Zkušenosti s „embedded radio“ – vývojovým kitem pro RIIM od Radiocraftu Vývoj kitů v Rystonu 1. díl

Abychom jako distributor norské firmy Radiocrafts poskytovali zákazníkům fundované informace a technickou podporu, pořídili jsme si originální vývojový kit systému RIIM. Protože máme vlastní vývojové projekty s „embedded radio“ moduly od Radiocrafts i jiných výrobců, chceme mít tuto technologii zvládnutou i pro tyto akce.

Radiocrafts v poslední době investuje zejména do vývoje nových síťových rádiových systémů, se spoluprací např. s mobilní sítí či pevným internetem, s různou úrovní zabezpečení a autentizace. Protože moderní moduly obsahují vestavěný výkonný mikropočítač s rezervou výkonu pro obsluhu připojených periferních obvodů, vžil se pro ně i název „embedded radio“.

Rádiové moduly jsou určeny pro různá frekvenční pásma pro použití v Evropě, ale i pro Ameriku, Indii, Izrael a další státy podle tamních národních přidělených pásem.

Moduly jsou vybaveny různými komunikačními protokoly podle zamýšlené aplikace: od jednoduchého RC232 s „transparentním“ přenosem sériové linky mezi spárovanými stanicemi přes paketové MBUS, KNX až k internetovým protokolům.

Obr. 1 RIIM logo – Mesh

Výrobce je velmi aktivní: podporuje své systémy aplikačním softwarem, takže je poměrně snadné je využít například pro sběr dat nebo řízení rozlehlých systémů, pro něž se vžil souhrnný název IoT (Internet of Things) nebo mesh (RIIM, IP Mesh, síť s automatickou rekonfigurací). Hlavní rozdíl mezi nimi je v topologii: zatímco RIIoT je hvězda s rychlým přenosem z centra přes jediný „skok“, ale poměrně malým dosahem, RIIM umožňuje dynamickou rekonfiguraci stromu sítě přes několik „skoků“ podle kvality signálu za cenu pomalejšího přenosu kvůli přeposílání. V případě poruchy jednoho uzlu sítě se systém „zahojí“ – rekonfiguruje se skok mezi sousedy uzlu s poruchou. Pro některé aplikace je však dopravní zpoždění zcela dostačující, např. pro ovládání veřejného osvětlení.

Obr. 2 Modul RIIM Radiocrafts

Zajímavé je, že všechny moduly od Radiocraftu mají stejné pouzdro, PCB decal (footprint) a zapojení těch nejzákladnějších vývodů: napájení, anténní vývod a komunikační rozhraní – sériová linka.

V tomto článku chceme stručně popsat ne úplně lehkou cestu až do funkčního stavu s kitem RIIM-DK.

Uveďme velmi stručný přehled rádiových systémů firmy Radiocrafts:

RIIM − Radiocrafts Industrial IP Mesh, IPM – volná síť, pomalejší, ale vhodná pro velkou rozlohu sítě (města, zemědělství), díky přenosu přes několik „skoků“ po stromu, dynamicky rekonfigurovatelná podle nejlepší síly signálu. Modul listu sítě je typu RC1882CEF-IPM.

Dalšími systémy od Radiocraftu jsou například:

RC232 − rádiový ekvivalent populárního sériového rozhraní RS-232 s Laplink kabelem, respektive poloduplexního RS-485: systém přenáší transparentní tok dat sériové linky, je možno nastavit přenosovou rychlost a další parametry. V modulu je buffer přenášející znaky v blocích. Nastavitelná je jeho velikost a time-out (prodleva mezi znaky, kdy se blok již odešle). Možná je konfigurace point-point nebo multipoint (bus). Systém není příliš odolný proti rušení, kdy dojde ke ztrátě bloku, takže je nutno použít kontrolu nebo zabezpečený modemový program.

RIIOT − Radiocrafts Industrial Internet of Things – průmyslová bezpečná síť typu hvězda, rychlá, v podstatě rádiová náhrada hvězdicové kabeláže.

MIOTY – rádiová síť dle evropského standardu ETSI 103 357, pásma 868 a 915 MHz, velmi úsporná a vhodná pro bateriové aplikace, se síťovým protokolem. Pro odolnost proti rušení se telegramy dělí na krátké segmenty, takže zotavení při rušení je velmi krátké. Moduly RC1882CEF-MIOTY1, 2, ale i další jsou předcertifikovány pro rádiové požadavky a pásma EU, stejně jako direktivu RED (2014/53/EU).

