Customisable Hydrophonic Rescue and Recovery Badge

Customisable Hydrophonic Rescue and Recovery Badge Een prototype van een verdronken personen detectie systeem Betreft: EP34, januari 2016 Student: David Boelee, studentnummer 2642034 Opdrachtgever: Begeleider: Hogeschool Rotterdam, Kenniscentrum Duurzame Havenstad Kees Pieters Frans Timmers Fontys Hogeschool Eindhoven, Deeltijd Elektrotechniek

Inhoud 1 Inleiding... 3 1.1 Ontwerpstrategie... 3 1.2 Schematische opzet... 3 1.3 Protocol... 3 1.4 Open source... 4 2 Onderdelen van het ontwerp... 4 2.1 CPU: Arduino... 4 2.2 Piezos... 4 2.3 Signaal zenden... 5 2.4 Inkomend signaal versterken... 6 2.5 Inkomend signaal filteren... 7 2.6 Signaal frequentie herkennen... 8 2.7 Water herkennen... 8 2.8 Voeding... 8 2.9 Software... 9 3 Onderdelen samengevoegd... 10 3.1 Gaatjesprint... 10 3.2 PCB eerste ontwerp... 11 3.3 PCB tweede ontwerp... 12 4 Conclusie... 14 PROTOTYPE CHRRB door David Boelee Pagina 2

1 Inleiding Elk jaar verdrinken er twee tot driehonderd personen op de Nederlandse binnenwateren. Ongeveer vijf tot vijftien hiervan zijn afkomstig van binnenvaartschepen. Zolang de lichamen niet geborgen worden, keert de levensverzekering niet uit, waardoor de bedrijfsvoering door de nabestaanden erg moeilijk wordt. BLN Koninklijke Schuttevaer (BLN KSV) zoekt al jaren naar een oplossing voor dit probleem en heeft Hogeschool Rotterdam hiervoor benaderd. Inmiddels hier zijn meer organisaties bij aangesloten, zoals onder andere KLPD, KNRM, en Varen doe je samen. Het doel is het ontwikkelen van een badge met zoeksysteem, waarmee drenkelingen kunnen worden opgespoord: Customisable Hydrophonic Rescue and Recovery Badge (CHRRB). Om de potentie van het project CHRRB te demonsteren, is een prototype van een badge met zoeksysteem ontwikkeld. Dit verslag beschrijft de achtergronden, het ontwikkelproces en kennis die is opgedaan bij het ontwerpen en produceren van het prototype. 1.1 Ontwerpstrategie Als ontwerpstrategie is gekozen voor rapid prototyping: er is op basis van beschikbare kennis en middelen gezocht naar de snelste manier om een eerste ontwerp te maken, uit te voeren en te testen. Dit levert vervolgens weer nieuwe kennis en ervaring op die kunnen worden toegepast in een verbeterd ontwerp. Het nadeel is dat deze experimentele werkwijze tot teleurstellingen kan leiden, omdat een ontwerp niet (goed) blijkt te werken. Het grote voordeel van deze werkwijze is dat er tijdens het ontwerpproces relatief snel kennis wordt vergaard. Bovendien 1.2 Schematische opzet Zowel de badge als het zoeksysteem hebben dezelfde opzet: een onderwater microfoon (hydrofoon) registreert een signaal, wat door een centrale verwerkingseenheid (CPU) wordt verwerkt. De processor stuurt vervolgens op basis van een vooraf bepaald protocol een signaal terug via een onderwater luidspreker. HYDROFOON CPU verwerken inkomend signaal en uitsturen signaal LUIDSPREKER SIGNAAL IN versterken filteren SIGNAAL UIT pwm naar sinus versterken Figuur 1: Schematische weergave van de componenten van de badge en het zoeksysteem 1.3 Protocol Het CHRRB systeem zal volgens een vast protocol gaan werken, waarvan de specificaties openbaar worden gemaakt. Voor deze fase is gekozen voor een eenvoudige versie: zodra de badge te water gaat, zal hij luisteren naar een zoeksignaal in de vorm van een puls. Ontvangt de badge een zoeksignaal, dan antwoordt de badge met een puls. Aan de zoekende kant betekent dit dat de zoeker een puls uitzendt en luistert of er een antwoord is. PROTOTYPE CHRRB door David Boelee Pagina 3

