaciones.
3. Proporcionar plataformas de desarrollo adecuadas: umbral de desarrollo más bajo y periodo de desarrollo reducido.
   Holtek proporciona un taller de RF para el desarrollo del lado TX y un taller de timbre inalámbrico para el desarrollo del lado RX. Los usuarios sólo tienen que hacer clic en las opciones de la interfaz para completar la configuración de los parámetros relevantes. Además, las plataformas de desarrollo para los lados TX y RX pueden generar archivos de programación, por lo que los usuarios sólo necesitan algunas operaciones sencillas para implementar las funciones deseadas, sin necesidad de escribir programas complejos.

3. Principios de funcionamiento

Un timbre inalámbrico se divide principalmente en un transmisor y un receptor, y el transmisor suele colocarse en el exterior o en la puerta. Cuando alguien pulsa el botón del transmisor, el circuito integrado del transmisor envía una señal de radiofrecuencia, el circuito integrado del receptor recibe la señal de radiofrecuencia y la envía a la MCU de control principal.

Figura 2

 

3.1 Descripción funcional

Características de la solución

• El transmisor del diseño de referencia del timbre inalámbrico (Nº de placa de referencia: BM23P101-T41) tiene las siguientes características:
  • Tensión de funcionamiento: CC 3,0V (CR2032)
  • Corriente de funcionamiento: 17,54 mA (corriente media cuando se envía la señal de RF y el LED está encendido)
  • Corriente de espera: 0,25μA
  • Condiciones de temperatura: -40°C~85°C
  • Indicador LED: el LED se enciende cuando se pulsa el botón y se apaga cuando finaliza la transmisión de la señal RF.
• El receptor del diseño de referencia del timbre inalámbrico (Nº de placa de referencia: BM23P105-R41) tiene las siguientes características:
  • Tensión de funcionamiento: 85VAC~265VAC
  • Corriente de espera: 8,95 mA (corriente continua media medida en el estado de espera)
  • Corriente de funcionamiento: 46,54mA (corriente CC media medida cuando el altavoz reproduce al volumen máximo de 15)
  • Indicación sonora y luminosa: tras recibir la señal de pulsación del botón, el LED se enciende y el altavoz reproduce música al mismo tiempo.

3.1.1 Función de la Solución

El transmisor de timbre inalámbrico consta principalmente de un circuito integrado transmisor de radiofrecuencia, un pulsador, un portapilas CR2032 y un indicador LED, como se muestra en la figura 3. Cuando se pulsa el botón de control del timbre, el transmisor envía una señal de RF al receptor y enciende el LED. Una vez finalizada la transmisión de la señal de RF, el LED se apaga. El transmisor envía una señal de RF una sola vez cada vez que se pulsa el botón. A continuación se muestra el PCBA real del producto.

Figura 3. Transmisor Inalámbrico

 

El receptor del timbre inalámbrico consta principalmente de una MCU de control principal con función de voz, un CI receptor de RF, botones funcionales, un altavoz y un CI de gestión de la alimentación, como se muestra en la figura 4. Cuando se recibe la señal del transmisor, el LED se enciende y el altavoz empieza a reproducir música o una frase. El LED se apaga cuando finaliza la reproducción de voz.

 

Figura 4. Receptor Inalámbrico

 

• Botones funcionales: el receptor de timbre inalámbrico tiene un botón de volumen y un botón de música, y dos botones reservados para la expansión funcional. Pulse brevemente el botón de volumen para bajar el volumen y mantenga pulsado el botón de volumen durante 3 segundos para entrar en el modo de emparejamiento, consulte el capítulo Descripción del funcionamiento para obtener más detalles. Pulse brevemente el botón de música para reproducir la música siguiente y mantenga pulsado el botón de música durante 3 segundos para cambiar entre la reproducción de una sola pista y la reproducción de una frase. Las funciones de los botones pueden cambiarse a través de la plataforma de desarrollo, consulta el capítulo Descripción del Software para más detalles.
• Función de almacenamiento automático de parámetros: Después de cambiar el modo de reproducción (una sola/secuencia), la pista de reproducción y los ajustes de volumen mediante los botones (configuración de la función de los botones: Restablecer a la primera, Reproducir siguiente, Cambiar voz/sentencia, Volumen+ o Volumen-) y se mantienen los ajustes durante más de 24 segundos, los parámetros modificados se guardarán automáticamente. Después de volver a encenderlo, el receptor funcionará con los ajustes de parámetros guardados automáticamente.

