Przez ostatnie pięć lat nasze domy i biura są sukcesywnie coraz bardziej wypełniane połączonym z siecią sprzętem elektronicznym. Wystarczy spojrzeć na sektor automatyki budynkowej i wszystkie nowe produkty, jakie się na nim pojawiają. Może nawet sami korzystaliście z jakichś urządzeń tego rodzaju ? paneli do kontroli klimatyzacji w pomieszczeniu albo bardziej zaawansowanych systemów, np. do rezerwacji sali konferencyjnej w biurowcu. W domu systemy takie także mają wiele zastosowań, np. w kontroli termostatów itp. Może zamiast klucza używasz aplikacji na smartfona, która łączy się z zamkiem poprzez Bluetooth i otwiera drzwi, i rozbraja alarm.
Obecnie trzy czynniki rządzą tempem adaptacji technologii inteligentnych budynków: wygoda, funkcjonalność. Komunikacja bezprzewodowa poprawiła wygodę i funkcjonalność tych systemów. Dzięki niej możemy kontrolować temperaturę w domu czy też oglądać nagrania z kamer CCTV z dowolnego punktu na świecie, wystarczy że mamy dostęp do Internetu.
Jeśli chodzi o estetykę produktów, to jest ona jedną z najważniejszych kwestii, jakie są obecnie rozwijane w produktach do zastosowań domowych. Istotne jest, aby urządzenia te były przyjemne dla oka i korespondowały swoim wyglądem z aplikacjami np. na smartfona.
Wykorzystanie pojemnościowych czujników dotyku do realizacji lokalnego interfejsu użytkownika jest niezwykle istotnym elementem pracy nad estetyką urządzeń automatyki domowej. Jednakże może lokalny interfejs użytkownika nie jest w ogóle wymagany w dobie urządzeń bezprzewodowych i smartfonów w każdej kieszeni.
Jakkolwiek wiele osób steruje systemami w swoich domach bezprzewodowo przez aplikacje mobilne lub desktopowe, to nadal w tej klasie systemów istnieje ogromna potrzeba lokalnego sterowania poprzez interfejs człowiek-maszyna. Jest to ważne tak w przypadku termostatów, jak i zamków do drzwi itp.
Wyobraźmy sobie zamek do drzwi, który korzysta z Bluetooth jako podstawowej metody sterowania i otwierania go. Co stanie się, gdy w naszym telefonie rozładuje się bateria? Albo mamy gości i chcemy także im umożliwić otwieranie drzwi? Tutaj swoje zalety pokazują pojemnościowe sensory dotyku. Interfejs skonstruowany w oparciu o taki sensor może pozwolić na fizyczną interakcję z urządzeniem, a jednocześnie zapewnić estetyczny wygląd urządzenia, wyróżniający je na tle konkurencji.
Na rysunku powyżej, po lewej stronie, pokazano zamek elektroniczny, wykorzystujący jako podstawowy mechanizm otwierania tagi radiowe (RFID). Tutaj jednak można także manualnie wpisać kod dostępu na klawiaturze pojemnościowej.
Czym są pojemnościowe sensory dotyku?
Pojemnościowe sensory dotyku pozwalają na tworzenie interfejsów użytkownika wykorzystując dokładnie tą samą zasadę działania, co ekrany z pojemnościowym sensorem dotyku. Ekran taki składa się z przewodzącej elektrody lub układu elektrod, które pokryte są dielektrykiem. Pole elektryczne propaguje przez ten dielektryk na zewnątrz ekranu w wolną przestrzeń tuż nad nim. W momencie, gdy użytkownik dotknie ekranu w danym miejscu, zmianie ulegnie pole elektryczne i pojemność tego rodzaju kondensatora. Niektóre z kontrolerów mierzą tą pojemność, aby wykrywać działania użytkownika. Tego rodzaju pomiar realizuje się najczęściej na przetwornikach z pojemności do wartości cyfrowej.