1.4 Open source Het is belangrijk om een brede basis te creëren voor CHRRB. Daarom is er voor gekozen om het project op te zetten op basis van open source. Dat maakt het voor andere partijen en particulieren mogelijk de kennis te gebruiken en aan te vullen. In het ideale geval moet iedereen die een soldeerbout in de kast heeft liggen en enige ervaring met elektronica een badge in elkaar kunnen zetten. De achterliggende gedachte hiervan is dat op deze manier de verspreiding van CHRRB makkelijker wordt gemaakt en de kans van slagen van het hele project hiermee groter. 2 Onderdelen van het ontwerp De ontwerp van de badge valt onder te verdelen in een elektronisch deel, een software deel en een het ontwerp van een geschikte, waterdichte behuizing. Het elektronische deel bestaat uit de ontvangst van het signaal, het zenden van het signaal en de centrale verwerkingseenheid (CPU) die deze twee met elkaar verbindt en alle informatie verwerkt, welke op zijn beurt weer draait op software. De badge moet tot slot kunnen detecteren of deze zich in het water bevindt en alle elektronica moet worden voorzien van een voeding. 2.1 CPU: Arduino Voor het eerste prototype is gekozen om gebruik te maken van een ATmega328 processor, waarbij gebruik wordt gemaakt van de Arduino ontwikkel omgeving. Het voordeel hiervan is de grote bekendheid van dit systeem, wat het makkelijker maakt om via het open source principe meer mensen te bereiken. Er zijn verschillende Arduino controllers in de handel met verschillende eigenschappen. Voor dit project is gekozen voor de Arduino Nano 1. Dit is een relatief klein bordje, dat via headers eenvoudig in een custom PCB kan worden gestoken. Het bordje is voorzien van een USB poort, wat het bijwerken van de in C geprogrammeerde software eenvoudig maakt. Figuur 2: boven en onderzijde van de Arduino Nano 2.2 Piezos De communicatie met de buitenwereld verloopt via een onderwater microfoon (hydrofoon) en een onderwater luidspreker. In het huidige ontwerp is gekozen voor een waterdichte 40 khz piezo 1 https://www.arduino.cc/en/main/arduinoboardnano PROTOTYPE CHRRB door David Boelee Pagina 4

transducer 2. Deze zijn goedkoop, eenvoudig tre verkrijgen en de center frequency van 40 khz komt dicht bij de frequentie waarop het eindproduct moet gaan werken. In het prototype is vooralsnog uit gegaan van een identieke hydrofoon voor zowel de badge als het zoeksysteem. De fysieke karakteristieken van een piezo staan dit toe. Wordt een signaal aangeboden, dan zal de piezo geluid produceren op de aangeboden frequentie, met een volume dat mede wordt bepaald door de amplitude van het signaal. Het rendement van de geluidsproductie is het hoogst bij een signaal op de center frequency van de piezo. Andersom produceert een piezo transducers een spanningsverschil over beide polen als reactie op een geluidssignaal. Het spanningsverschil zal variëren met de geluidssterkte en ook hier geldt dat een geluidsbron op de center frequency een groter spanningsverschil genereert. In een later stadium kan er aan de zoekende kant worden gekozen voor een zender met meer vermogen en een geavanceerdere ontvanger. Dit kan het bereik aanzienlijk verhogen. Aan de kant van de badge kan het Figuur 3: 40 khz piezo zinvol blijken om piezos die werken op een nader te bepalen frequentie. Daarbij is het zinvol ook de stralingshoek van de piezos te betrekken in het ontwerp. De huidige piezos sturen het geluid uit onder een hoek van ongeveer 70 graden. Een toekomstig ontwerp zou uit kunnen gaan van buisvormige piezos, welke beter rond stralen. 2.3 Signaal zenden Het zenden van een signaal wordt in het huidige ontwerp afgehandeld door een combinatie van elektronica en software. Middels de standaard tone library 3 in de Arduino ontwikkel omgeving wordt een blokgolf gegenereerd, met de gewenste frequentie. Deze wordt vervolgens aangeboden aan een transistor, welke de voedingsspanning naar de piezo schakelt. De spoel parallel aan de piezo zorgt voor dat de piekspanning over de piezo wordt vergroot er versterkt zo het uitgezonden signaal. Figuur 4: piezo driver In de praktijk blijkt de schakeling zoals weergegeven in figuur 4 goed te werken. In een versie waarbij de piezo en de spoel aangesloten waten op de emitter van de transistor leverde dit minder bereik op. Dat is te verklaren door het spanningsverschil opgewekt door de inductie van de spoel, waardoor de transistor niet in geleiding zal gaan als de spanning op de emitter groter is dan de spanning op de basis. 2 http://www.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/500000 524999/505679 da 01 en ULTRASCHALL_SENSOR_KPUS_40FS_18R_448.pdf 3 https://code.google.com/p/rogue code/wiki/tonelibrarydocumentation PROTOTYPE CHRRB door David Boelee Pagina 5