4. Descripción del diseño de la solución

El transmisor de este diseño de referencia utiliza un CI transmisor de RF BC2161, que genera los datos de comunicación tras pulsar el botón y, a continuación, los envía. El receptor utiliza un CI receptor de RF BC2302C, que recibe los datos de RF en el aire, descodifica los datos y, a continuación, envía los datos descodificados a la MCU de control principal, el HT68RV035, para determinar la validez de los datos. Si los datos recibidos son válidos, el receptor activa el altavoz para reproducir música. La siguiente sección presenta el transmisor y el receptor por separado.

4.1 Descripción del Hardware

Figura 5. Esquemático Circuito Transmisor

El transmisor se alimenta con una pila de botón de 3 V. Cuando el CI transmisor de RF detecta que se ha pulsado el botón, generará los datos de comunicación y los enviará en forma de RF. Al mismo tiempo, el CI transmisor de RF enciende el LED azul a través del pin LED, y apaga el LED azul cuando finaliza la transmisión.

Figura 6. Esquemático Circuito Receptor

El receptor se alimenta de una tensión de 85VAC~265VAC, que se rectifica en una tensión DC a través del puente rectificador, y luego se convierte en una tensión DC de 5V a través del circuito buck compuesto por un IC de gestión de potencia para suministrar energía a la MCU de control principal y al IC del receptor RF. La RV1 mostrada en la figura es una resistencia sensible a la tensión, que proporciona protección contra sobretensiones transitorias.

Después de recibir un dato de RF válido, el IC receptor de RF decodifica los datos y envía los datos decodificados a la MCU de control principal a través del pin DO/SDA. La MCU de control principal analiza los datos decodificados y, tras determinar que son correctos, emite una señal de control para que el altavoz reproduzca música. La MCU de control principal controla el encendido o apagado del LED azul a través del pin PC3. El circuito de botón se utiliza para activar la MCU de control principal para implementar el control de volumen, el cambio de modo de reproducción (simple/sentencia), la operación de emparejamiento, etc.

4.1.1 Lista de materiales de la PCB (BOM)

En las siguientes tablas se muestra la lista de componentes necesarios para esta solución.

Tabla 1. BOM Transmisor

 

Tabla 2. BOM Receptor

 

5. Descripción del software

Los programas transmisor y receptor de esta solución de timbre inalámbrico son generados por RF Workshop y Wireless Doorbell Workshop respectivamente. La siguiente sección proporcionará una breve introducción al software de esta solución, y para más detalles acerca de las dos plataformas de desarrollo, consulte la «Holtek official website → MCU Tools → «Development Platform».

Estado de uso de los recursos de la MCU

La siguiente tabla enumera los recursos utilizados por el software de la MCU de control principal del receptor.

Tabla 3. Recursos usados por el Software

 

5.1 Descripción del flujo del programa principal

Figura 7. Flujo del software del Transmisor

 

Figura 8. Flujo del software del Receptor

 

1. Inicialización: tras el encendido, el programa inicializa primero los pines de E/S, el WDT, los parámetros del BC2302C, etc., y luego habilita el modo RX del BC2302 para entrar en el estado de recepción RF.
2. Detección de pulsación de botón y ejecución de función de botón: el programa entra en el bucle principal tras la inicialización. Primero ejecuta la exploración de botones y, a continuación, ejecuta la función correspondiente en función de la acción del botón. Cuando se pulsa brevemente el botón S1, la MCU reproduce la pista siguiente, y las pistas se reproducen cíclicamente, es decir, la primera pista → la segunda pista…la enésima pista → la primera pista, y así sucesivamente. Cuando se pulsa prolongadamente el botón S1, la MCU alternará entre la reproducción de una sola pista y la reproducción de una frase. Cuando se pulsa brevemente el botón S3, la MCU bajará el volumen, y el volumen cambia en ciclos, es decir, 15 → 10 → 5 → silencio → 15, y así sucesivamente. Si mantiene pulsado el botón S3, la MCU entrará en el modo de emparejamiento.
3. Reproducción de una pista/sentencia: tras recibir una señal de RF válida del transmisor, el programa comparará la dirección en los datos. Si la señal de RF recibida se envía desde un transmisor emparejado, la MCU de control principal controlará el altavoz para que reproduzca la siguiente pista única/sentencia y controlará que el LED esté encendido o apagado.

