Paristo- tai akkukäyttöinen itsenäisesti toimiva infonäyttö langattomaan lähiverkkoon
Ignatiev, Alexandre (2020)
Ignatiev, Alexandre
2020
Degree Programme in Electrical Engineering, MSc (Tech)
Informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunta - Faculty of Information Technology and Communication Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2020-05-25
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202005205517
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202005205517
Tiivistelmä
Tässä työssä toteutettiin paristo- tai akkukäyttöinen itsenäisesti toimiva infonäyttö langattomaan lähiverkkoon. Tavoitteena oli toteuttaa laite, jonka näytöllä olevat tiedot ovat jatkuvasti luettavissa. Lisäksi laitteen tuli olla edullinen ja suhteellisen helppo toteuttaa.
Työn toteutukseen valittiin sähköpaperinäyttö. Tämä mahdollisti paristokäyttöisen laitteen toteuttamisen niin, että sen esittämä informaatio on jatkuvasti luettavissa. Ohjelmoitavaksi komponentiksi työhön valittiin WiFi-yhteyksillä varustettu ESP32-piiri. Laite toteutettiin niin, että sen energiavarastona voivat toimia joko alkaliparistot tai litiumioniakku, jotta näiden soveltuvuutta voidaan verrata. Lisäksi työstä tehtiin sekä lineaariregulaattorilla että hakkuriregulaattorilla varustettu versio.
Komponenttivalinnan jälkeen laitteelle suunniteltiin kytkentä ja siitä toteutettiin prototyyppi. Prototyyppiä varten valmistutettiin myös piirilevy, mutta sen tarkoitus oli vain helpottaa laitteen toteuttamista eikä sitä käsitellä tässä työssä tarkemmin. Tämän jälkeen toteutettu prototyyppi ohjelmoitiin hakemaan kalenteritietoja Google Calendar -palvelusta 15 minuutin välein ja esittämään nämä näytöllään.
Prototyypin rakentamisen jälkeen mitattiin näytön päivittämiseen kuluva energia ja arvioitiin laitteen toiminta-aika valituilla paristoilla tai akulla. Lisäksi työssä arvioitiin lineaariregulaattorin ja hakkuriregulaattorin vaikutusta molempien energialähteiden tapauksessa.
Työssä saatiin toteutettua toimiva laite, joka hakee kalenteritapahtumat Google Calendar -palvelusta ja esittää ne näytöllään. Laitteen toiminta-ajaksi arvioitiin puolitoista vuotta, kun käytössä on kolme AA-koon alkaliparistoa. Tämä arvio tehtiin olettaen, että laite päivittyy 15 minuutin välein ja ainoastaan tiettyyn aikaan päivästä. Lisäksi työssä todettiin, että lineaariregulaattori on toimiva valinta akkua käytettäessä. Paristojen tapauksessa sen sijaan kannattaa käyttää hakkuriregulaattoria ja useampaa paristoa sarjassa.
Työn tuloksena voidaan myös todeta, että laite soveltuu muihinkin käyttötarkoituksiin, joissa esitettävän informaation määrä on suhteellisen pieni ja päivitystahti on suhteellisen hidas. Laite voisi esimerkiksi esittää uutisotsikoita, muistilistoja, osakekursseja tai vaikkapa säätietoja. The main objective of this thesis was to design a battery powered standalone infodisplay with wireless connectivity. Additional objectives were to make the device relatively inexpensive and easy to implement. The information should also be constantly displayed on the device.
Electronic paper display was chosen for the implementation of the device, which made it possible for the battery powered device to be always readable and have a decent battery life. ESP32-module was chosen as a WiFi-radio and a CPU for the device. The device was designed to work with both alkaline bateries and lithium ion cells so that their suitability for this device could be compared. The implemented device can also include either a linear or a buck-boost regulator.
A schematic and a prototype were devised after the component selection. A PCB design was also created from the schematic to ease the development of the device. However the PCB design is not the main topic of this thesis. Two prototypes of the device were built, one including the linear regulator and one including the buck-boost converter. The prototypes were programmed to fetch and display events from Google Calendar every 15 minutes.
After the prototype was complete, the current consumption of the device was measured and the battery life of the device was estimated in case of both alkaline and lithium ion batteries. Additionally the effects of the linear and buck-boost regulators on functionality of the device were investigated.