2.4 Inkomend signaal versterken Bij het verwerken van het binnen komende signaal kunnen we drie stappen onderscheiden: versterken, eventueel filteren en vervolgens analyseren van het signaal. In de ontwerpen is geëxperimenteerd met verschillende configuraties, welke hieronder kort zullen worden besproken. Het versterken van het binnenkomen de signaal kan op twee manieren: door middel van een versterker op basis Figuur 5: inverterende opamp versterker van een transistor (BJT) of een opamp versterker. In eerste instantie is gekozen voor een inverterende opamp versterker, met een versterkingsfactor van 100: R1 is 1kΩ en R2 is 100kΩ. Zie voor het schema figuur 5. Door voor R2 een potmeter te gebruiken, is de versterkingsfactor te variëren. Dit is in het allereerste model dat is uitgevoerd zo toegepast, maar aangezien het verlagen van de versterkingsfactor in de praktijk niet tot betere prestaties leidde, is in het uiteindelijke ontwerp gekozen voor een vaste metaalfilmweerstand. Voor een tweede versie is gekozen voor een versterker op basis van bipolar junction transistors (BJT s), in combinatie met een LM393 4 comparator. Voor de transistors kunnen we kiezen uit meerdere transistors uit de BC serie. Het schema is weergegeven in Figuur 7. Door R13 in de schakeling op te nemen als potmeter is de referentiespanning van de comparator te variëren, zodat de gevoeligheid van de schakeling kan worden bijgesteld. De uitvoer is een digitaal signaal, dat we kunnen verwerken met de CPU (Arduino). Het schema is verkregen door drie common emitter amplifiers 5 achter elkaar te plaatsen. De waarden van de Figuur 6: de transistor versterker met comparator zet een zwak signaal (blauw) om naar een digitale puls componenten zijn vervolgens gevonden door te experimenteren met verschillende waardes in een simulatie in LTSpice. Mocht deze versterker geschikt blijken om toe te passen in het eindontwerp, is het zinvol om alles apart door te rekenen, maar dat is in deze fase van het ontwerp nog niet echt noodzakelijk: het bestuderen van het effect van verschillende componenten in de simulatie is al heel vruchtbaar. Figuur 7: schema transistor versterker met comparator 4 http://www.ti.com/product/lm393/datasheet 5 http://www.electronics tutorials.ws/amplifier/amp_2.html PROTOTYPE CHRRB door David Boelee Pagina 6

