Ｍｅｍｏｒａｎｄｕｍの小部屋

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飛んでもアイオー （ I/O ）　（その１）
ワイヤレス信号伝送にトライ

１．背景

　私の小さい頃は、田舎である自宅周辺は家も人も少なく、また、屋外で野良仕事をする人も多く遠方まで人の目が行き届いていました。　そのため、家を空けることがあっても、しっかりと鍵をかけるということはあまりありませんでした。（まともな鍵自体がなかったと言った方が正確だと思います。）
　しかし、最近では家に鍵をかけるのは当たり前になってきており、さらには防犯のためにセンサーライトを装備する家も多くなりました。　我が家でも物は試しとAC100V駆動のセンサーライトを１個購入していましたが、うまく検出できなかったのと、ライトの発熱が激しかったので今は単なる手動スイッチでオンオフするライトになっています。　まあ、これはこれで役だってはいます。

　ある日、家人がＴＶショッピングで「おもちゃのセンサーライト」（本人はきっと真剣に購入したと思うのですが。。。）を３個も購入してきました。　きっと「２個で○○○○円、今ならさらに１個おまけで３個付きます。」なんてうたい文句が浮かんできます。　このセンサーライト、なんと単３乾電池４本実装する電池式のセンサーライトで、６Ｖ電球（フィラメント式です。）が光るタイプです。　「配線不要で、簡単に持ち運びで、設置できますよ！」なんてうたい文句があったのでしょう。

【　センサーライト勢揃い　】

　家人の要望により、早速、簡単に不法侵入できる家の裏側に３個とも取り付けました。　配線がないので取り付けは、いたって簡単でした、　性能も、おもちゃとはいっても今度はしっかりと人体を検出してくれています。　これは使いものになりそうと思っていたいましたが、一月も経たないうちに電球が点かなくなりました。　案の定、電池切れです。　やはり、おもちゃでした。　後日、消費電流を実測すると、電球点灯時に０．６Ａも流れています。　さすがにこれでは単３乾電池４本で長期運転は無理です。

　しかし、センサーライトがあれば確かに安心感はあります。　このセンサーライトは電池の他にＡＣアダプタ端子も付いていますので外部電源にも対応できるようです。　これを機会に、このセンサライトを本格的に防犯設備として使用することを検討していくことにしました。

　ＡＣアダプタ化を行うだけでは面白くありません。　せっかく電源配線を敷設するならば、ついでにこのセンサの検出信号を居室で確認し、アラームを発生できないかと、夢（妄想）が膨らんできます。
　さらに。。。。。どうせならば、ＴＶカメラで確認もしたい。　また、一カ所だけではなく、家の周囲をカバーするためには検出地点は４カ所くらい。。。。。しかし、配線を考えると、屋外の配線を居室に引き込むのに壁に穴を開けたくない。。。。。　どんどん仕様が膨らんできました。　

　ここでやっと、タイトルにところにたどり着きました。　そうです、センサの信号をワイヤレスで伝送することにトライです。

　今回の最終目標は防犯機能です。　この防犯機能は、パソコンと無線ＬＡＮを使えばこれらの事を実現できるでしょう。（費用はかかりそうですが。）　しかし、ここは電気電子工作に部屋を運営している手前もあり、機能は低くても自作でトライです。

　で、今回はセンサー信号をワイヤレスで居室に伝送できるかのワイヤレス信号伝送にトライします。　でも、この機能、ラジコンなどでいくらでも採用されています。　何も今更一から製作しなくともという疑念は頭の外に追いやって製作に入ります。　　しかし、最終的にどんな物にするかは考えず、行き当たりばったりで製作開始に入ることにしました。　きっと、とんでもないものができると危惧（確信）しています。

　今回のシリーズは「飛んでもＩＯ（アイオー）」シリーズとして製作過程を、そのときどきの状況に応じて公開していきます。　また、これらの機能を構成する要素部品も行き当たりばったりで集めています。　ワイヤレス用無線モジュール、ＴＶカメラ、アンテナ。。。。。。。　さて、どうなることやら。　　（今回は前置きが長く なりました。）

２．信号電送基本仕様

　信号をワイヤレスで伝送する方法については、ロボット製作の図書でＰＩＣマイコンと無線モジュールを使用する製作例が有ります。　実は、このような図書の存在を知らずに、身近にある部品を使用して製作に着手してしまいました。　あと少し多く部品代を出せばもっと性能の良い（信頼性のある）ワイヤレス伝送機能を実現できそうです。　もし、ワイヤレス伝送をお考えでしたら、ロボットとＰＩＣマイコンの両方について記載された図書を読まれることをお勧めします。　当方は既に製作に入っており、それなりに部品も集めていますので、性能は低いですが以下のオリジナル方式でこれからも進めていきます。　（今回は言い訳が多くなりそうです。）

