BL652 - BLEマイコン（ハードウェア編）

BL652というBluetooth Low Energy対応の小型マイコン・モジュールを入手しました（約900円＠digikey）。

搭載されているマイコン自体はnRF52ですが、Laird社独自のsmartBASICでプログラムを書き込めるのがウリです。
nRF52は、Nordic社のSDKが不思議な出来栄えで、素人には使いこなすのが厳しかったですが、smartBASICを使えば、このようなSDK不要、開発環境構築不要、と謳ってます。

BL652への書き込みは、115200bpsでUART接続で行いました。
書き込みに使用したUSB-シリアル変換は、秋月のArduinoUno互換ボードAE-ATMEGAです。
これは、良くできていて、USB-シリアル変換のラインのジャンパを外すことにより、USBーシリアルの信号を外部に取り出して、外部のマイコン（ArduinoProMini、BL652等）にも接続・書き込みが可能です。

BL652から引き出す最低限必要な配線は：
-GND, VDD　（電源）
-UART RX, TX（データの有線送受信。それぞれUSB-シリアルのTX, RXへ接続）
-Reset（リセット。GNDに通電するとリセット動作）

半田づけするには基盤のピッチが狭く、４５歳以上の方は老眼鏡必須レベルです。
フラックスを使えば、手で半田づけできるレベルでもあります。


はんだ付けを終え、テストプログラムを書いてみます。
BL652は、温度センサを内蔵しているので、温度を計測し、smartphoneで表示することとします。
BLEの通常のプロトコルでは、smartphoneからデバイスを検索＝＞接続（connect）＝＞温度データ読み取り、となります。
しかし、BLEは、ここの“接続”ができない、ないし勝手に切断され、不安定と感じます。

ANT+通信では、このような“接続”がなく、ANTセンサーはブロードキャストを行い、受信機はそれを拾って表示するだけです。当然、エラーで拾いもれも発生しますが、大勢に影響はありません。
この結果、接続がきれました、とかエラー表示され通信ができない自体は回避されてます。

そこで、BLEでも、このブロードキャスト方式で送信を行うこととしました。
Beaconとかいうプロトコルがこれに該当するようですが、制約が面倒なので、独自のプロトコルとします。

BLEの子機は、親機に対して、自分の名前とアドレスをAdvertise送信します。
これを受けて親機（smartphone等）からBLEスキャンをかけると周囲の子機が以下のように表示されます。

今回は、この子機の名前文字列に温度データを乗せてしまおう、という作戦です。
これなら、親機が子機に接続する必要もなく、子機がブロードキャストしてるデータを親機が拾うだけで、ANTと同じ安定動作が期待できます。

実際にやってみた図です。

名前欄に“Dgrade#1＝369”と表示されてますが、ここの369の数値が温度データでリアルタイムに変化し、表示されます。（Dgrade#1は勝手につけたデバイス名です。とくに命名ルールはないようです）
36.9度の屋外で実験してるわけではないので、温度データがおかしいのですが、原因は後日究明するか、もっと精度の高い温度センサーを実装しようと思います。

この方式のメリットは、BLE子機と接続（コネクション）を張る必要がないので、複数のBLE子機のデータを１親機で拾ったり、逆に１つの子機のデータを複数の親機で拾うことが可能です。

BLE子機からパワー計のデータを送信し、smartphoneで受信・表示しながら、他の親機でも受信し、ANTプロトコルに変換してGARMINに送信、とかできてしまいます。

応答性もまあまあで、シフトレバーにスイッチを付け、スイッチオンで“Dgrade#1＝SHIFTDOWN＿ON”、スイッチオフで“Dgrade#1＝SHIFTDOWN＿OFF”を送信し、受信機でリアルタイムにスイッチのON/OFFを把握できます。
これを使えば、Di2のシフトスイッチを無線化できるうえ、SRAMのeTapのように、左右のレバー同時押しで、フロント変速とかも自由自在です。

