Для комфортной и безопасной жизни в современном обществе требуется автоматизация. Это самая автоматизация нужна, чтобы выполнять рутинную монотонную работу, исключить человеческий фактор, обезопасить другое оборудование и сделать комфортные условия для людей, животных, растений или техники.
Когда собирают систему автоматизации думают о том, как измерить, как управлять и как регулировать какой-то параметр. Для индикации значения параметров часто используют индикаторные лампочки, дисплеи и сообщения на телефон. На все эти индикаторы нужно обратить внимание, посмотреть на индикатор или дисплей. Но если это аварийный параметр или нужно сообщить сразу нескольким людям, тогда нужен другой более оперативный способ индикации. Один из способов, это как в фильмах ужасов, выключить основной свет и включить красные фонари, ещё и мигающие. На этот световой эффект точно все обратят внимание. Но есть способ лучше и менее тревожный – это звуковое оповещение. Чем бы не занимался персонал и как часто не смотрел на дисплеи, звуковое оповещение точно донесет оперативную информацию. Если аудио оповещение сделано правильно, то не услышать его может только глухой. Когда собирают систему автоматизации не всегда задумываются об функции аудио оповещения. Сообщать можно не только об аварийных ситуациях, но и об текущих процессах, например, переключение режима работы технологического процесса.
Какие устройства оповещения можно применить для этих задач? Один из элементов автоматизации, позволяющий озвучить необходимые процессы — это модуль аудио оповещения DAO2ERA.
Разрабатывать модуль оповещения я начал в 2014 году по заказу одной монтажной компании. Эта компания делала систему аудио оповещения по заказу МЧС после очередного наводнения в Краснодарском крае. Сначала это было заказное устройство, сделанное по ТЗ заказчика. Устройство должно было принимать потоковое аудио от диспетчера и воспроизводить звуковые фрагменты из внутренней памяти устройства по команде от диспетчера. Спустя некоторое время на разработку устройства и сделав несколько итераций, сборку и отладку нескольких версий у меня получилось устройство аудио оповещения DAO1. Затем устройство я отправил заказчику для установки на объект и тестирования. Эта версия оказалась довольно живучая. Спустя несколько лет я переделал модуль, использовал основную плату от модуля диммера DDL44ER и добавил плату с аудио кодеком и усилителем. Я считаю, что получилось оптимально с точки зрения производства. При этом можно заказывать одну плату для разных устройств и один трафарет для нанесения паяльной пасты, но программа для установщика все равно будет отличаться. Получилась следующая версия устройства DAO2ERA, выполненная по-разному на уровне железа, но одинаково с программной стороны. Так что устройство живет и развивается.
Системы аудио оповещения
Этот модуль аудио оповещения уникальный, хотя на рынке существует множество аналогичных по функционалу устройств. Но этот модуль и не является копией чего либо, поэтому занимает свое место в отрасли.
Какие бывают системы аудио оповещения?
Системы звукового оповещения — это множество различного оборудования, которые можно разделить на категории по сложности, масштабу и архитектуре. Условно их можно разделить на несколько ключевых типов.
1. Традиционные аналоговые системы 100В
Это классические и знакомые каждому по школам, заводским цехам и больницам системы. Их сердцем является усилитель мощности, например, в стойке 19", который по специальной трансляционной линии с постоянным напряжением 100В или 70В или 30В, питает множество маломощных рупорных громкоговорителей, подключенных параллельно. Внутри каждого громкоговорителя находится трансформатор, который понижает напряжение и повышает ток, который идет на динамик.
Плюсы: Высокая надежность, простота расчета, возможность подключения большого числа колонок на длинные расстояния с минимальными потерями. Возможность применения всего одного высоковольтного усилителя.
Минусы: Низкое качество звука, сложность зонирования, отсутствие гибкости и удаленного управления. Собранную систему будет сложно модернизировать.
2. Цифровые IP-системы или звук по сети
Современный стандарт для крупных и распределенных объектов, такие как аэропорты, сети магазинов. Звуковой сигнал здесь оцифровывается и передается как поток данных по стандартной локальной сети Ethernet. Ключевые элементы — IP-сервер управления, сетевые аудио-процессоры и конечные устройства: активные сетевые громкоговорители или усилители с IP-интерфейсом.
Плюсы: Беспрецедентная гибкость, детальное зонирование, интеграция с системами безопасности и СКУД, высокое качество звука, централизованное удаленное управление.
Минусы: Высокая стоимость, сложность проектирования и настройки, требование к качественной и грамотно сегментированной сетевой инфраструктуре.
3. Гибридные системы
Часто встречаются на объектах модернизации. Сочетают цифровое ядро, включающее IP-сервер и процессоры с аналоговой "периферией" — традиционными усилителями 100В или отдельными зональными усилителями. Это позволяет использовать существующую кабельную инфраструктуру, добавляя при этом возможности управления по сети.