WIZE – adaptivní síť v málo obsazeném pásmu 169 MHz s dlouhým dosahem, podle standardu EN13757-4:2018x se širokým spektrem urbánních aplikací, reálným časem v modulu a řadou rozhraní v modulech. Podporována provozovateli „inteligentních měst“ v evropských zemích, např. SUEZ ve Francii. Modul RC1701HP-WIZE.

Sítě s těmito moderními protokoly se vyznačují možností aktualizování firmwaru modulů rádiem „Over the Air, OTA“, možností decentralizovaného zpracování dat postupem uživatelem naprogramovaným přímo v jazyce C (ICI), jednoduchostí instalace a připojení autokonfiguračním tlačítkem a dalšími příjemnými vlastnostmi.

Obr. 3 Jednotka RIIM Border Router

Síť RIIM tvořená IPM moduly se připojuje k pevnému internetu a PC pomocí jednotky Border Router (BR) tvořené modulem s USB rozhraním, přes které je celá rádiová síť viditelná a dosažitelná pro údržbu a administraci. Dále BR obsahuje rozhraní pro LAN s obvodem ENC28J60, což je IO od Microchipu − MAC+PHY řadič, a konektorem pro RJ45 s transformátory a filtry a LED indikátory.

Demo kit RC1882-RIIM-DK je dodáván v plastovém kufříku. Podle výrobce obsahuje vše, co potřebujete, přinejmenším hardware: zejména tři destičky s moduly, antény a kabely. Avšak skutečnost je trochu odlišná.

Obr. 4 Destičky RIIM kitu: BRB, DB a SB

Na destičkách je vidět, že každá pochází z jiného desetiletí. Čekali jsme „krabičku“ BR, Border Router, místo ní dorazila jen osazená DPS této krabičky, BRB (BR Board).

Destička BRB obsahuje dva konektory USB C, z čehož jeden je pro sériová data a druhý jen pro napájení. Na desce jsou nepříliš dobře dokumentované přepínače/propojky.

Místo návodu kufřík obsahuje jeden list A4 s odkazy na knihovnu dokumentů na webu RCF, odkud je třeba si po přihlášení stáhnout příručky uživatele, návod Quick Start a technické listy a aplikační poznámky. Nečekejte ale zrovna plug-and-play.

Obr. 5 Ukázka „mapy“ sítě RIIM v Dashboardu

Nejdřív musíte podepsat licenční ujednání se společností Radiocrafts. Pak vám pošlou link na .zip soubor ke stažení. V zipu je instalační .exe a .bat soubor pro program RIIM Dashboard (nastavení a správa sítě). Tady jsme trochu narazili.

Z neznámého důvodu, soubor .exe není možno instalovat na ničem menším než PC s Windows 10 / 64 bit architekturou. Notebook s Win7 má smůlu. Na dotaz Proč? jsme se nic nedozvěděli.

Potom musíte BRB propojit s PC, na němž je instalovaný Dashboard, nejdříve kabelem USB_A-USB_C do portu USB_C destičky BRB (jsou tam ale dva, musíte vyzkoušet který, jeden jen pro napájení, druhý pro přístupová data).

Druhé propojení je LAN kabelem: z LAN rozhraní desky BRB do PC; zde se však musíte rozhodnout, jak to provést: buď přímo kabelem PC-BRB, nebo pomocí switche, anebo, možná, přes intranet, anebo až do internetu. Radiocrafts na to mají celou aplikační poznámku AN46. Teprve tehdy uvidíte něco jiného než demo mód.

Pro síťové spojení je však nutné získat IP adresu v dané síti. Modul BR má ale MAC adresu v jiném tvaru než náš DHCP server požaduje. Musíte povolit IP adresování IPv6 a další ajťácká zaklínadla.

Když vše funguje a získáte IP adresu, můžete se v Dashboardu přepnout z „demo“ módu do módu nastavení sítě.

Bez IP adresy tak vidíte „jen“ pomocí USB připojení aktuální graf (strom) sítě, tedy její přihlášené uzly (moduly) a aktuální spojení mezi nimi, relativní sílu signálu radia (RSSI) a aktuální stavy některých senzorů na senzorové desce: například akcelerometr. Můžete si zkontrolovat, že senzor reaguje na změnu polohy atd.