NGな用途は、無線で部屋の照明全部消し等をするセキュリティに影響のある分野です。
子機のスイッチの状態を複数の親機に無線伝達できるため、照明ON/OFFや鍵のLock/unlockとか技術的には可能ですが、セキュリティ的に相当マズイと思います。

ソフトのコンパイル・書き込みは方法は、ソフトウエア編で紹介いたしました。

Bluetoothモジュール比較

秋月にてBLE（BluetoothLowEnergy）の通信モジュールAE-TYBLE16を発見しました。

http://akizukidenshi.com/catalog/g/gK-12339/

これは有線のUARTインターフェースに接続すると、UARTのデータを勝手にBLE規格で無線送信してくれる優れモノです。

使い手は、難しいBLEのお作法を勉強することなく、既存のUARTインターフェスにこのモジュールを接続するだけでBLE上でデータを送受信できます。

パワー計を自作する場合、クランクとハンドルバーの表示器の送受信にこの無線機を使うと便利そうです。
（図は、シマノの特許出願図面です。）

実際、使ってみました。

上の動画のGarmin表示は、PowerTapハブのデータ、スマートフォン表示は試作した3000円パワー計のデータです。
AE-TYBLE16を使用して、クランク上のマイコンで算出したパワー＆ケイデンス値をスマートフォンにBLE送信してます。

モジュールの製造元の太陽誘電が本モジュール対応のAndroidアプリのソースコードを配布しているので、ユーザはこれを改造して動画内のタコメータアプリとかも簡単に作れます。

従来は、Bluetoothクラッシックのモジュールを使用してましたが、消費電流が20mAを超えるため、単四電池では10時間持たない感じでした。

手持ちのBluetoothモジュールの3.3v駆動時の消費電流を計測しました。
HC-05(20mA), SPP-CA(9mA), AE-TYBLE16(1.8mA), HM-10(8mA)

AE-TYBLE16単体であれば、ボタン電池で駆動できるレベルです。

これをマイコンに接続する際は、
Rx　ー＞Tx
Tx　ー＞Rx
Vcc  ー＞Vcc
GNDー＞GND
のように接続するだけです。

同様のモジュールに、Nordic社のNordicUartServiceを搭載したモジュールを過去に使用しましたが、BLEが原因なのか不安定でした。

AE-TYBLE16をジャンクで入手したXperia Z3、Z4、AQUOS PHONE ZETA、およびAQUOS SERIE SHV32でテストしたところ、（検証が必要ですが）Androidのバージョンが重要なようでVer.5未満では接続が不安定になることがありました。

最安パワー計製作計画 プチ成功

クランクアームにひずみゲージを貼り付けるパワー計では、クランクアームの捻じれの程度によって、見かけ上パワー値が上下してしまう問題がありました。
クランクアームの捻じれは、ペダル軸の外側を踏むとより大きく発生します。

通常踏んでいる55mm地点付近よりも110mm地点を踏んだ方が、クランクアームの捻じれが大きくなり、見かけ上のパワー値が大きくなってしまいます。

そこで、この見かけ上のパワー値を補正して真のパワー値を算出する方法を試しました。

すでに各社の特許出願に記載されている技術で、何も独創的なものはありません。

ひずみゲージセットアップ

曲げ計測用（赤丸）

ペダルを踏むとクランクアームが下方向に曲がり、クランクアームの上面が伸び、下面が縮みます。

この変化を赤丸ひずみゲージでとらえて、電圧としてフィードバックします。

ねじれ計測用（青丸）

クランクの側面に４５度の角度でひずみゲージを貼り付けます。クランクアームに捻じれが生じると、捻じれ方向により、片側のひずみゲージが伸び、もう一方のゲージが縮みます。このように２つのゲージでひずみを捉えて電圧に変換することのより、２倍の感度を実現します。

実物・・・汚い・・・

ハードウェア構成
今回、２系統のひずみゲージ・ブリッジからデータを取得するため、ひずみゲージが返す電圧の変化をデジタルに変換するADコンバーターを２個設置しました。

