MONITORIZACIÓN INALÁMBRICA PARA SISTEMAS SOLARES. RESUMEN DEL PROYECTO. Autor: Kaiser Manzano, Francisco Javier. Director: Vaziri, Faramarz.

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1 MONITORIZACIÓN INALÁMBRICA PARA SISTEMAS SOLARES. Autor: Kaiser Manzano, Francisco Javier. Director: Vaziri, Faramarz. Entidad Colaboradora: SUNY New Paltz FALA Technologies Inc. RESUMEN DEL PROYECTO Actualmente Modbus y Profibus ya no son los estándares de comunicación industrial; las redes Ethernet han cubierto estas necesidades de comunicación. Estas redes comparten una serie de desventajas importantes: cableado, distancia y limitación en cuanto a costes. Todas estas desventajas han alentado a la innovación, buscando una mayor distancia, y flexibilidad, utilizando las comunicaciones inalámbricas. Una de estas comunicaciones es Bluetooth Low Energy o recientemente llamada Bluetooth 4.0, que es empleada para expandir las posibilidades de un controlador para sistemas solares. El objetivo es crear un sistema de comunicación inalámbrica, que de la posibilidad al consumidor de tener una monitorización inalámbrica para su sistema solar, posibilitando y facilitando la asistencia en el mantenimiento y actualizaciones. El system on chip CC2540 de Texas Instruments es empleado en el desarrollo de una comunicación de dos canales basada en el protocolo Bluetooth 4.0. Un microcontrolador 8051 está incluido en el sistema, por lo que la comunicación RS232 entre el controlador solar y el servidor Bluetooth está garantizada. El sistema creado es barato, rápido, pequeño, y mejor que otros sistemas inalámbricos porque consume muy poca energía, algo muy importante para una aplicación que conlleva energía solar. En la figura 1 se muestra la conexión RS232 y Bluetooth. Figura 1: Arquitectura del sistema inalámbrico. Kaiser Manzano 1

2 Dentro de las características más importantes de que debe cumplir el sistema son entre otras: permitir una comunicación con un rango de al menos 100 metros o superior, no debe ser un sistema complejo de utilización, la información debe ser mostrada de forma simple y clara en un interfaz de usuario. El sistema debe estar preparado para sortear una serie de obstáculos como son: transmitir desde el interior de una caja metálica que soporte el frío y las nevadas, por lo que es necesario proveer al sistema de una antena tipo whip con el fin de poder cumplir este requisito. También debe presentar lo posibilidad de poder conectarse a distintos sistemas de monitorización, en este caso el protocolo empleado BT 4.0 presenta las características necesarias para poder realizar una red tipo mesh, que permite una comunicación con distintos dispositivos desde el mismo servidor (en este caso ordenador personal.) La metodología seguida en la realización de este proyecto ha sido la clásica para un proyecto de este tipo, con el objetivo final de reducir el riesgo de fallos, incrementar la eficiencia y productividad, mejorar la calidad de los servicios anteriores y mejorar las comunicaciones entre el sistema solar y un ordenador personal. Partiendo de todas la especificaciones requeridas se estableció el protocolo a emplear en la comunicación inalámbrica, en este caso se eligió el protocolo IEEE Bluetooh 4.0 o también conocido como Bluetooth Low Energy. La implementación de este protocolo de comunicación se realiza gracias al system- on- chip CC2540 de Texas Instruments. Teniendo en cuanta las limitaciones en consumo de energía estipuladas por la empresa para esta aplicación, se realizaron los cálculos de la potencia consumida por el sistema, en todos los modos posibles, así como las posibles alternativas para reducir dicho consumo. Se plantearon también posibilidades para aumentar el alcance, empleando un sistema Front- End. El sistema de monitorización debe comunicarse como ya se ha indicado con anterioridad, primero a un controlador solar vía comunicación serie RS232. Y posteriormente al ordenador personal u otro dispositivo mediante el protocolo Bluetooth 4.0. La comunicación serie se realiza entre el controlador conectado a la placa solar, y la keyfob perteneciente al kit de desarrollo, esta keyfob es el esclavo en la futura comunicación vía Bluetooth. La programación fue realizada en C++ empleando el compilador IAR Workbench suministrado por TI. La comunicación serie, ha sido garantizada gracias al microcontrolador 8051 integrado en el chip Kaiser Manzano 2