4. Устройства класса "все-в-одном" для малого бизнеса и "умного дома"
Именно в этом классе и находится компактный аудио модуль DAO2ERA. Он компактный, но многофункциональный и позволяет сделать профессиональное аудио-оповещение доступным для небольших объектов: кафе, отелей, офисов, фитнес-центров, частных домов.
Модуль аудио оповещения DAO2ERA Razumdom может занимать место в нескольких категориях: это и усилитель для распределенного звука, и сетевой аудиопроцессор, и устройство интеграции для "умного дома", и исполнительный модуль для промышленного ПЛК.
Где может применяться модуль аудио оповещения DAO? С помощью аудио модуля можно озвучивать не только о чрезвычайных и аварийных ситуациях, но и рядовые технологические операции.
Озвучивание этапов работы СПА капсулы
В этом аппарате для релакса после нажатия кнопки ПУСК и до остановки выполняется целый технологический процесс.
Переключаются клапаны, включаются насосы, наполняется вода, поддерживается температура, меняется RGB освещение, играет расслабляющая музыка, затем сливается вода и все промывается. Каждый процесс, кроме воспроизведения расслабляющей музыки ещё и озвучивает пациенту процессы, которые будут происходить.
Для этого может использоваться контроллер, например, DRM88ER и модуль аудио оповещения DAO2ERA, в котором записаны как музыка, так и голосовые фрагменты для каждого процесса. Я считаю, что получается компактно, красиво и ещё с удаленным управлением.
Озвучивание работы станка в цеху
Почти во всех производствах есть опасные станки и устройства. В процессе включения, выключения или изменения режима работы нужно информировать оператора и окружающий персонал о действиях опасного производства.
Для этого можно к контроллеру или к блоку управления станком, если он поддерживает команды Modbus RTU или Modbus TCP подключить модуль DAO2ERA и при изменении операции станка с достаточной громкостью информировать персонал звуковыми фрагментами. Это могут быть и голосовые сообщения, и звук сирены. Моё мнение, что к уже существующему оборудованию всё же можно добавить звуковое оповещение.
Озвучивание охранно-пожарных ситуаций
Во всех современных зданиях устанавливается пожарная система, а в некоторых ещё и охранная система. В требованиях для сдачи объекта может присутствовать аудио оповещение. Для небольшого объекта может быть избыточно использование дорогого профессионального оборудования. Для этого можно использовать контроллер с интерфейсом Modbus и модуль аудио оповещения DAO2ERA. При срабатывании охранного или пожарного датчика контроллер посылает команду воспроизведения звукового фрагмента, соответствующего событию. Я думаю, что кроме аварийных событий можно ещё озвучивать и текущие, если это не будет сильно напрягать жителей, но это не точно.
Устройство и особенности работы модуля
Модуль DAO собран на микроконтроллере ARM Cortex M4 со встроенным ОЗУ и флеш. Так же там стоит аудио кодек VS1053 и УНЧ класса D мощностью 2х15Вт. Я считаю это позволило сделать модуль с достаточно высоким качеством воспроизведением не только аудио фрагментов, но и для прослушивания стерео-музыки. Также есть куча других микросхем и элементов. Описание работы модуля я оставлю для второй части статьи.
В модуле два интерфейса. Можно использовать не только оба интерфейса одновременно, но и один из них. Например, через Ethernet со страницы настроить модуль DAO, а через RS485 Modbus RTU управлять воспроизведением.
На передней панели аудио модуля есть гнездо Линейный выход аудио. К нему можно подключить внешний усилитель другого типа или мощности. Его можно использовать как вместо УНЧ, так и совместно с ним. Например, встроенный усилитель использовать для озвучивания внутри помещения, а внешний усилитель для озвучивания снаружи помещения.
Про классы усилителей я уже писал в другой статье про виниловый проигрыватель
https://habr.com/ru/articles/992514/
В модуле DAO используется УНЧ класса D мощностью 2х15Вт
Модуль воспроизводит файлы из карты памяти Micro SD Card или TF Card. Но сделать правильный выбор из огромного количества карт памяти не так просто.
Немного о картах памяти
Если начать издалека, то первые карты появились в начале 90-х. Это была PC Card (PCMCIA), довольно большого размера, небольшого объёма и использовалась в ноутбуках.
Затем их смену пришли более компактные карты памяти - CompactFlash, SmartMedia и Miniature Card. С появлением компактных электронных устройств, таких как цифровые фотоаппараты, плейеры, мобильные телефоны стали появляться карты меньших размеров, по сравнению с которыми предыдущее поколение «компактных» карт выглядело крупным. В двухтысячных годах крупные производители, например, Sony, Olympus и другие выпускали собственные карты памяти: CompactFlash, SmartMedia, Memory Stick, Multimedia Card, SxS, xD-Picture Card и другие. Но постепенно SD-Card стали вытеснять всё остальное разнообразие, хотя их все ещё можно купить и где-то использовать, как минимум в универсальных карт-ридерах в ПК.