Obr. 6 Struktura RIIM sítě

Pro objektivitu je třeba konstatovat, že zapojení a správa sítě RIIM pomocí USB připojení BRB je opravdu snadné. K dovršení smůly jsme totiž v demo kufříku obdrželi také jeden nevedoucí USB-mikroUSB kabel, takže spojení se senzorovou destičkou se nedařilo.

Pro tuto chvíli s instalací skončíme a „IT vrstvě“ propojení rádiové sítě se budeme věnovat v některém z příštích článků.

Vývoj kitů v Rystonu

Pro usnadnění vývojových prací nás napadlo vytvořit si vlastní, levný, ale jednotný hardwarový vývojový kit (destičku a krabičku) pro všechny typy modulů a anténu pro nejpoužívanější ISM pásmo 868 MHz vytvořit jako mikropáskovou přímo na DPS. (Pro jiná pásma je nutno tuto anténu odpojit a připojit přes konektor SMA vhodnou externí anténu.)

Modul Radiocraft může být kterýkoli z oblíbených typů s jednotným footprintem. To je nejen řada Radiocrafts, ale patrně i některé typy italské výroby. Ty jsme však netestovali. Vyzkoušeli jsme úspěšně sériový protokol, „transparentní“ RC232/USB/RS-485. Základní typ modulu v tomto případě je RC1xx0 s komunikačním protokolem RC232, který se může například použít ve dvojici pro rádiem přenášenou sériovou linku.

Destička kitu byla navržena na dvoustranném materiálu FR-4, ale s pečlivě propojenými a zalitými plochami a zablokovaným napájením. Vývojový kit je tedy levný, ale všestranně použitelný pro téměř všechny moduly od Radiocraftu a nabízí několik montážních variant. Varianty kitu Ryston podle „plus možností“ jsou následující:

Rozhraní kitu

• Prosté rozhraní sériové linky (RxD/TxD) na LVTTL úrovních, vhodné pro komunikaci s běžným mikrokontrolérem; toto rozhraní má naprostá většina modulů RCF. Signály rozhraní jsou vyvedeny na „hřebínek“ na desce a propojkami je možné volit druh komunikace anebo špičky použít rovnou jako konektor do „patra“. Po tomto rozhraní proudí data rádiové komunikace anebo po stisku tlačítka Config konfigurační data.
• USB – přímo na destičce kitu je převodník FT232RL pro konverzi z USB do signálů sériové linky. Na desce plošného spoje je konektor USB B, který je dostatečně robustní pro časté připojování/odpojování. Konektor je vhodný pro délku USB kabelu do 5 m a po něm se z připojeného PC celý kit může i napájet. Původní „dongle“ RCF se připojoval přímo do portu USB A v PC (kde hrozilo jeho vylomení) nebo přes prodlužovací kabel A-A délky kolem 2 m. Toto uspořádání má však tendenci k nespolehlivosti při příliš levném kabelu.
• Rozhraní sériové linky RS-485 pro poloduplexní komunikaci. Je možno použít signál RXTX (DIR) pro řízení směru dat (pro moduly mající sériové rozhraní s tímto signálem) anebo signál CBUS obvodu FTDI. Délka 4žilového kabelu RS-485 může být podle kvality kabelu (s napájecím konvertorem) až 150 m, což umožňuje snadnou montáž rádia na stožár nebo jiné vyvýšené místo pro prodloužení dosahu. Linka RS-485 včetně vzdáleného napájení (dva páry) se připojuje ne konektorem, ale do svorek, aby bylo možné kabel protáhnout průchodkou. Diferenční dvouvodičové datové vedení RS-485 je zakončeno impedancí na destičce kitu. Ryston nabízí konvertor USB/RS-485 pro stranu u PC a externí napájecí zdroj s injektorem do kabelu RS-485.

Napájení

Snažili jsme se vylepšit standardní nabídku donglu, neboť jsme se setkali s nepříliš kvalitními USB prodlužkami.