２．１　電波発生タイミング

　無線モジュールは大きさを考えると自作は諦めて無線モジュールを採用します。　無線無線モジュールは「リモコンリモコン　その１」で使用した「TX433」と「RX433」を利用することにしました。

　センサ信号はいつ信号が変化するか分かりません。　「リモコンリモコン　その１」では、リモコンを使用する時だけ電波が発生すればよく、ほとんど電波を出すことがありません。　しかし、今回のセンサ信号のように常時監視を前提とした場合、センサ信号のオンオフをそのまま電波のオンオフとして常時伝送することは好ましくありません。　よって、信号が変化した時、及び、あらかじめ設定された周期で信号状態を送信するようにします。

２．２　信号伝送プロトコル

　ワイヤレス伝送の製作記事などでもそうですが、信号の伝送はシリアル通信で行い、プロトコルを持たせれば、相当複雑なことはできますし、データの信頼性もそれなりに確保できます。　しかし、今回はハードウエアに手がかかるのでプログラムはできる限り手抜きできるようにしたいと思います。　よって、伝送されたデータが正しいかどうかの最低限の確認だけは行うようにして、伝送プロトコル無しとします。　つまり、伝送データは送りっぱなしで、正しく伝送できたか の確認、また、データ訂正機能などは一切持ち合わせておりません。

２．３　データフォーマット

　データ長は８ビットとします。　また、データが正しいかどうかを確認することができるようなデータフォーマットを勝手に考え、以下のようなビット系列となるフォーマットとしま した。　今回の伝送では８ビットのデータに付加ビットを追加してシリアル伝送します。　また、同期方式は基本的には調歩同期とします。

　データの正しさの確認ができるように、伝送するデータにデータ確認用ビットも付加しております。　下記フォーマットとすることで、各ビットの非反転／反転ビットとなっているか、同期確認用ビットが所定の値となっているかなどを確認することで受信データが正しいかどうかをチェックすることができます。　また、実際の回路の復調時を考えて、信号にはＤＣ成分が含まれないようにビット系列を決めています。
　なお、下記のこのデータフォーマットの一固まりを以後データブロックと呼ぶことととにします。
　

　信号HH／LLは当初設けていませんでした。　製作過程で希に意図しないデータが伝送されることがありました。　この原因の一つとしてノイズをスタートビットとして誤検知していると考えられましたので同期確認用として追加したものです。

　各ビットの論理０／１は、１ビットに相当する信号の期間を前半と後半の期間に分け、それぞれの期間のLow/Highのレベルを以下のようにすることで判定します。

２．４　信号変調方法

　データの変調は使用モジュールの制限でＡＳＫ変調で行います。　上記Low/Highをそのまま電波の有無にするとノイズの影響を受けやすくなります。　また、今回は伝送スピードは要求されませんので、High期間は10kHzのパルスがある期間、　Low期間は電波休止期間とすることにします。

　なお、10ｋＨｚにした理由は「リモコンリモコン　その１」との干渉を避けるためにえいや〜と決めたものです。　今思えば３０ｋＨｚくらいにしておけばと後悔しています。　後述のフィルタ回路も製作しているので今更 変更する気はありませんが、もし、次回新規設計する機会があれば３０ｋＨｚとしたいと思っています。

　以上の仕様より、信号波形を図示すると以下のようになります。　

前半	後半	内　　容	波　　　形
Low	Low	LLビット
Low	High	論理０
High	Low	論理１
High	High	HHビット

２．５　データ伝送量

　一度に多くの情報を送る必要はありませんが、同じ無線モジュールを使用して複数部位にデータ送信できる仕様を盛り込んでおきたいと考え、識別コードを設けてデータ伝送先を判定できるようにします。 　個人用途であり、伝送先は最大４カ所で十分と思われますので、データ８ビットとは別に識別コードとして２ビット割り当てておくことにします。
　これにより、同一周波数の無線モジュールでも８×４＝３２ビットのデータを伝送できます。

３　試作回路

　今回は、送信機側のスイッチのオンオフ信号を受信機側のＬＥＤで点灯させる試作回路を製作してみます。　今回の回路を応用して今後防犯機能を盛り込んで行く予定です。

３．１　送信機回路

 　上記の仕様に基づいた送信機回路を下記します。　信号はＰＩＣマイコンで生成し、これをそのまま「TX433」に入力するシンプルな回路です。

1. 　 データの入出力は正論理（といっても、送信と受信で同一レベル[Low/High]にするので正／負論理の定義は接続される回路で決まります。）のため、ID0,ID1及びBit0〜Bit7はジャンパーピン短絡でHighとなるようにしております。