Существуют так же карты памяти для игровых консолей, например, Xbox Memory, Nintendo Memory Card, Sega Memory Unit, карты памяти PlayStation, но все эти карты для аудио файлов не используют, хотя в играх аудио конечно же есть.
Хотя все производители стали использовать единый тип карт SD Card, но их разнообразие все же довольно большое.
В 1997 году появилась MMC карта (MultiMedia Card) и до сих пор используется.
RS-MMC (Reduced size MMC) в уменьшенном размере 24×18×1,5 мм и можно вставить в слот MMC через адаптер.
MMCplus с более высокой скоростью и поддержкой 8 битной шины. Существует MMCplus HC (размер 24 x 32 x 1,4 мм) объёмом 64 Гб.
MMCmobile для мобильных устройств.
MMCmicro более компактная карта размером 12 x 14 x 1,1 мм
eMMC (embedded Multimedia Memory Card – встроенная мультимедийная карта памяти) – это одночиповый накопитель, чаще всего применяемый во встраиваемых процессорных модулях, смартфонах и других компактных устройствах. В нем контроллер совмещен с флэш-памятью. В сравнении с SSD, она работает в полудуплексном режиме и более медленная. Хотя она выполнена в корпусе микросхемы, но протокол и возможности у eMMC и MMC совпадают.
Secure Digital Memory Card (SD) появилась в 2000 году, которую разработали японские компании Panasonic, SanDisk и Toshiba на основе MMC-карты и сделали её отраслевым стандартом. Но и эта карта одним типом не ограничилась и делятся они на кучу разных видов.
Размеры карты
Размеры бывают трёх видов - обычные SD-карты, miniSD, которые практически не выпускаются и microSD.
TF-карта (TransFlash) TF карта это прежнее название microSD, которое изначально ввела компания SanDisk ещё в 2004 году. Так что можно считать TF Card вторым названием microSD.
В модуле аудио оповещения DAO используется карта размера MicroSD.
Так же существуют пять поколений карт памяти данного формата и различающиеся они объёмом данных:
SD 1.0 — от 8 МБ до 2 ГБ;
SD 1.1 — до 4 ГБ;
SDHC (Secure Digital High Capacity) — до 32 ГБ;
SDXC (Secure Digital eXtended Capacity) — до 2 ТБ;
SDUC (Secure Digital Ultra Capacity) — до 128 ТБ.
Их разновидности последних трех типов SD Express. Эти карты используют интерфейс PCI Express 4.0 и протокол NVMe 1.3 через второй ряд контактов для достижения скоростей до 3,94 ГБ/с.
Из этого многообразия можно использовать карту формата SDHC. Максимальный объём карт SDHC до 32 ГБ. На картах этого типа используют файловую систему FAT32. А для карт SD использовалась FAT12, FAT16, FAT32.
Карты SDHC несовместимы с устройствами, изначально рассчитанными только на SD-карты. Для SDHC-карт используется посекторная адресация, аналогично жёстким дискам, позволившая им превзойти объём в 4 ГБ. Обычные SD-карты имеют побайтную адресацию (как оперативная память) и, соответственно, при 32-разрядном адресе могут иметь объём не более 4 ГБ.
Хотя для пользователей они кажутся одинаковыми, для устройств они разные. Простые устройства на микроконтроллерах могут не работать сразу с разными типами карт, в отличии от ПК с большими драйверами, которые определяют тип карты памяти и подставляют нужный алгоритм работы.
Карты SD 1.0 или SD 1.1 так же отличаются по алгоритму чтения и записи, но в продаже они практически уже не встречаются.
Карты SDXC (Secure Digital eXtended Capacity) поддерживают объёмом до 2 TБ и используют файловую систему exFAT. Эти карты могут использовать четырёхбитовый режим передачи данных и так называемую шина UHS (Ultra High Speed) со скоростью передачи до 312 МБ/c и эта шина совместима с обычным режимом передачи.
Устройства с поддержкой SDXC обеспечивают поддержку карт предшествующих стандартов SD и SDHC. Карты SDXC можно использовать в устройствах SDHC что бы читать с них и записывать на них информацию, если они отформатированы в файловой системе FAT32. Но объём будет до 32 ГБ.
Кроме того, что карты различаются размером, объёмом, форматом, логикой работы, интерфейсом и количеством контактов, ещё и отличаются классом.
Классы SD карт
Для обозначения скорости работы различных тип карт стали использовать классы. Они обозначаются на корпусе карты. И они ещё делятся на три группы.