HX711は１個でも３チャンネルの接続端子がありますが、２チャンネル分を同時に８０回／秒で変換するのは無理と思い、ADコンバータを２個づけにしてみました。
Arduinoマイコンから読み取りコマンドを同時に２つのADコンバータに送信し、結果を同時取得します。

ADコンバータHX711からの読み取りルーチンは以下のとおりです。
long AE_HX711_Read(void)
{
  long data=0; long data2=0;
  uint8_t dataary[3] = { 0 };
  uint8_t filler = 0x00;

  while(digitalRead(pin_dout)!=0);
  while(digitalRead(pin_dout2)!=0);//メモ：２つのHX711が両方ともREADYになってから読み込み開始しないと不正確なデータになってしまう。１個がreadyならもうひとつも・・というのはNG。
  delayMicroseconds(10);
  for(int i=0;i<24;i++)
  {
    digitalWrite(pin_slk,1);
    digitalWrite(pin_slk2,1);
    delayMicroseconds(5);
    digitalWrite(pin_slk,0);
    digitalWrite(pin_slk2,0);
    delayMicroseconds(5);
    data = (data<<1)|(digitalRead(pin_dout));
    data2 = (data2<<1)|(digitalRead(pin_dout2));
  }
  digitalWrite(pin_slk,1);
  digitalWrite(pin_slk2,1);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(pin_slk,0);
  digitalWrite(pin_slk2,0);
  delayMicroseconds(10);

  A2D_CH1=data;
  A2D_CH2=data2;
  return data;//^0x800000;
}

しかし、ここでHX711固有の問題が発生。
HX711は、AD変換するために約10ms程度ひずみゲージに通電する必要があります。
これを１秒間に８０回行うと、ずっーーーーとひずみゲージに通電することとなり、ドリフト(じわじわと読取値がズレる)が発生しました。
このドリフトが２０分以上も収まらない状況で、「最初の数十分はパワー値が安定しないパワー計」ができてしまいました。

よい解決策がみつからないので、HX711の利用は一時保留としました。

そこで、ADコンバータを最先端ながらコストは１０倍以上のAD7124-4に代えました。
これは１つのコンバータで４chの入力があるので、今回の２ｃｈ入力には、１個で足ります。

これで実験しました。
ねじれ計測用のゲージと曲げ計測用ゲージの計測結果に基づくパワー値等をシリアルで無線転送したログの一部です。
55mm地点のペダリング３回転分と110mm地点ペダリング３回転分です。

赤線のAxxx.xxの数値は、曲げ計測用ひずみゲージから算出したパワー値の３回転平均で、約300wです。
このときのケイデンスは、パワー値の2行上のc5080、c5084、c5115をそれぞれ100で割った値で約50RPMです。
それぞれの赤線の２行上にあるA303、A298, A306は捻じれ計測用ひずみゲージから算出したパワー値で、こちらも約300wです（やや校正があまいですが・・・）。

同一負荷の状態でペダリング位置を110mm地点にずらすと、ケイデンスは約50rpmのままですが、パワー値は緑線の値で約330wです。
他方、捻じれ計測用ひずみゲージの値は360w強で、より捻じれに反応してるのが分かります。
本来約300wとなるべきところ、クランクの捻じれにより見かけ上のパワー値がそれぞれで330w、360wと増えています。

固定ローラで、常に55mm地点でのみペダリングをするのであれば、曲げ／ねじれ計測用の一方のひずみゲージだけでパワー値を算出しても問題ないと思います。
実走でダンシングとかするとそうもいかないので、補正が必要です。

補正は、曲げ計測用ゲージとねじれ計測用ゲージの乖離率をベースに補正係数を割り出し、補正してみました。
ペダリングを55mm地点より外側で行うと、55mm地点からの距離に比例して、見かけ上のパワー値が上昇します。

青線の値が補正後の値で、55mm地点ペダリング同様、110mm地点でも約300wとなりました。
この点では、実験成功です。
激安ひずみゲージでも、この補正方式を採用すれば、パワー計として機能しそうです。