• Z PC včetně dat po USB kabelu: signál VUSB (+5 V) jde přes vstupní ochranu do LDO stabilizátoru KF33 (moduly mají napájení 3,3 V). Proud z USB je většinou dostačující, protože moduly RCF nízkého výkonu mají typickou spotřebu kolem 20 mA (impulsně).
• Moduly -HP, -VHP (se zvýšeným vysílacím výkonem) se však rovněž mohou napájet z plnohodnotného USB portu s výstupem napájení nad 500 mA, protože na kitu je místo pro filtrační kondenzátory poskytující zálohu impulsního výkonu pro vysílač. Ale pozor, některé embedded počítače nejsou schopny do USB portu dodat očekávaný napájecí proud.
• S rozhraním RS-485 (dodáváme převodník USB–RS-485) je možno použít zvýšené externí napájecí napětí 12−24 V přenášené po zvláštním páru vodičů v kabelu. To je možné buď přivést externě z adaptéru či z baterie s jištěním (např. na vozidle), anebo použít „dongle“ převodník USB na RS-485 od Rystonu se zvyšujícím konvertorem DC/DC. Na destičce kitu je pak místo pro snižující převodník DC/DC zpět na 5 V pro LDO stabilizátor.
• Baterie: na desce je jednoduchý obvod pro nabíjení lithiových baterií o maximálním napětí 4,25 V. Baterie má při vybíjení typické napětí 3,6 V, což postačuje k napájení LDO stabilizátoru. Bylo vyzkoušeno, že běžná baterie LiPol 18650−2200 mAh vydrží více než tři dny provozu. Různé varianty řešení napájení kitu byly popsány v předchozích číslech časopisu DPS.

Antény

Pro základní typ modulu postačuje mikropásková anténa za nulovou cenu na plošném spoji připojená přes vazební SMD kapacitor. Tato anténa je přizpůsobena pro pásmo kolem 868 MHz, ve kterém pracuje většina typů RC1x80. Na destičce je však příprava pro konektor SMA pro externí anténu, např. od výrobce 2J, typu podle pásma, ale v případě jejího použití se musí DPS anténa odpojit (odpájet vazební kapacitor). Příslušné antény je možno rovněž koupit u Rystonu. V zásadě je možné použít anténu prutovou, čtvrtvlnnou, která je však pro pásmo 169 MHz neprakticky dlouhá (kolem 43 cm), anebo zkrácenou – šroubovicovou, s délkou kolem 11 cm.

Vstupy/výstupy

Všechny vývody modulu RCF (jsou jen na spodní straně modulu, je to jakési LGA v rastru 1,27 mm) jsou v kitu Ryston povrchově připájeny na plošky uprostřed DPS a vyvedeny na sestavu vývodů po kraji destičky tvořící dvojice spolu se zemnicími vývody. Tyto plošky mají pájecí prokovené otvory v univerzálně použitelném rastru 2,54 mm. Lze do nich zapájet dvouřadé „hřebínky“, jejichž kontakty slouží buď jako měřicí hroty, nebo kontaktní špičky, anebo je možno nad základní destičku umístit další desku „patro“ s dutinkami ve stejném rastru, který je stejný jako rastr prototypových destiček.

Většina vývodů je opatřena pull-down odpory definujícími logickou úroveň vývodu v módu „vstup“ na L. Podle typu modulu anebo verze jeho softwaru lze vývody použít jako binární vstupy/výstupy, vstupy A/D převodníku, čítače anebo jsou na nich populární sběrnice s nízkým počtem signálů jako I2C a SPI/JTAG. Nové moduly již mají definován význam téměř vývodů.

Mezi modulem a kontaktními ploškami jsou na destičce řady nevrtaných padů v rastru 1,27 mm, takže přímo na ni je možno s trochou šikovnosti připájet několik SMD obvodů např. v pouzdře SO.

Pro účely vývoje je kit vybaven dvěma tlačítky. První je tlačítko PROG, při jeho stisku modul přejde do konfiguračního/ programovacího módu, a po USB/sériové lince je možné nastavovat jeho parametry jako např. délku bloku, adresy atd.

Druhé tlačítko je připojeno na vstup PCNTR čítače impulsů, který má řada modulů RC11x0-MPC1.

Dále je na desce kitu připravena dvojice špiček pro signál /RESET. Ten se používá jen výjimečně a lze použít tlačítko na kabelu. Když je třeba, může být modul připojeným obvodem hlídání funkce – Watchdogem − resetován do základního stavu, což je potřeba hlavně při vývoji a zkoušení programovacích technik.

Vývody sériového rozhraní, včetně signálu RxTx, a výstup PROG jsou připojeny na LED indikátory, takže lze rychle kontrolovat stav modulu a komunikaci.