Speed Class: С2 со скоростью 2 МБ/c, С4 - 4 МБ/c, С6 - 6 МБ/c, С10 - 10 МБ/c. UHS
Speed Class: U1 - 10 МБ/c, U3 - 30 МБ/c.
Video Speed Class: V6 - 6 МБ/c, V10 - 10 МБ/c, V30 - 30 МБ/c, V60 - 60 МБ/c, V90 - 90 МБ/c.
Application Class: A1, A2- 10 МБ/c.
Новые карты SD и SDHC уже продаются отформатированные в файловой системе FAT. До 2 ГБ включительно — FAT16, от 2 до 32 ГБ включительно — FAT32. Для карт SDXC от 64 ГБ — файловая система exFAT, иногда её называют FAT64 с теоретическим лимитом файла — 2⁶⁴ байт (16 эксабайт). Но эти карты можно отформатировать любым желаемым способом — например, аналогично жёсткому диску с использованием таблицы разделов. Можно так же отформатировать в системе NTFS, но она является журналируемой с опросами, а количество циклов перезаписи для карт ограничено, и NTFS быстро выведет карту из строя.
У меня есть ещё MMC карта объёмом 16Мб с файловой системой FAT12, которая поставлялась как демонстрационная с каким то цифровым фотоаппаратом. С FAT12 работать было очень сложно. FAT12 имеет размер 12 бит (1,5 байт), FAT16 – 16 бит (2 байта), FAT32 – 32 бита (4 байта). В кластере FAT12 не умещалось кратное количество байт и полбайта ходило в следующий и собрать из них файл было сложно. Поэтому от FAT12 отказался совсем.
Интерфейсы SD Card
Для связи SD карты с микроконтроллером могут использоваться три разных типа интерфейса: в режиме SPI (однобитном),
в режиме SDIO (1х битном),
в режиме SDIO (4х битном).
В модуле DAO2ERA используется режим SDIO с четырьмя битами данных, т.к. в микроконтроллер уже встроен этот интерфейс и файловая система FAT32. Интерфейс UHS не используется и карты с этим интерфейсом хотя и совместимы, но использовать их избыточно. Можно использовать карты разных форматов, если отформатировать в системе FAT32.
В целом карты бывают как разных типов, с разной скоростью работы и разного качества. Что делать, если возникают проблемы качеством воспроизведения или прерыванием воспроизведения файлов DAO2ERA? Можно заменить карту на другой тип, производителя или класса. Другая карта памяти может иметь другую задержку чтения сектора, скорость чтения и даже качество контактов и будет прекрасно работать.
Карту выбрали, теперь нужно на неё записать аудио фрагменты
Последовательность действий для воспроизведения аудио файлов:
- Необходимо использовать карту памяти SDHC объёмом от 2Gb до 32Gb включительно и файловой системы FAT32. Объём меньше 2 Гбайт сейчас в продаже не найдешь, но на 2 ещё встречаются. Объём больше 32Gb не поддерживается системой FAT32.
- С помощью ПК записать на карту памяти аудио файлы в формате MP3. Имена могут быть в формате DOS длиной 8 латинских символов, точка и 3 символа для расширения.
Особенности записи файлов можно почитать во второй части статьи.
- Затем карту с записанными файлами нужно вставить в модуль, подключить шину RS485, Ethernet, аудио выход, включить питание, установить адрес.
- Для воспроизведения файла возможно использовать любой из 3х вариантов:
Первый вариант – управление через браузер
Открыть в браузере страницу модуля.
На странице управления в поле Содержимое SD-карты выбрать имя файла, нажать кнопку ИГРАТЬ и установить нужный уровень громкости.
Второй вариант - управление через регистры Modbus
Установить имя файла для воспроизведения. В регистры Modbus HR103 - HR115 записать имя файла кодами символов из таблицы ASCII.
В регистр Modbus HR101 нужно записать значение 1 - воспроизведение. Начнется воспроизведение, по окончании значение 1 поменяется на значение 0.
Третий вариант - управление через функции Coil
Нужно записать файлы с цифровыми именами, например, "10.MP3". Командой записи в регистр COIL 10 записать значение 1. Начнет воспроизводиться файл с именем, совпадающим с номером регистра COIL. При записи значения 0 воспроизведение остановится.
Подробнее как устроен, как настраивается, подключается и управляется модуль можно почитать во второй части статьи. Все остальные подробности можно посмотреть на странице модуля DAO2ERA.
Заключение
Модуль аудио оповещения, который изначально разрабатывался для структуры МЧС оказался более универсальным. Его можно применять не только для оповещения о ЧС, но и для озвучивания различных процессов работы системы автоматики. Можно уже к существующим устройствам с контроллерами, поддерживающими Modbus RTU или TCP добавить функцию звукового оповещения. Я считаю, что получилось недорогое и функциональное решение.