4iiiiのパワー計は、これと同じ技術で、精度を確保するため、ひずみゲージを４×２＝８枚使用している、と開発者がWEB上で公言しておりました。
最安パワー計を目指すと、８枚も使えないため、１×２＝２枚でどのような結果となるか実験する予定です。

数千円の自作パワー計でも、実用的なパワー値は表示されるので、普及すればむやみに上り坂でペースアップする人が減るはず・・・
これをチーム代表に提案するも「いや、登りで上げすぎちゃう人は、パワー計ついててもなおりません」との意見をもらっております。

今回のコードをこちらにアップロードしました。
ttps://sites.google.com/site/myfiles1138000
（20180103.inoというファイル名です。実際にアクセスする場合、末尾の000を削除して1138で終わるようURLを修正する必要があります。ロボット除けのためで、お手数をお掛けします）

なお、私がAD7124の使い方が変わっていないようで、しばしばゼロオフセット値がずれる問題がでておりますが、何が原因かわかっておりません。

最安パワー計製作計画 - 失敗編

最安24bit ADコンバータHX711モジュールが秋月から発売されている、と信州MAKERS管理人様より情報をいただいておりました。

秋月では350円、eBayでは100円未満のもあります。その名称にかかわらず、セブイレブンでは取り扱いがないようです。

これを利用して価格優先パワー計を製作してみました。

HX711は温度計を内蔵せず、温度補償機能を簡単に実装できないため、パワーメーターというより、Power Estimatorと呼ぶほうが適切かもしれません。

◆　基本動作と使用部品

クランクアームのひずみゲージの値をHX711で読み、Arduinoでパワー値を算出後、SPP-CでBluetooth送信、PCのteratermやAndroidのbluetermアプリで受信・表示する、というものです。





◆　ひずみゲージ　約２００円＠ebay

前回までは、スパイダー・アームにひずみゲージを貼っておりましたが、走行中にランダムにゼロオフセット値が変化することがある、という問題が出ております。

そこで、新しいひずみゲージの貼り方を試してみました。

ネットで海外の自作パワーメータ製作者の方が投稿していた方法です。

写真は右側クランクアームで、ペダリングすると、アームのひずみゲージ面が右方向に延び、左のひずみゲージが伸び、右のひずみゲージが縮みます。

クランクアームの裏面の対象位置にも同様にひずみゲージを貼り、こちらは、ひずみゲージ面の縮みにより生じるひずみの変化を電圧に変換します。


◆ADコンバータHX711　約１００～３５０円

　HX711は仕様上は、１０SPSか８０SPS（1秒間に１０サンプル計測か８０サンプル計測）でADコンバートが可能です。

しかし、秋月のモジュールでは、１０SPSに固定されています。

１０SPSでは、パワー計として使えないので、８０SPSで動作するよう改造します。

データシートをみると、１５番ピンをGNDに落とすと１０SPSに、VCCに上げると８０SPSになるようです。

早速、１５番ピンとGNDをつなぐパターンをカッターで切断します。


結果・・・失敗。

見た目は切断されましたが、テスターでは、１５番ピンはGNDとつながってました。

ならばと、１５番ピンをプリント基板から浮かせて、GNDから分離する方法を試みます。

ゼッケンピンの針先部分で、１５番ピンを上方向に持ち上げる圧力をかけながら、半田ごてを当てて加熱。
簡単にピンがプリント基板から浮き、無事に基板上のGNDから分離されました。

浮いた１５番ピンをお隣の１６番ピンVCCに半田付けします。



これで８０SPSで動作するようになりました。


◆Arduino　約２００円＠ebay

　消費電力の低いArduino ProMiniの８Mhz品を使ってます。

これをさらに消費電力を落とすため、prescalerで４Mhzに落として駆動します。

　HX711とArduinoは、電源線（VCC, GND）に加えて、HX711のData線、Clock線の2本をそれぞれPIND6, PIND7につなぐだけで動作しました。

