Kit od Rystonu pro snadnou aplikaci modulů Radiocrafts pro IoT

Firma Ryston Electronics uzavřela distribuční smlouvu s norskou firmou Radiocrafts, která vyrábí rádiové moduly. Ty jsou pro různá frekvenční pásma, nejen pro Evropu, ale rovněž pro Ameriku, Indii, Izrael a další státy podle tamních přidělených pásem.

Moduly jsou rovněž vybaveny různými komunikačními protokoly, od jednoduchého RC232 přes paketové MBUS3, MBUS4, KNX, a rovněž internetovými protokoly. Výrobce podporuje moduly aplikačním softwarem, takže je poměrně snadné je využít například pro sběr dat z měřičů spotřeby médií (MBUS), inteligentní budovy (KNX), rádiové sítě typu mesh (TM) nebo různé dálkově ovládané spotřebiče či stroje, pro které se vžil souhrnný název IoT (Internet of Things). Radiocrafts používá svoje zkratky, takže jsme si vytvořili slovník, z něhož např. uvádíme:

• RIIM: Radiocrafts Industrial IP Mesh
• RIIOT: Radiocrafts Industrial Internet of Things
• SPR: Software-Programmable RF Module
• ISM: Industry, Scientific and Medical Band. Nelicencované frekvenční pásmo pro průmysl, vědu a lékařství. Rozsahy 902−928 MHz, 2,4−2,4835 GHz, 5,725−5,850 GHz, vysílací výkon do 1 W, povolené jsou frekvenční skoky nosné vlny a přímé rozprostření spektra. Dosti nejednoznačná definice. Pásmo 2,4 a 5 GHz používá například technologie Bluetooth.

Zajímavé však je, že všechny moduly od Radiocraftu mají stejné pouzdro a zapojení těch nejzákladnějších vývodů: napájení, anténní vývod a komunikační rozhraní – sériovou linku.

Originální vývojové systémy výrobce jsou však poměrně drahé a možná až zbytečně komplikované a mají některé mechanické nevýhody.

Pro usnadnění vývojových prací jsme v Rystonu vyvinuli jednoduchý aplikační kit pro moduly Radiocraft.

Původním záměrem bylo zlevnit a ověřit zapojení originálního development-kitu výrobce RC188xDB (kolem 12 tis. Kč za kus) a vyrobit několik prototypů pro ladění meshové (síťové) sestavy rádiových stanic a současně prodloužit kabelové rozhraní sériové linky.

Vývojový kit se překvapivě ukázal jako všestranně použitelný, s několika osazovacími variantami, a hlavně pro téměř všechny moduly od Radiocraftu. Varianty jsou následující:

Rozhraní

• Prosté rozhraní sériové linky (RxD / TxD) vhodné pro komunikaci s běžným mikroprocesorem. Signály rozhraní jsou vyvedeny na „hřebínek“ a propojkami je možné volit druh komunikace anebo špičky použít rovnou jako konektor.
• 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). Délka kabelu RS-485 může být 15 až 50 m (s napájecím konvertorem), linka včetně vzdáleného napájení se připojuje ne konektorem, ale do svorek pro jednotlivé vodiče, aby bylo možné kabel protáhnout průchodkou. Dvouvodičové datové vedení RS-485 je zakončeno na destičce. Ryston a další výrobci nabízejí konvertor USB-RS485 pro PC.
• USB – přímo na kitu je konvertor FT232RL z USB do signálů sériové linky, toto rozhraní má naprostá většina modulů RCF. Na desce plošného spoje je konektor USB B, který je dostatečně robustní. Původní „dongle“ RCF se připojoval přímo do portu USB A v PC (kde hrozilo jeho vylomení) nebo přes prodlužovací kabel délky kolem 2 m. Toto uspořádání má však tendenci k nespolehlivosti při příliš levném kabelu.

Protokoly

Modul Radiocraft může být kterýkoli z oblíbených typů s jednotným footprintem se známými protokoly, hlavně „transparentním“ RC232/USB/RS-485, paketovými MBUS, TinyMesh, LoWPAN, KNX, Sigfox, IoT a dalšími. Základní typ je RC1180-RC232 s protokolem RC232, který se může například použít ve dvojici pro rádiem přenášenou sériovou linku.

Napájení

• Po jediném kabelu z rozhraní USB (5 V) 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.
• Moduly -HP, -VHP (výkonové) se však rovněž mohou napájet z plnohodnotného USB portu s výstupem napájení nad 500 mA, protože na kitu je místo pro filtrační kondenzátor poskytující zálohu výkonu pro vysílač.
• S rozhraním RS-485 je možno použít zvýšené 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 v provozu déle než tři dny.