2.5 Inkomend signaal filteren In theorie functioneert een piezo als een bandfilter, omdat de frequenties rondom de center frequency van de piezos beter door komen dan frequenties. In de praktijk komen signalen van andere frequenties nog steeds relatief hard binnen via de piezo, zodat ze na versterking alsnog voor problemen kunnen zorgen. Met een actief filter is het mogelijk alleen de gewenste frequenties door te laten voor verdere verwerking. Figuur 8: circuit Deliyannis filter met aangepaste R waarden voor een smal band doorlaatfilter op 40,5 khz Voor het eerste prototype is gekozen voor een narrow band doorlaatfilter. De gedachte hier achter is dat zo min mogelijk ongewenste frequenties doorfilter worden doorgelaten. Het document Filter Design in 30 Seconds 6 beschrijft verschillende filters, waaronder een narrow band pass filter volgens de Deliyannis topologie. Het schema voor dit filter is afgebeeld in Figuur 8. Hoewel het document formules bevat waarmee de juiste waarden voor de weerstanden kunnen worden berekend, blijken de berekende waarden alleen bij de lagere frequenties goed te werken. In Figuur 10 is te zien waarom: bij de berekende waarden zit een kleine afwijking in de waarde van de center frequency van het filter. De afwijking is minder goed zichtbaar wanneer we de frequenties weergeven op een logaritmische schaal en de demping in decibellen, vandaar dat voor deze grafieken is gekozen voor een lineaire weergave. De grootte van de afwijking is relatief ten opzichte van de gekozen center frequency. Op de lagere frequenties is deze daarom geen groot probleem en blijkt het signaal op gekozen frequentie sterk gedempt te worden. Dit maakt het filter in deze vorm ongeschikt voor toepassing in de badge. De oplossing is gevonden door in de simulatie uit te proberen welke weerstandswaarden het beste resultaat opleveren. Uiteraard is hierbij uitgegaan van waarden uit de E96 reeks. Figuur 10: filterkarakteristieken bij berekende R waarden voor 5 khz (links) en 40 khz (rechts). De afwijking maakt het ontwerp in ongewijzigde vorm onbruikbaar voor de badge. 6 http://www.ti.com/lit/an/sloa093/sloa093.pdf Figuur 9: filter karakteristieken van het toegepaste Deliyannis filter, met aangepaste R waardes ingesteld op 40,5 khz PROTOTYPE CHRRB door David Boelee Pagina 7

2.6 Frequentie herkennen Voor het detecteren van het inkomende signaal zijn twee manieren onderzocht: via software en via het tone decoder IC LM567 7. De software methode komt in het volgende hoofdstuk aan bod. Met behulp van het LM567 IC is het mogelijk om in combinatie een aantal weerstanden en condensatoren een schakeling op te zetten, die een frequentie kan herkennen. De standaard configuratie is weergegeven in Figuur 11. Als de op C in aangeboden frequentie in het gebied ligt dat door het R en C waarden is bepaald, zal de uitgang OUT laag worden. Deze uitgang kan vervolgens met een ingangspin van de Arduino worden verbonden. Door voor R1 een meerslagen potentiometer te gebruiken, is mogelijk de te detecteren frequentie bij te stellen. De juiste waardes voor de weerstanden en condensatoren zijn terug te vinden in Figuur 14. Figuur 11: standaard configuratie LM567 Bron: datasheet LM567 2.7 Water herkennen De badge zal enkel een signaal uitzenden als deze zich in het water bevindt. Dankzij de geleidende eigenschappen van water is het eenvoudig met behulp van een transistor te detecteren of twee elektroden zich in het water bevinden. Het circuit in Figuur 12 is ontleed aan de Moisture Sensor van Sparkfun 8. De electroden zijn in het prototype gemaakt van kleine stukjes Figuur 12: circuit water herkenning enkelzijdige printplaat van ongeveer 5 bij 5 mm. Het signaal dat afkomstig is van deze schakeling van met een ADC pin van de Arduino worden uitgelezen. In de software kan dan een drempelwaarde worden opgeven voor de gewenste actie. 2.8 Voeding De schakelingen worden gevoed met PP3 9 Volt batterijen. De omzetting naar 5 Volt geschiedt via de spanningsregelaar op de Arduino. In het ontwerp met een opamp versterker is een dubbelzijdige voeding nodig. Deze is gecreëerd door twee PP3 batterijen aan elkaar te koppelen. In een allereerste ontwerp van de versterker is gebruik gemaakt van vier 3 Volt knoopcellen, om een +6, GND en 6 Volt voeding te realiseren. Dit was echter een ontwerp waarin de Arduino nog niet wat geïntegreerd. Zonder aanpassingen zou een Arduino Nano te veel stroom gebruiken om praktisch gebruik te kunnen maken van knoopcellen. 7 http://www.ti.com/product/lm567/datasheet 8 https://www.sparkfun.com/products/13322 PROTOTYPE CHRRB door David Boelee Pagina 8