　今回のArduinoのソフトウェアはいつもの場所に置きました（余分はコードもいっぱいはいってますが）。

　ひずみゲージのゼロオフセット値やスロープ値をArduinoのEEPROMに保存し読出す関数は、こちらのサイトのものを使わせていただきました。ありがとうございます。
ttp://projectsbiotope.blogspot.com/2010/11/2-eeprom.html


◆昇圧DCDCコンバータ＋REEDスイッチ＋磁石＋SPP-C　約７００円

　今回は単四電池で駆動したため、１．２ｖ->3.3vのDCコンバータを利用しました。

　角速度を算出するためにREEDスイッチを使用し、フレームには磁石を張り付けています。

　IMUは、信州MAKERS管理人様よりアドバイスはいただいておりますが、まだ実装できておりません。

　Bluetoothモジュールと置き換えでArduinoからのシリアルデータをもとに、ANT＋規格でパワー値を送信するモジュールを別途製作中です。これを取り付ければ、ANT対応となります。


部品代の総額は１５００円程度とお手頃価格に収まりました。

電子部品を３Dプリントしたオレンジのおにぎりの中収めます。
（イメージ図）


試作中で、ひずみゲージとその配線の整理ができておらず、実際はこんな小汚い状態です




基板類はすべておにぎりに収まり、また、おにぎりはこの位置だとペダリングに干渉することなく、取り扱いが楽です。

早速実験開始・・・結果・・・失敗。

ひずみゲージの配置／種類がNGでした。

同一負荷、同一ケイデンスで回しつつ、フラットペダルの踏位置を内側から外側にずらしていきます。

内側＝１５５ｗで、外側＝１８０ｗ。

ダメダメです。

ペダルのより外側を踏むとより大きく生じる、クランクのねじれのひずみを大いに拾って、外側を踏むと大きなパワー値が表示されます。

しかし、ここまで派手にクランクのねじれに反応してくれると、むしろねじれの影響がよくデータとして見えるので、補正もしやすいのでは、と気づきました。

パワー測定用のひずみゲージの値を、クランクのねじれ測定ゲージの値で補正する、というのが簡単にできそうな予感です。


Tが真のパワー値とします。

ペダルの踏み位置が１から２へと外側にずれるに従い、パワー計測用のひずみゲージ（Gage1）の値が、クランクアームの捻じれにより大きく計測されてしまう（１００ｗのはずが１２０ｗ）、というのが今回の失敗です。

この誤った値に対して、ペダルの踏み位置計測用／クランクアームの捻じれ計測用のゲージ（Gage2）の値を利用すれば、補正係数を割りだし、真の値T（１００ｗ）に補正できるはず、というかそうすればいい、とPioneer, Shimano, および4iiiiの特許出願に書いてありました。

クランクアーム式ももう少し検討しますが、そもそも、ギアがインナーのときとアウターのときで、同一負荷でも見過ごせない誤差を生じるデータが出たりと問題山積です。

4iiiiのパワー計開発者の方のこちらのフォーラムでの発言もそれを裏付けています。

ttp://forum.slowtwitch.com/forum/Slowtwitch_Forums_C1/Triathlon_Forum_F1/4iiii_Precision_arrived_P5495248/

これを見て、市販のパワー計が表明している精度２％未満とかは、相当な量の前提条件をあれこれ置いたときの値なんだな、とわかりました。

スマホ、サイコン化計画

サイクルコンピュータには、GARMINを利用してきましたが、どうも文字が小さく「老眼の人は使わないで結構です」といわんばかりです。

そこで、Smartphoneをサイクルコンピュータ化してみました。
技術的には、ANT心拍/パワー/速度等の各センサーの情報をスマートフォンにWiFiで転送するデバイスを製作してみました、というものです。