Konwersja wartości pojemności do cyfrowego sygnału polega na konwersji pojemności na inną, bardziej mierzalną wartość ? zazwyczaj czas, prąd lub napięcie ? która zmienia się proporcjonalnie do wartości pojemności elektrody. Szereg producentów układów scalonych dostarcza mikrokontrolery zintegrowane z modułami pomiaru pojemności. Pozwalają one na proste tworzenie interfejsów opartych o sensory pojemnościowe ? od pojedynczego przycisku po złożone układy z wieloma polami dotykowymi, sensorami odległości i czujnikami zbliżeniowymi.
W ostatnich latach oferta mikrokontrolerów dedykowanych do tworzenia interfejsów dotykowych istotnie poszerzyła się. Wiele konstrukcji zostało zoptymalizowanych i pojawiły się niedrogie układy tego typu, co sprawiło, że poziom skomplikowania i koszt tych rozwiązań spadły.
Czemu warto korzystać z pojemnościowych sensorów dotyku
Technologia przycisków pojemnościowych oferuje możliwość poprawy estetyki i poziomu bezpieczeństwa urządzenia. Dodatkowo tego rodzaju przyciski są bardziej niezawodne niż klasyczne przyciski mechaniczne.
Ponieważ przyciski pojemnościowe nie mają żadnych ruchomych elementów, można instalować je w dowolnych miejscach ? mechaniczne parametry przycisku niczego nie ograniczają - ani miejsca, ani sposobu jego montażu.
W prezentowanym przypadku rdzeń układu stanowi sztywny laminat typu FR4, jednakże nie jest to koniecznością ? możliwa jest realizacja sensorów pojemnościowych na laminacie elastycznym (flex), co pozwala na dostosowanie sensorów do dowolnych kształtów obudowy urządzenia. Jeśli potrzebujemy sensorów na przezroczystej powierzchni, to wykorzystać możemy elektrody z tlenku indu cyny (ITO), który przewodzi prąd, a jest przezroczysty. Nakłada się go np. poprzez napylanie magnetronowe na szkło, PET lub inne przezroczyste podłoża. Często stosuje się takie rozwiązania w fizycznych interfejsach nowoczesnych urządzeń.
Jedną z cech wyróżniających sensory pojemnościowe jest możliwość tworzenia dowolnych, abstrakcyjnych interfejsów, nieograniczonych do tworzenia klasycznych przycisków. Pozwala to na tworzenie dowolnych interfejsów, które dopasowane są doskonale do formy urządzenia i umożliwiają realizowanie bogatej biblioteki funkcjonalności. Możliwe jest implementowanie oprócz przycisków także suwaków, pokręteł itp.
Na poniższej ilustracji pokazano, jak pojemnościowy przycisk lub nawet suwak może być dopasowany do urządzenia z owalną obudową. Tego rodzaju sensory mogą bardzo precyzyjnie pozycjonować palec użytkownika, który manipuluje takim interfejsem. Precyzja i dokładność jest imponująca ? dokładność pozycjonowania na poziomie 8 bitów (256 unikalnych pozycji) nie jest niczym dziwnym, aby w mikrokontrolerach wyposażonych w interfejs dla przycisków pojemnościowych implementowano tak dokładny pomiar w droższych układach.
Sensory pojemnościowe są w stanie poprawić poziom bezpieczeństwa np. produktów kontrolujących dostęp ? systemy te posiadają możliwość lepszego maskowania historii wcześniej naciśniętych klawiszy. Jest to zadziwiająco istotne ? gdy mamy do czynienia z klasyczną klawiaturą, to użytkownik zostawia odciski palców na klawiszach, szczególnie jeśli jego dłonie są tłuste, brudne itp. Pozwala to na oszacowanie częstotliwości naciskania poszczególnych klawiszy podczas podawania kodu dostępu, a to już ogranicza istotnie ilość potencjalnych haseł, co sprawia że ataki typu brute-force są istotnie uproszczone.