Mezi modulem a obvody sériového rozhraní jsou propojky, takže je možné rozhraní přepojovat, popřípadě zavést si nějaké jiné rozhraní, např. Irda.

Jednodušší moduly mají ovšem tyto vývody většinou nezapojené, a naopak některé moduly (HP) využívají některé další vývody např. pro napájení výkonového koncového stupně vysílače (PA), takže je třeba předem si nastudovat materiály k příslušnému typu.

Některé moduly novějších typů mají na vývodech testovací a programovací rozhraní JTAG, které umožňuje rychlou diagnostiku elektrické integrity a také základní programování modulu. Z prostorových důvodů však není standardní konektor JTAG na desce a je nutné využít zmíněné kontaktní plošky se zapájenými špičkami a rovněž speciální JTAG programovací adaptér/kabel.

Mechanika a vybavení

Základní provedení kitu je destička plošného spoje s osazeným modulem RC1180-RC232 a převodníkem z USB na sériovou linku FT232RL. To je zhruba ekvivalent originálního „donglu“ RC1180-RC232-USB a současně senzorové desky SB.

Na přání lze do kitu osadit jiné moduly se složitějšími protokoly jako MBUS, TM, KNX aj. anebo jej doosadit součástkami z originálního DK, jako je akcelerometr LIS331DK s rozhraním I2C nebo SPI na „footprint“ LGA nebo SOT23-6 anebo do objímek DIL-8, které mohou sloužit i jako držáky/konektory složitějších sestav. Tak je možné dosáhnout funkčnosti podobné originálním kitům RC1xxxxSM-DK (pro Wireless M-bus, RIIoT nebo Sigfox), které používají senzory SHT35 (Sensirion) nebo HDC2010 (TI), čidla teploty a vlhkosti, senzor světla ALS-PT-315C (Everlight), Hallovo čidlo SL353LT (Honeywell) nebo akcelerosenzor LIS3DE (ST).

Obr. 7 Kit Ryston-RCF, některé varianty

Kit lze vestavět do levné plastové krabičky LP2029 odolné proti prachu a drobným nečistotám (IP4x), z níž vychází konektor USB nebo průchodka kabelu (dle osazení). Krabičku dodávanou Rystonem je možné přichytit např. vázacím páskem na vyvýšené místo v budově (pod střechu) anebo někam do vozidla.

Pro venkovní aplikace se dá použít např. vodotěsná krabice typu ET215 s vodotěsnou průchodkou pro kabel, popřípadě externí anténu.

Aplikace a podpora

Nejjednodušší aplikací je uvedená sada RC232 dvou kitů pro „rádiovou“ sériovou linku mezi dvěma PC. Moduly MBUS jsou schopny propojit např. centrální PC pracoviště s měřidly spotřeby médií. Rodiny TM, ZNY, KNX či RIIoT umožňují vytvořit rádiovou síť s jedním uzlem „gateway“ připojeným k PC a řadou stanic, které si posílají pakety pod zabezpečeným protokolem. KNX a RIIoT je použitelná pro dálkové ovládání spotřebičů a Internet věcí (IoT).

Moderní síťové „embedded“ rádiové moduly jsou postaveny na RF procesoru CC1310 od Texas Instruments a díky firmwaru jsou konfigurovatelné a programovatelné: Kromě základních vývodů mají rozhraní sběrnic I2C, SPI, JTAG a dalších a řadu I/O vývodů, jejichž funkce je programovatelná přímo ve zdrojovém jazyku C.

K vývoji aplikací slouží výrobcem zdarma (po registraci projektu) poskytované nástroje – vývojový kit a Dashboard pro monitorování stavu sítě za provozu a překladač z jazyka C do mezikódu. Tyto nástroje se neustále vylepšují.

Závěr

V tomto článku jsme přinesli první, ještě trochu „syrovou“, informaci o zprovoznění stavebnice RIIM-DK a programu RIIM Dashboard. Nic není dokonalé a snad přineseme pokračování o výzkumu této zajímavé rádiové sítě někdy příště. Společnost Ryston Electronics je distributorem a poskytovatelem technické podpory autorizovaným firmou Radiocrafts AS. Pro kontakt na techniky v ČR, vývojovou podporu, dokumentaci, aplikační pomoc, webináře (videa) a pro získání knihovních prvků pro návrhový systém Mentor-PADS navštivte: http://www.ryston.cz/.