3 CC2540. En esta fase se realizó el esquema electrónico y bill- of- materials para la futura PCB. Una vez conseguida la comunicación RS232, es necesario implementar la comunicación inalámbrica entre un ordenador personal, empleando un BT 4.0 dongle, que realiza la tarea de maestro y el esclavo conectado al controlador solar (keyfob.) El interfaz de usuario empleado ha sido el proporcionado por Texas Instruments, BTool. Desde el cual se puede establecer una comunicación de doble vía, esto es una vez realizada la conexión con el esclavo, se puede enviar y recibir información de manera inalámbrica. La programación ha sido realizada en C++ empleando el mismo compilador que en el caso de la comunicación RS232. Cumplidas todas las etapas del diseño, se entregó a la empresa FALA Technologies el prototipo final, con el esquema para realizar la PCB. El sistema de comunicación implementado para esta aplicación, constituye una mejora y optimización en este tipo de aplicaciones, ya que hasta el momento no había en el mercado ninguna aplicación que realizara este tipo de comunicaciones. Teniendo en cuenta la reciente aparición de este protocolo de comunicación inalámbrica y del chip CC2540, han existido muchos problemas en cuanto a documentación, guías de usuario para la programación, etc. Pero al final y teniendo en cuanta todas estos problemas, se ha conseguido crear un sistema estable de comunicación entre un ordenador personal y el controlador solar. Palabras clave: Comunicación inalámbrica, Bluetooth 4.0, Bluetooth Low Energy, red mesh, RS232, comunicación UART, Chip TI CC2540, antena Whip. Kaiser Manzano 3

4 WIRELESS MONITORING FOR SOLAR SYSTEMS ABSTRACT Data buses like Modbus and Profibus are no longer the de facto standard for industrial communications; Ethernet has overtaken both. Wired Ethernet shares one significant drawback with other wired industrial networking approaches: cabling, distance and cost limitations. These hardwiring drawbacks have led many to seek a longer range and more flexible alternative in wireless Ethernet. One of those wireless communications is Bluetooth Low Energy or recently called Bluetooth 4.0, which is used to expand the capabilities and feature set of a solar system controller. The goal is to develop some type of wireless device that would give customers the option to have a wireless monitoring system for their solar systems that would assist in maintenance and status updates. The system on chip CC2540 from Texas Instruments is used to develop a two- way communication system based on Bluetooth 4.0 protocol. An 8051 microcontroller is included on the chip so RS232 communication between the solar controller and the Bluetooth- Server is guaranteed. The system created is cheap, fast, small and better than another wireless protocols because it consumes low energy, something really important for a solar power application. In Figure 1 it is presented the RS232 connection and Bluetooth communications needed. Figure 1: System Architecture. The most important features that must meet the system are among others: a user should be able to wirelessly communicate with the sign up to 100m. It should be easy for a non- technical lay- person to download or retrieve data. Data should be displayed clearly in some type of user interface. The system must be prepared Kaiser Manzano 4

5 to avoid a number of pitfalls such as: it will be able to transmit through any physical obstacles n place, mainly metal box. The client must be able to distinguish between separate solar systems in range and uniquely communicate with each, in this case the protocol used BT 4.0 has the characteristics needed to make a mesh network that allows communication with other devices from the same server (in this casa a laptop.) The methodology followed in conducting this project has been the classic one, with the ultimate goal of reducing the risk of failure, increase the efficiency and productivity, improve the quality of past services and improve communications between solar system and a laptop Based on all the requirements, the protocol to be used in the wireless communication was the IEEE Bluetooth 4.0 or also known as Bluetooth Low Energy. The implementation of this communications protocol is possible thanks to the CC2540 system- on- chip from Texas Instruments. Taking into account the limitations in power consuming required for the project, the power- consumed calculations by the system in all possible modes were calculated, and established possible alternatives to reduce the consumption. Also some possibilities to increase the range of communication were presented, such as use a Front- End. The monitoring system should be reported as already indicated above, first to a solar controller via RS232 serial communication. And then to a personal computer or other device using the Bluetooth 4.0 protocol. The serial communication is performed between the controller connected to the solar panel and the keyfob from the development kit. The keyfob will be the slave in the future Bluetooth communication. The programming was done in C++ using the IAR Workbench provided by TI. The serial communication is guaranteed thanks to the 8051 microcontroller on- chip CC2540. In this phase the electronic schematic and bill- of- material for the future PCB layout were also done. Having gained the RS232 communication, it is necessary to implement the wireless communication between a personal computer using a BT 4.0 dongle that performs the master task, and the slave connected to the solar controller (keyfob.) The user interface used has been provided by Texas Instruments, BTool. Using BTool it is possible to establish a two- way communication, once the connection with the slave is established, it is possible to send and receive data wirelessly. The programming has been done in C++, using the same compiler as for the RS232 communication. Kaiser Manzano 5

6 Once the completion of all the requirements and stages of design, the final prototype was given to FALA Technologies, with the PCB schematic and BOM, so that they could put into production the prototype. The communication system implemented for this application, is an improvement and optimization in such applications, since so far there was no application on the market that perform this type of communication. Given the recent emergence of this wireless communication protocol and the system- on- chip CC2540, there have been many problems in terms of documentation, programming user guides, and so on. But in the end and taking into account all these problems, it has managed to create a stable system of communication between a laptop and the solar controller. Keywords: Wireless communication, Bluetooth 4.0, Bluetooth Low Energy, mesh networks, RS232, UART communication, Chip TI CC2540, Whip antenna. Kaiser Manzano 6