Jeśli do wprowadzania kodu zabezpieczającego do systemu wykorzystamy pokrętło lub suwak, to skutecznie jesteśmy w stanie przy każdym użyciu ?wyczyścić? historię wprowadzanych liczb, jaka dostępna mogłaby być dla potencjalnego włamywacza. Wystarczy, aby przy każdorazowym uruchomieniu tego rodzaju, zamek pokazywał początkowo inną cyfrę, więc inna będzie liczba przekręceń pokrętłem czy innych ruchów.
Uruchamianie tego rodzaju sensora można zrealizować także wykorzystując czujniki pojemnościowe ? są one w stanie funkcjonować jako czujniki zbliżeniowe. W momencie, gdy sensor wykryje, iż do urządzenia ktoś podszedł, uruchomi w pełni interfejs, na przykład wyświetlając pojedynczą liczbę. Użytkownik przekręcając pokrętło zmienia ją, aż do uzyskania żądanej cyfry swojego kodu i naciska przycisk zatwierdzający, po czym cykl się powtarza, aż wpisane zostaną wszystkie cyfry kodu. Metoda ta wymaga, aby interfejs posiadał jedynie pojedynczy wyświetlacz, na którym prezentowana będzie cyfra kodu. Koncepcja ta zilustrowana jest na obrazku poniżej.
Rozwiązywanie problemów z implementacją sensorów pojemnościowych
Oprócz opisanych powyżej zalet sensorów pojemnościowych mają one szereg wad. Typowe problemy z implementacją tego rodzaju interfejsów to zwiększenie średniego poboru mocy, czułość na zakłócenia radiowe, która objawia się jako np. fałszywa detekcja dotyku. Dodatkowo, pamiętać należy, iż sensory pojemnościowe są czułe na wpływ parametrów środowiska ? temperatury, wilgotności powietrza itp.
Nowoczesne kontrolery sensorów pojemnościowych rozwiązują większość tych problemów. Dodatkowo, zaawansowany firmware, w jaki się je wyposaża, pozwala na bezbłędne rozpoznawanie naciśnięcia w każdych niemalże warunkach. Dzięki temu interfejsy oparte o sensory pojemnościowe są coraz chętniej implementowane w budynkowych systemach automatyki.
Przyjrzyjmy się bliżej poborowi mocy tego rodzaju sensorów. Odmiennie niż w przypadku klasycznego przycisku, sensor pojemnościowy musi być okresowo skanowany przez sterujący nim mikrokontroler. Częstotliwość tego skanowania jest konfigurowalnym parametrem, który wiąże ze sobą tak czas odpowiedzi układu na dotyk, jak i pobór mocy. Typowo częstotliwość przemiatania wejść wynosi od 8 Hz do 100 Hz. Na rysunku po lewej stronie zaprezentowano typowy przebieg pracy układu, który zajmuje się interfejsem pojemnościowym.
W wielu systemach za monitorowanie przycisków odpowiada wbudowany w system procesor. On także interpretuje uzyskane wyniki. Oznacza to, że pobór mocy związany z interfejsem może być całkiem duży, jako że wymaga on ciągłej pracy głównego procesora systemu.
Jest to problematyczne, ponieważ typowe interfejsu użytkownika w aplikacjach automatyki budynkowej realnie pracują jedynie około 1% całego czasu. Nie jest to trudne do zrozumienia ? jak często korzysta się z np. zamka w drzwiach? Kilka razy dziennie po kilkanaście sekund. Przez resztę czasu interfejs taki jest bezczynny, jednakże procesor nadal musi przez cały ten czas skanować przyciski pojemnościowe, aby móc szybko zareagować w momencie, gdy użytkownik będzie chciał skorzystać z interfejsu.