2. 　電源電圧は５Ｖとなっていますが、６Ｖでも動作できます。　回路試作段階では単３乾電池４本で動作して全体動作確認をしております。

上記回路図画像をクリックすると拡大図を表示できます。

【　送信機回路　】

【　送信機試作例　】

３．２　送信用ＰＩＣマイコン

　　送信用ＰＩＣマイコンとしてはPIC16F84A-20Pを使用しています。　ピンアサイメントを下記表に掲載しておきます。　また、送信用ＰＩＣマイコンのHEXファイルは、下記ファイル名をクリックすることでダウンロードできます。

• 送信用HEXファイル　：　tx5_v02.hex　（２７０４バイト）　

  　（まだデバッグ中です。）

1. 　データブロックを構成する各ビットは前半２ｍｓ／後半２ｍｓの４ｍｓ／ビットで設計しています。　

2. 　送信用ＰＩＣマイコンの送信データ信号は既に１０ｋＨｚで変調されています。

3. 　送信開始前にTX Enableの信号を確認します。　TX EnableがLowの場合、送信を待ちます。　TX EnableがHighになっていることを確認後、一定時間の待ち時間後、再度TX Enableを確認して送信開始します。　このとき、またTX EnableがLowになっていると送信を待ちます。　なお、前記一定の待ち時間はID0、ID1の設定で決まります。
   　　ID0=Low/,ID1=Low　：　待ち時間無し
   　　ID0=High/,ID1=Low　：　5ms
   　　ID0=High/,ID1=Low　：　10ms
   　　ID0=High/,ID1=Low　：　15ms

4. 　今回はプロトコルがなく、データを送りっぱなしにする方式です。　そのため、少しでも確実にデータを送信できるようにデータを送信する際に１回だけデータブロックを送信するのではなく、何回か連続して送信します。

5. 　連続してデータブロックを送信する場合、次のデータブロック送信から１０５ｍｓの時間間隔をおいて次のデータブロックを送信します。

6. 　送信データを出力する前に送信Busy信号がHighとなり、送信データを送信し終えてから送信Busy信号がLoｗになります。

【　送信Busy信号　】
　

7. 　１回データ受信に失敗しでも、その後にデータを受信できるように周期的にデータを送信するようにしています。　これらの設定はEEPROMのデータを書き換えることで変更できるようにしています。
   　これらのEEPROMのデータ内容を下記します。　また、各設定値を説明する図を記載しておきます。

【　データブロックタイミングとEEPROM設定値の関係　】

　秋月電子通商のＰＩＣプログラマキット　Ｖｅｒ４．０ (K-200)を使用した場合のEEPROM書き換え画面を下記します。　この修正画面でEEPROMデータだけを容易に変更できます。

【　EEPROMデータの設定　】

３．３　受信機回路

　上記の仕様に基づいた受信機回路を下記します。　「RX433」で受信した信号をバンドパスフィルター（ＢＰＦ）を通して１０ｋＨｚの周波数成分を抽出して検波し、この検波信号の有無を受信用ＰＩＣマイコンに入力して信号を取り出します。

1. 　１０ｋＨｚの検波信号が送信側ＰＩＣマイコンの送信データに相当します。

2. 　送信側のＩＤ０，ＩＤ１と受信側のＩＤ０，ＩＤ１が同一の設定のときに出力データを更新します。

3. 　電源投入時は全出力Lowレベルとなります。

4. 　C54〜C59はできる限りフィルムコンデンサを使用して下さい。

上記回路図画像をクリックすると拡大図を表示できます。

【　受信機回路　】

【　受信機試作例　】

３．４　受信用ＰＩＣマイコン

　　受信用ＰＩＣマイコンもPIC16F84A-20Pを使用します。　ピンアサイメントを下記表に掲載しておきます。 　また、受信用ＰＩＣマイコンのHEXファイルは、下記ファイル名をクリックすることでダウンロードできます。

• 受信用HEXファイル　：　rx5_v02.hex　（３７４７バイト）　

　　　（まだデバッグ中です。）

1. 　受信待ち状態のときに受信データがLowからHighに変化したタイミングでスタートビットを受信したと判断して受信開始します。　また、このとき、RX Busy信号がHighからLowになります。

【　RX Busyタイミング　】

2. 　受信開始時にサンプリングタイミング信号をLowからHighに変化させます。　その後、１〜１．５ｍｓ後に受信データのサンプリングを開始します。　１回目のサンプリング時にサンプリングタイミング信号がHighからLowに変化します。