Antény

Pro základní typ postačuje mikropásková anténa na plošném spoji připojená přes vazební kapacitor. Tato anténa je přizpůsobena pro pásmo kolem 868 MHz, v kterém pracuje základní typ RC1180. Na destičce je však příprava pro konektor SMA pro externí anténu, např. od výrobce 2J, typ dle pásma, ale v případě jejího použití se musí PCB anténa odpojit (odpájet vazební kapacitor). Příslušné antény je možno rovněž koupit v 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 modulů RCF (jsou jen na spodní straně modulu, je to jakési LGA v rastru 1,27 mm) jsou připájeny na plošky na DPS kitu (uprostřed) a vyvedeny na sestavu plošek po kraji destičky, spolu se zemnicími ploškami. Tyto vrtané plošky jsou v použitelném rastru 2,54 mm. Lze do nich zapájet „hřebínky“, jejichž kontakty slouží buď jako měřicí hroty, nebo kontaktní špičky, anebo lze nad základní destičku umístit další desku s dutinkami ve stejném rastru, jako je rastr prototypových destiček. Většina vývodů je opatřena pull-down odpory. Podle typu modulu anebo verze jeho softwaru je možné 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.

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 jehož stisku modul přejde do konfiguračního/ programovacího módu, a po USB/sériové lince je možné nastavovat jeho parametry jako např. délku bloku, adresy atd.

Vývody sériového rozhraní včetně signálu TxDEN 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.

Druhé tlačítko je připojeno na vstup PCNTR čítače impulsů, který má řada modulů RC11x0-MPC1 (MPC1: Wireless M-Bus module with Pulse counter, Tamper and Install inputs). Tento modul je základem měřidel spotřeby různých médií, komunikuje s moduly Radiocrafts s protokoly MBUS3 / MBUS4 a automaticky, v konfigurovatelných intervalech, vysílá pakety dle EN13757-4:2013 obsahující akumulované hodnoty čítače.

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

Dalším vstupem do modulu na propojku je signál /RESET sloužící k uvedení modulu do základního stavu, což je potřeba hlavně při vývoji a zkoušení programovacích technik.

Některé moduly novějších typů mají testovací a programovací rozhraní JTAG, které umožňuje rychlou kontrolu elektrické integrity a programování modulu. Z prostorových důvodů však není konektor JTAG na desce a je nutno využít zmíněné kontaktní plošky se zapájenými špičkami a rovněž JTAG programovací adaptér. Tato funkce zatím nebyla ověřena.

Mechanika

Základní provedení kitu je destička plošného spoje s osazeným modulem RC1180-RC232 a převodníkem z USB na sériovou linku. To je zhruba ekvivalent „donglu“ RC1180-RC232-USB v základním provedení.

Na přání je možno do kitu osadit jiné moduly se složitějšími protokoly jako MBUS, TM, KNX aj. a doosadit součástkami z originálního DK jako 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 možno 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).

Kit je možno vestavět do levné plastové krabičky odolné proti prachu a drobným nečistotám (IP4x). Krabičku je možno přichytit vázacím páskem na vyvýšené místo (pod střechu) nebo někam do vozidla.

Pro venkovní aplikace je možno použít např. vodotěsnou krabici ET215 s vodotěsnou průchodkou pro kabel.

Aplikace

Nejjednodušší je sada dvou kitů pro rádiovou sériovou linku mezi dvěma PC. Moduly MBUS jsou schopny propojit PC s měřidly spotřeby médií. Rodina TM a ZNY umožňuje vytvořit rádiovou síť s jedním uzlem „gateway“ připojeným k PC a řadou stanic, které si přeposílají pakety pod zabezpečeným protokolem. KNX je použitelná pro dálkové ovládání spotřebičů a Internet věcí (IoT). Další moduly jsou ve vývoji. Na webu [1] je po zaregistrování možno získat (v angličtině) všechnu potřebnou dokumentaci hardwaru, komunikačních protokolů a certifikáty shody, hlavně CE CoC, čímž se velmi zkrátí vývoj a certifikace finálního výrobku.

Jedním ze zajímavých dokumentů je také aplikační poznámka AN026 popisující jednotný footprint modulů, která je dostupná na [2].

Pro kontakt na techniky výrobce navštivte www.ryston.cz.