Aby rozwiązać ten problem, producenci układów scalonych, które posiadają możliwość skanowania przycisków pojemnościowych, starają się, by proces ten był zautomatyzowany tak, aby nie było konieczności wybudzania procesora. Cyfrowa maszyna stanów periodycznie skanuje podpięte sensory, filtruje je z pomocą filtru cyfrowego z nieskończoną odpowiedzią (IIR) w celu usunięcia szumu AC, a następnie prowadzi detekcję dotknięć itp. Na to nakładany jest kolejny filtr IIR, którego zadaniem z kolei jest usuwanie z sygnału wpływu zmieniającego otoczenia sensora.
Dzięki zastosowaniu opisanej powyżej optymalizacji, nowoczesne kontrolery sensorów pojemnościowych są w stanie zredukować o ponad 30% pobór prądu przez czujniki zbliżeniowe i o ponad 50% czujniki dotyku w aplikacjach z do czterema przyciskami.
W przypadku aplikacji zasilanych z sieci (w przeciwieństwie do zasilanych bateriami) istnieje inne wyzwanie: odporność na zakłócenia radiowe, wnikające do układu poprzez linie zasilania. Pojemnościowe sensory dotyku są szczególnie podatne na tego rodzaju zakłócenia, ponieważ użytkownik jest ścieżką sprzęgania szumu z front-endem analogowym układu, który odpowiedzialny jest za konwersję wartości pojemności do formy cyfrowej. Zjawisko to dotyczy tego rodzaju sensorów, które są niezwykle czułe na zakłócenia o częstotliwości równej częstotliwości pracy systemu (tj. częstotliwości przebiegu, którą badany jest sensor przez kontroler) oraz harmonicznymi tej częstotliwości.
Jedną z metod poprawy odporności w obecności szumu w liniach zasilania jest pomiar pojemności sensora dla kilku różnych częstotliwościach. Na rysunku po prawej stronie pokazano surowe dane (u góry) uzyskane z konwersji wartości pojemności na sygnał cyfrowy przez mikrokontroler podczas przeprowadzania standardowego testu odporności na zakłócenia przewodzone (IEC 61000-4-6).
Test pokazany na obrazku zakłócenia o częstotliwościach od 300 kHz do 80 MHz, zwiększane w krokach o 1%. Widać, że dla pewnych częstotliwości, zakłócenia przenikają do pomiaru. Ten rodzaj zakłóceń może łatwo doprowadzić do fałszywego wykrycia dotyku. Jeżeli jednak do pomiarów wykorzystamy kilka różnych częstotliwości o minimalnie nakładających się harmonicznych, to mikrokontroler będzie mógł, wykorzystując stosowne algorytmy, dyskryminować fałszywe detekcje i określać z dużą skutecznością, kiedy przycisk został naciśnięty.
Drugi rysunek (po prawej stronie na dole) pokazuje dane po przetworzeniu przez algorytm usuwający szum. Widać, że po zakłóceniach, wnikających do sygnału, nie ma żadnego śladu i z pewnością nie wygenerują one fałszywych detekcji przez system. W ten sposób układ może niezawodnie wykrywać dotyk dla szerokiego spektrum szumu radiowego, jaki obecny może być w liniach zasilających.
Podsumowanie
To prawda ? dodanie czujnika pojemnościowego zwiększa poziom komplikacji układu w porównaniu do zastosowania zwykłego mechanicznego przełącznika. Jednakże, dzięki ciągłemu rozwojowi, pojemnościowe sensory dotyku pozbyły się swoich dwóch największych wad ? czułości na szum i zakłócenia. Teraz, kiedy problemy te nie utrudniają już implementacji technik pojemnościowych w tworzeniu fizycznych interfejsów użytkownika, można w pełni wykorzystać zalety pojemnościowych sensorów dotyku ? elastyczne stosowanie i łatwość w integracji z dowolnego rodzaju obudowami itp. Wszystko to przekłada się na zwiększenie poziomu estetyki i bezpieczeństwa projektowanych urządzeń.
Źródło: https://www.eeweb.com/profile/wschnoor/articles/developing-smart-building-products-with-capacitive-touch-technology
Cool? Ranking DIY