Een groot nadeel van een dubbelzijdige voeding op basis van batterijen is dat beide zijden asymetisch worden ontladen: de negatieve spanning dient immers alleen als voeding voor de opamps, alle andere componenten betrekken hun voeding van de positieve zijde. Dit beperkt niet alleen de levensduur van de positieve zijde, als de spanning op beide zijden van de voeding door ontlading van de batterijen niet meer symmetrisch is, beïnvloedt dit ook de werking van de opamps en daarmee de werking van het filter en de versterker. 2.9 Software In deze fase van het project ligt de nadruk op het elektronische ontwerp van de badge en ontvanger. Maar de losse onderdelen kunnen enkel via een Arduino worden verbonden en deze heeft software nodig om zijn taken uit te kunnen voeren. Hoe meer taken we door de Arduino uit willen laten voeren, hoe complexer de software zal moeten worden. In figuur ********* is voor zowel de badge as de ontvanger het protocol uitgewerkt, dat de software moet volgen. Figuur 13: testopstelling voor het eerste software ontwerp Een eerste versie van de software die het protocol volgt, is ontworpen op een testopstelling, zoals afgebeeld in Figuur 13. In deze software zijn de in en uitgaande pinnen aan beide kanten met elkaar verbonden en wordt een inkomend signaal gedetecteerd met behulp van in een interrupt. Deze software bleek bij toepassing in de badge zelf niet goed te werken, omdat de binnenkomende signalen in het huidige ontwerp niet stabiel genoeg zijn om op deze wijze te kunnen detecteren. Naast het volgen van het protocol, is de rekenkracht ook in te zetten om elektronische uit te sparen. Het genereren van een signaal met de gewenste frequentie is bijvoorbeeld met de Arduino veel eenvodiger dan wanneer dat met een aparte schakeling zou moeten gebeuren. De tone library 9 behoort tot de standaard libraries van de Arduino ontwikkel omgeving en maakt het mogelijk met een simpele programmeer opdracht een signaal met de gewenste frequentie te genereren. 9 https://code.google.com/p/rogue code/wiki/tonelibrarydocumentation PROTOTYPE CHRRB door David Boelee Pagina 9

Ook het detecteren van een frequentie is met de Arduino op te lossen. Een eenvoudige oplossing is gebruik te maken van de interrupt: door de opgaande flank van het inkomende signaal aan een interrupt te hangen kunnen we in theorie de frequentie bepalen. De library FreqPeriodCounter 10 werkt volgens dit principe, maar bleek ook na intensief contact met de auteur van de library niet werkend te krijgen. Overigens zou de maximaal te detecteren frequentie 25 khz zijn, dus er moet alsnog en frequency divider in de vorm van een d flipflop in het electronische circuit worden toegepast. Twee andere libraries bleken succesvoller: FreqCounter 11 en FreqCount 12. Hiermee kon in tests probleemloos een aangeboden signaal op 40kHz worden herkend. Helaas blijken deze libraries niet tegelijk toepasbaar met de tone library. Dit komt omdat de Atmega 328 slechts beschikt over drie hardware timeres. Eén daarvan wordt intern gebruikt en zowel de tone library als de frequency counter libraries hebben de andere twee nodig en kunnen die niet delen met een andere library. Het tegelijk gebruiken van de tone library en één van de counter libraries leidt dan ook tot conflicten. 3 Onderdelen samengevoegd De in het vorige hoofdstuk besproken onderdelen zijn eerst afzonderlijk gebouwd op een gaatjesprint, waarna de losse delen met elkaar zijn verbonden, om te zien of de totale configuratie naar behoren werkt. Hieruit zijn vervolgens twee prototypes voortgekomen: de eerste gebaseerd op een opamp versterker met een actief filter, de tweede heeft een transistor versterker als basis. In dit hoofdstuk worden de ontwerpen en de ervaringen besproken. 3.1 Gaatjesprint Nadat de simulaties van filter en versterker werkten, zijn de circuits eerst opgebouwd op een breadboard. Voor de versterker bleek dit te werken, maar het filter bleek niet stabiel: zo nu en dan bleek het filter te oscilleren. Omdat een breadboard vrij veel parasitaire capaciteit heeft, is besloten de ontwerpen uit te voeren op een gaatjesprint. In deze uitvoering blijkt het filter wel te werken, maar alleen als we gebruik maken van de LT1113 13 opamp. Vervangen we deze voor een LM358 14, dan blijkt het filter ook nu weer regelmatig te oscilleren. De frequentie detectie schakeling op basis van het LM567 IC werkt op de gaatjesprint naar behoren. Er is ook een niet inverterende opamp versterker opgezet op de gaatjesprint, maar deze bleek onbruikbaar in de ontwerpen. Wanneer het binnenkomende signaal eerst wordt versterkt met de opamp versterker, vervolgens gefilterd en daarna aangeboden aan de frequency decoder, kan deze configuratie door de lucht enkele meters overbruggen en in het water een veelvoud daarvan. Wel traden er zo nu en dan onverklaarbare storingen op, die als vanzelf weer verdwenen. Dit is toegeschreven aan de verbindingen tussen de verschillende onderdelen via jumper kabeltjes. Om de schakelingen te kunnen testen, is een piezo schakeling voor het zenden van een signaal uitgevoerd op een aparte gaatjesprint, in combinatie met een houder voor een 9 Volt batterij en 10 http://www.avdweb.nl/arduino/libraries/frequency period counter.html 11 http://interface.khm.de/index.php/lab/interfaces advanced/arduino frequency counter library/ 12 https://www.pjrc.com/teensy/td_libs_freqcount.html 13 http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1113fc.pdf 14 http://www.ti.com/product/lm358 PROTOTYPE CHRRB door David Boelee Pagina 10