現状品
















スマートフォンのブラウザで各センサーのデータを表示します。
スマホなので、画面の拡大、縮小やスクロールが楽です。
ピンチ操作で拡大してみました。




サイクルコンピュータは、ボタンを押しにくいものが多く、よく不便に感じてましたが、だいぶ改善できたと思います。

また、夏は、信号ストップでサイコンを見て「今、気温４３度！熱すぎるー」と空騒ぎするのが自転車の楽しみですが、GARMINは温度表示がかなりいい加減です。

感覚的に誤差が±４度くらいあり、誤差範囲がANTチップ内蔵の温度センサーと重なることから、ANT受信チップ内蔵の温度計をそのまま使ってると推測します。

もう少し温度の精度がほしいです。
丁度、BME280というチップが、温度、湿度、気圧を計測でき、温度誤差は±１度なので、これを採用しました。

今回のハードウェア構成です。
-D52（Dynastream製ANTモジュール）-　これでANTセンサーの無線情報を受信します。
-BME280　　　　　　　　　　　　　　-　これで温度、湿度、気圧を計測します

-Arduino Pro Mini　　　　　　　　　　-　上記２つのモジュールからデータを受信し、文字列として、ESP-WROOMに転送します。

-ESP-WROOM　　　　　　　　　　　 -　WEBサーバとして機能し、各センサーの情報が反映されたWEBサイトをブラウザに送信します。

クライアントは、スマートフォンに限らず、WEBサイトを表示できるデバイスならば、PCでもタブレットでも、腕時計でもOKです。
専用のAppを入れる必要もなく、WiFiのアクセスポイントをESP-WROOMに変更し、ブラウザで、192.168.10.1にアクセスすれば、ブラウザで画面表示され、１秒置きにページが更新される仕組みです。

配線図




ソフトウェアは、Arduino ProMiniはもちろん、ESP-WROOMもArduinoとしてプログラムを書き込んでいます（ESP-WROOMをArduino IDEで書き込む方法はGoogle検索でたくさんでてきます）。

BME280へのアクセスは、GIT HUBのSWITCH SCIENSE製のソースコードをそのまま利用させていただきました。

つづく

ペダリングモニターのひずみゲージ

数少ない、貴重な、本ブログに興味をもっていただいた方から、メッセージをいただきました。パイオニアのペダリングモニターのひずみゲージ配置を知りたいとの内容です。
このような高度な質問に限らず、初歩的な小学生からの質問、小学生になりすました大人からの質問も歓迎です。



パイオニアのおにぎりは単品販売もあったようです。

ペダリングにより、クランク・アームが下方向に踏まれると、ひずみゲージF1は伸び、F2は縮みます。
これによりトルクを算出できますが、ハーフ・ブリッジであることもあり、このひずみゲージ配置では、クランク・アームのねじれに弱いです。
具体的には、同じパワーでペダリングしても、内側で踏むより外側を踏んだ方がよりパワー値が大きく表示されます。外側を踏むとクランクアームがより捻じれ、ゲージF1がより伸びてしまうためです。
4iiiiは、捻じれの程度を計測するshearゲージ（４５度方向の伸びを計測するゲージ）を追加で配置して、この問題を補正しています（特許出願にそう書いてあったので）。

こう書くと、パイオニア製品をけなしているようですが、個人的には、よい戦略の製品だと思います。
パワー値だけを計測するパワーメーターでは、すぐに価格競争に巻き込まれてしまうので、あえてペダリングモニターというものを生み出したはずで、今後も頑張ってほしいです。実際、チーム内でも、パイオニアペダリングモニターで特訓の結果、FTPを３０％以上のばしているケースもあり、捻じれ問題は懸念するに足りないと思います。後はペダリングモニターでなければできない、決定的なメリットを主張できれば、とてもよいのですが・・・

歪ゲージY1とY2は、クランクアームの長手方向の伸びを計測します。クランクアームが伸びると、Y1は縮み、Y2は伸びます。正方形のゲージ（Poisson Guage）は、このような用途の計測に向いているそうです。

ゲージF1、F2で計測される回転方向の力と、ゲージY1,Y2で計測される長手方向の力を比較すれば、どの方向に踏んでいるか判定でき、ペダリング方向のベクトル表示が可能となります。

なぜ、F1,F2とY1,Y2はそれぞれハーフブリッジか・・・特許出願によるとコストが一つの要因のようです。
特注のひずみゲージは、それなりの価格であると、某外国メーカーがインタビューで答えておりました。