The result of this thesis is a working device which fetches events from Google Calendar and displays them on the electronic paper display. The battery life of the device was estimated to be one and a half years assuming three AA-batteries are used and limiting the display updates to every 15 minutes and only at specific time interval during the day. Additional conclusion was that the linear regulator is suitable to be used with the lithium ion battery. With the alkaline batteries however, it's recommended to use a buck-boost converter because of the discharge voltage curve of the batteries.
As a result of this thesis, it's also safe to say that this device could be used for similar applications, which require only occasional updates and have relatively low amount of info to display. Such applications could include news topics, notes, stocks and weather info.
Työn toteutukseen valittiin sähköpaperinäyttö. Tämä mahdollisti paristokäyttöisen laitteen toteuttamisen niin, että sen esittämä informaatio on jatkuvasti luettavissa. Ohjelmoitavaksi komponentiksi työhön valittiin WiFi-yhteyksillä varustettu ESP32-piiri. Laite toteutettiin niin, että sen energiavarastona voivat toimia joko alkaliparistot tai litiumioniakku, jotta näiden soveltuvuutta voidaan verrata. Lisäksi työstä tehtiin sekä lineaariregulaattorilla että hakkuriregulaattorilla varustettu versio.
Komponenttivalinnan jälkeen laitteelle suunniteltiin kytkentä ja siitä toteutettiin prototyyppi. Prototyyppiä varten valmistutettiin myös piirilevy, mutta sen tarkoitus oli vain helpottaa laitteen toteuttamista eikä sitä käsitellä tässä työssä tarkemmin. Tämän jälkeen toteutettu prototyyppi ohjelmoitiin hakemaan kalenteritietoja Google Calendar -palvelusta 15 minuutin välein ja esittämään nämä näytöllään.
Prototyypin rakentamisen jälkeen mitattiin näytön päivittämiseen kuluva energia ja arvioitiin laitteen toiminta-aika valituilla paristoilla tai akulla. Lisäksi työssä arvioitiin lineaariregulaattorin ja hakkuriregulaattorin vaikutusta molempien energialähteiden tapauksessa.
Työssä saatiin toteutettua toimiva laite, joka hakee kalenteritapahtumat Google Calendar -palvelusta ja esittää ne näytöllään. Laitteen toiminta-ajaksi arvioitiin puolitoista vuotta, kun käytössä on kolme AA-koon alkaliparistoa. Tämä arvio tehtiin olettaen, että laite päivittyy 15 minuutin välein ja ainoastaan tiettyyn aikaan päivästä. Lisäksi työssä todettiin, että lineaariregulaattori on toimiva valinta akkua käytettäessä. Paristojen tapauksessa sen sijaan kannattaa käyttää hakkuriregulaattoria ja useampaa paristoa sarjassa.
Työn tuloksena voidaan myös todeta, että laite soveltuu muihinkin käyttötarkoituksiin, joissa esitettävän informaation määrä on suhteellisen pieni ja päivitystahti on suhteellisen hidas. Laite voisi esimerkiksi esittää uutisotsikoita, muistilistoja, osakekursseja tai vaikkapa säätietoja.
Electronic paper display was chosen for the implementation of the device, which made it possible for the battery powered device to be always readable and have a decent battery life. ESP32-module was chosen as a WiFi-radio and a CPU for the device. The device was designed to work with both alkaline bateries and lithium ion cells so that their suitability for this device could be compared. The implemented device can also include either a linear or a buck-boost regulator.
A schematic and a prototype were devised after the component selection. A PCB design was also created from the schematic to ease the development of the device. However the PCB design is not the main topic of this thesis. Two prototypes of the device were built, one including the linear regulator and one including the buck-boost converter. The prototypes were programmed to fetch and display events from Google Calendar every 15 minutes.
After the prototype was complete, the current consumption of the device was measured and the battery life of the device was estimated in case of both alkaline and lithium ion batteries. Additionally the effects of the linear and buck-boost regulators on functionality of the device were investigated.
The result of this thesis is a working device which fetches events from Google Calendar and displays them on the electronic paper display. The battery life of the device was estimated to be one and a half years assuming three AA-batteries are used and limiting the display updates to every 15 minutes and only at specific time interval during the day. Additional conclusion was that the linear regulator is suitable to be used with the lithium ion battery. With the alkaline batteries however, it's recommended to use a buck-boost converter because of the discharge voltage curve of the batteries.
As a result of this thesis, it's also safe to say that this device could be used for similar applications, which require only occasional updates and have relatively low amount of info to display. Such applications could include news topics, notes, stocks and weather info.