5.2 Modificación del ajuste funcional del receptor

Los datos de tono/sentencia y los parámetros de ajuste funcional del receptor pueden modificarse en el Taller de timbres inalámbricos siguiendo los pasos que se indican a continuación.

1. Abra el software «Wireless Doorbell Workshop», cree un nuevo proyecto y seleccione la banda de frecuencia RF y la MCU de voz deseadas. Hay cuatro MCUs de voz para seleccionar, que sólo difieren en el tamaño del espacio de memoria Flash de voz. Esta solución utiliza la banda de 433MHz y la MCU de voz HT68RV035.
2. Haga clic en «Configuración» para acceder a la página de configuración, donde los usuarios pueden configurar funciones como la función de activación del timbre inalámbrico, el retardo de activación, los eventos clave, el volumen y el tamaño del paso de volumen, la acción del LED y el periodo. El retardo de activación se refiere al tiempo que tarda el timbre en recibir y responder a una señal de radiofrecuencia después de activarse para reproducir música. Si la duración de la reproducción de música es inferior al tiempo de retardo de activación, el receptor puede recibir y responder a una señal de RF una vez finalizada la reproducción de música.
3. Haz clic en «Único» para entrar en la página de configuración de tonos, donde los usuarios pueden añadir o eliminar tonos, seleccionar el formato de compresión correspondiente y escuchar los tonos.
4. Haz clic en «Sentencia» para entrar en la página de configuración de frases, donde los usuarios pueden organizar las frases de reproducción para lograr la reproducción combinada de tonos de llamada.
5. Una vez completados todos los ajustes funcionales, conecte la placa receptora al e-LinkPro2 a través de la interfaz de programación, como se muestra en las Figuras 17 y 18. A continuación, conecte el e-LinkPro2 a un PC mediante un cable USB.
   
6. Una vez conectados los cables de programación necesarios, haz clic en «Descargar» para acceder a la página de descarga. A continuación, haz clic en «Ejecutar» para descargar los tonos de llamada actualizados o los parámetros de las funciones clave en la MCU integrada. Ten en cuenta que, tras la reprogramación, es necesario volver a emparejar el receptor con el transmisor antes de poder utilizarlo.

 

6. Descripción del funcionamiento

El receptor y el transmisor deben emparejarse antes de poder utilizarse. A continuación se describen los pasos del emparejamiento.

1. Mantenga pulsado el botón de volumen (S3) del receptor durante 3 segundos y luego suéltelo, el LED del receptor entrará en estado intermitente indicando que el receptor ha entrado en el modo de emparejamiento.
2. Pulse brevemente el botón del transmisor, entonces el LED del transmisor se encenderá indicando que el transmisor está enviando una señal de radiofrecuencia.
3. Si el receptor recibe la señal de radiofrecuencia enviada desde el transmisor, el LED del receptor deja de parpadear, lo que indica que el emparejamiento se ha realizado correctamente. El usuario puede volver a pulsar el botón del transmisor para observar si el receptor reproduce una sola pista o frase para confirmar que el emparejamiento se ha completado. Si el receptor no recibe una señal de radiofrecuencia del transmisor en 75 segundos, saldrá del modo de emparejamiento.
4. Un receptor puede emparejarse con hasta cuatro transmisores, y una vez que el número de transmisores emparejados supere los cuatro, se sustituirán los primeros datos de emparejamiento.

 

7. Conclusión

Este tutorial presenta en detalle la solución de timbre inalámbrico Sub-1GHz de Holtek, basada en el BC2161, el BC2302C y el HT68RV035. El BC2161, como circuito integrado transmisor, envía datos en forma de señales de RF. El BC2302C y el HT68RV035 forman el receptor. Como CI receptor de RF OOK, el BC2302C descodifica los datos de RF al MCU de control principal, y su excelente sensibilidad y capacidad antiinterferencias han sentado las bases para la comunicación a larga distancia. El BC2161, el BC2302C y el HT68RV035, junto con un pequeño número de componentes externos, pueden implementar una solución completa de timbre inalámbrico sub-1GHz. Holtek también proporciona las plataformas de desarrollo pertinentes, con las que los usuarios pueden modificar cómodamente los parámetros de ajuste funcional sin necesidad de escribir programas complejos.

Puede consultar toda la información sobre este proyecto en la página web de Holtek, donde además de obtener más información, puede consultar los esquemáticos completos, la lista de materiales, así como el código fuente del proyecto.