connectors voor een Arduino Nano. Met de juiste software kan deze configuratie worden gebruikt voor het uitzenden van een signaal, zodat een ontvangende schakeling kan worden getest. 3.2 PCB eerste ontwerp Omdat het ontwerp bruikbaar genoeg leek en om te onderzoeken of de storingen inderdaad door losse contacten kwamen, is de configuratie zoals hierboven uitgevoerd op een PCB ontwerp, volgens het schema in Figuur 14. De enkelzijdige printplaat is zo ingericht, dat er een Arduino Nano in kan worden gestoken. Na uitvoering bleek de zendende schakeling niet goed toegepast, deze is uiteindelijk gewijzigd naar het schema zoals weergegeven in paragraaf 2.3. Verder ontbrak de Vin aansluiting op de Arduino en is er nog een weerstand van 1MΩ over de ontvangende piezo geplaatst, om deze te ontladen. Tot slot nog een beginnersfout: de connectoren voor het aansluiten van de batterijen bleken niet te zijn mee genomen in het ontwerp. Al deze wijzigingen waren met wat extra draadjes op de al geëtste print te realiseren. Helaas bleek deze configuratie minder stabiel dan de versie op de gaatjesprint. In eerste instantie bleek het filter vooral te oscilleren. Pas nadat de toegepaste LT1113 opamp was vervangen voor de LM358 werd het filter stabiel. Dit is verassend: bij het ontwerp op de gaatjesprint was het precies andersom. Vermoedelijk heeft het te maken met parasitaire capaciteit in het circuit, die de werking van de opamps beïnvloedt. Of dit ook echt de oorzaak is van de instabiliteit en wat de mogelijke oplossingen zijn moet nog verder worden onderzocht. In eerste instantie is ingezet op twee frequenties: 39,5 khz voor de ontvanger en 40,5 khz voor de badge. De tone decoder via de trimmer zo afgesteld worden dat deze wel op de ene, maar niet op de andere frequentie reageert. In de praktijk blijken deze frequenties toch te dicht bij elkaar te liggen: de zoeker herkende soms in zijn eigen signaal het signaal van een badge. Daarom is uiteindelijk besloten tot een kleine aanpassing van het protocol, waarbij zoeker en badge beide op 40kHz uitzenden en er geen moment meer is dat er door de zoeker op het zelfde moment gezonden en geluisterd wordt. De in het eerste ontwerp gebruikte behuizingen waren weliswaar klein en goedkoop, maar bleken moeilijk waterdicht te krijgen. Bovendien ontbrak in het hele ontwerp een schakelaar om het apparaat aan en uit te kunnen schakelen. Voor demonstraties is dit uiteraard belangrijk. De presentatie van dit eerste ontwerp viel zo letterlijk in het water, maar leverde genoeg informatie voor een tweede ontwerpslag. PROTOTYPE CHRRB door David Boelee Pagina 11