3. 　その後、２ｍｓの周期で受信データをサンプリングします。　サンプリングする度にサンプリングタイミング信号はLow→HighもしくはHigh→Lowに変化します。

【　サンプリングタイミング信号とRX 受信データ　】

4. 　データフォーマットに準じて全ビットをサンプリングした後、RX Busy信号をLowからHighに変化させます。　その後、データが所定のフォーマットに準じていることを確認し、また、識別コードが受信用ＰＩＣマイコンと一致していることを確認してデータを更新します。

5. 　RX Busy信号は送信用PICマイコンのTX Enableに接続することで、受信中の送信を防止できます。

３．５　受信機調整

　送信機側の調整はありませんが、受信機側は受信機回路のＶＲ１を調整する必要があります。　回路的にはＶＲ１はＢＰＦの中心周波数を調整することになりますが、実際には１０ｋＨｚの周波数抽出のゲイン調整の役目をしています。　

　今回の試作で、１０ｋＨｚが最も感度よく検出しようとすると検波出力にノイズ状の信号が発生してしまいました。　 このノイズを残しているとスタートビットと誤って判断するため、できる限りなくさなければなりません。　この対応としてＢＰＦや検波回路の定数を調整してみましたが部品点数を増やさないで済む方法を見つけることができませんでした。　 考考え方を変えてＶＲ１は感度調整と割り切り、今回はＶＲ１の調整で済ますことにしました。

　調整は下記に記載のように受信機のサンプリングタイミング信号に接続したLED (RX Timing)の点灯状態を確認しながら行います。　

　　なお、LED (RX Timing)が全然点灯しない場合は、回路や送受信のPICマイコンの再確認をお願いします。

３．６　その他

３．６．１　Digital　OUT信号波形

　当初、受信機回路は、「RX433」のDigital OUT信号を使用する回路にしていました。　しかし、 Linear　OUT信号には１０ｋＨｚの信号が現れているにも関わらずDigital　OUT信号ではうまく信号を取り出せていないようでした。　下記にその際の信号波形を掲載します。

(1) 受信開始後のLinear OUT信号のDC成分がシフトしていっています。

【　Linear OUT信号レベル変動　】

(2) DC成分のシフトが原因でDigitai OUTの出力では10kHzの周波数成分をうまく取り出せていません。

【　Digitai OUT例　】

　「RX433」の回路を調べると、今のDigital OUT信号を生成する回路は簡易回路(Simpleと言った方が正しいようです。）のため、うまくコンパレートできていないようです。　このため、Digital OUT信号を使用して10kHz検出用ＰＩＣマイコンを使用した回路からオペアンプを使用したBPF回路に変更する回路変更を行いました。　このため、予想以上に製作に時間がかかってしみました。

３．６．２　RX　受信データ遅れ

　送信データと受信データの波形を観測すると、RX 受信データがHighからLowに変化するタイミングが下図のように遅れています。　　あまり遅れがひどいと。せっかく正常に受信できても検波出力信号劣化のためにデータを誤判定して受信できなくなります。

【　TX送信データとRX受信データ（検波出力）のタイミング　】

 そこでLinear OUT信号とRX受信データ（検波出力）を比較すると、Linear OUT信号はTX送信データを忠実に再現しているようです。　やはり、BPF回路に起因したものであるようです。　これにより、10kHzの採用を後悔したものです。

【　Linear OUTとRX受信データ（検波出力）のタイミング　】

　結局、この対策として、スタートを検出してからサンプリング開始するまでの時間を、本来は１ｍｓとすべきところを１．５ｍｓに変更しています。

４．防犯機能プロトタイプ

　今回の試作回路を使用して試作回路の製作を行っています。　本原稿作成時点では、詳細を公開できるまでには達していませんが、参考までに現状のプロトタイプの状況を掲載します。

　センサーライトは既に検出信号を取り出す改造を施しています。　右側面上側のジャックが追加した検出信号取り出し部です。

【　センサライト　センサ外観　】

　防犯機能を実現するためにＴＶカメラ、センサライト、また、今回試作した「飛んでもアイオー」を使用した信号伝送装置を準備しております。

【　防犯機能用構成部品（準備中）　】

　今回試作した「飛んでもアイオー」を使用した信号伝送装置のプロトタイプ外観です。

【　信号伝送装置のプロトタイプ外観　】

【プログラム書き込みサービス】　

　まだ試作のため、現状ではＰＩＣマイコンの書き込みサービスの対象とはしません。

　本ページの製作に用いた無線モジュールが少し余りそうですので有償でお分けすることを検討しています。　（まだ残数未定のため、ご依頼はされないで下さい。）　

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