Figuur 14: circuit eerste PCB ontwerp 3.3 PCB tweede ontwerp Een belangrijk probleem van het eerste PCB ontwerp is de instabiliteit van de opamps. Deze maakt het ontwerp ongeschikt voor een overtuigende presentatie. Omdat niet meteen duidelijk is waarom de opamps oscilleren, is besloten ook een ontwerp te onderzoeken dat geen gebruik maakt van opamps. De versterking geschiedt hierbij met drie transistors, waarna het versterkte signaal via een LM393 comparator wordt opgezet in een digitaal. In eerste instantie was het de bedoeling om de frequentie door de Arduino vast te laten stellen, maar dit leverde een software conflict op, zoals beschreven in 2.9. Hoewel niet valt uit te sluiten dat het LM567 ic een bron is van storingen, bijvoorbeeld door de toegepaste condensators, is deze schakeling toch opgenomen in een nieuw PCB ontwerp. Het schema is weergegeven in Figuur 15. De behuizing is dit keer uitgekozen om bewezen waterdichtheid en voldoet aan de IP67 eisen 15 en er is een waterdichte schakelaar toegevoegd om het apparaat aan en uit te schakelen. Rondom de leds, piezos, de schakelaar en de water sensor is siliconenkit gebruikt om alles waterdicht te maken. Een extra toevoeging is de connector, waarop een pcb aangesloten kan worden, welke vervolgens eenvoudig met de Arduino lcd library kan worden aangestuurd 16. De gedachte hier achter was dat het dan mogelijk is een demonstratie model te maken van de zoeker, dat met de gebruiker communiceert via een LCD scherm. Dit maakt het ontwerp overtuigender in demonstraties. Hiervoor moet de behuizing echter boven water worden gehouden. Hiervoor moeten de piezos aan een lange label worden bevestigd. Deze blijkt echter te werken als een antenne, waardoor het ontwerp niet meer werkt. Daarom is de lcd in het prototype achterwege gebleven en is de connector gebruikt voor het aansluiten van een rgb led, zodat er via verschillende kleurcombinaties toch communicatie met de gebruiker mogelijk is. 15 https://nl.wikipedia.org/wiki/ip code 16 https://www.arduino.cc/en/reference/liquidcrystal PROTOTYPE CHRRB door David Boelee Pagina 12

Figuur 15: circuit tweede PCB ontwerp Dit ontwerp van een badge met zoeker werkt goed genoeg voor een demonstratie. Ook het uiterlijk is presentabel. Maar het bereik blijft achter bij het oorspronkelijke ontwerp op gaatjesprint, op basis van een opamp versterker. Ook blijken onder water storingen op te treden, waardoor er soms een binnen komend signaal wordt gedecteerd, terwijl dit niet aanwezig is. Daarom is de software beperkt de software van de badge zich tot het inschakelen bij aanraking met water en het aansturen van een led bij detectie van een frequentie. Er is complexere software geschreven, maar voor een correcte werking is een stabieler signaal noodzakelijk. Figuur 16: binnenzijde van de zoeker PROTOTYPE CHRRB door David Boelee Pagina 13

4 Conclusie De eerste twee iteraties van het ontwerp van een prototype CHRRB hebben naast een prototype dat beperkt bruikbaar is voor demonstraties vooral veel kennis en ervaring opgeleverd die bruikbaar is voor een volgende iteratie. Het is duidelijk geworden dat mogelijk is om met 40 khz piezos onder water signalen te verzenden en ontvangen. De gerealiseerde ontwerpen geven een goede indruk van de mogelijkheden, maar voor een praktische toepassing is meer onderzoek nodig. De aandacht zou zich in eerste instantie moeten richten op filteren en versterken. De gedachte is dat het bereik omhoog kan, als er toch een stabiel werkend filter wordt toegepast. Daarnaast kan het bereik omhoog, door het vermogen van de piezos op te voeren. Hoe precies, moet verder worden onderzocht. Daarnaast is het zinvol te onderzoeken of het niet toch mogelijk is de frequentie detectie door de microprocessor uit te laten voeren. Niet alleen omdat het componenten uitspaart, maar ook omdat het tot nu toe toegepaste ic LM567 eigenlijk verouderd is. PROTOTYPE CHRRB door David Boelee Pagina 14