Novinky v bezdrátové komunikaci od Radiocraftu. Vývoj kitů v Rystonu

V rámci distribuční smlouvy s norskou firmou Radiocrafts vyrábějící rádiové moduly vyvíjí společnost Ryston Electronics aplikační kity. Moduly jsou určeny pro různá frekvenční pásma, ať už pro použití v Evropě, nebo i pro Ameriku, Indii, Izrael a další státy podle jejich přidělených národních pásem.

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

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 s automatickou konfigurací typu mesh anebo pro dálkově ovládané spotřebiče či stroje anebo sběr informací z čidel, pro něž se vžil souhrnný název IoT (Internet of Things). Firma 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, což jsou:

• RIIM − Radiocrafts Industrial IP Mesh – volná síť, pomalejší, ale pro velkou rozlohu (města, zemědělství), díky přenosu přes několik „skoků“ po stromu, dynamicky rekonfigurovatelná podle nejlepší síly signálu. Modul listu sítě je typu RC1882CEF-IPM.
• RIIOT − Radiocrafts Industrial Internet of Things – průmyslová bezpečná síť typu hvězda, rychlá, v podstatě náhrada hvězdicové kabeláže. Modul RC1880CEF-SPR.
• MIOTY – rádiová síť dle evropského standardu ETSI 103 357, pásma 868 a 915 MHz, velmi úsporná a vhodná pro bateriové aplikace, se síťovým protokolem. Moduly RC1882CEF-MIOTY1, 2 jsou předcertifikovány pro EU.
• WIZE – adaptivní síť v málo obsazeném pásmu 169 MHz podle standardu 13757-x 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.

Síť tvořená moduly se připojuje k pevnému internetu či PC pomocí jednotky Gateway nebo Border Router, tvořenou modulem s USB rozhraním, přes níž je celá rádiová síť viditelná a dosažitelná pro údržbu. Sítě s těmito moderními protokoly se vyznačují možností aktualizování firmwaru modulů rádiem „Over the Air, OTA“, možností decentralizovaného zpracování dat, jednoduchostí instalace a připojení autokonfiguračním tlačítkem a dalšími příjemnými vlastnostmi.

Zajímavé je, že všechny moduly od Radiocraftu mají stejné pouzdro a zapojení těch nejzákladnějších vývodů: napájení, anténní vývod a komunikační rozhraní – sériová linka. Pro usnadnění vývojových prací se nabízelo vytvořit si jednotný hardwarový vývojový kit (destičku) pro všechny typy modulů a anténu pro nejpoužívanější ISM pásmo 868 MHz vytvořit přímo na DPS. Pro jiná pásma je nutno tuto anténu odpojit a připojit přes konektor vhodnou externí anténu.

DPS byla navržena na dvoustranné DPS, ale s pečlivě propojenými zeměmi. Vývojový kit je tedy levný, ale všestranně použitelný, s několika montážními variantami, a hlavně pro téměř všechny moduly od Radiocraftu. Varianty kitu jsou následující:

Rozhraní:

• Prosté rozhraní sériové linky (RxD/TxD) na LVTTL úrovních vhodné pro komunikaci s běžným mikroprocesorem; toto rozhraní má naprostá většina modulů RCF. Signály rozhraní jsou vyvedeny na „hřebínek“ a propojkami je možné volit druh komunikace anebo špičky použít rovnou jako konektor. Po tomto rozhraní proudí data rádiové komunikace anebo po stisku konfiguračního tlačítka konfigurační data. Firma RCF vyvinula i vzorový software pro low-end stavebnice typu Arduino.
• USB – přímo na 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 při-/odpojování, pro délku USB kabelu do 5 m, po němž 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).

Délka kabelu RS-485 může být až 15 m (s napájecím konvertorem až 50 m), což umožňuje snadnou montáž rádia na stožár nebo jiné vyvýšené místo pro prodloužení dosahu. Linka RS-485 včetně vzdáleného napájení se připojuje ne konektorem, ale do svorek, aby bylo možno kabel protáhnout průchodkou. Dvouvodičové datové vedení RS-485 je zakončeno na destičce. Ryston nabízí konvertor USB/RS-485 pro PC a externí napájecí zdroj.

Typy modulů a protokoly

Modul Radiocraft může být kterýkoli z oblíbených typů s jednotným footprintem. Po sériové lince komunikuje přes známé protokoly, hlavně „transparentní“ RC232/USB/RS-485, paketový MBUS, KNX, ale též zmíněné RIIM, RIIoT a další. Základní typ je RC1180-RC232 s protokolem RC232, který se může například použít ve dvojici pro rádiem přenášenou sériovou linku. Moduly podporují také AT povely. Moderní síťové 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, 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. Tyto nástroje se neustále vylepšují.

Napájení:

• Po jediném USB kabelu z PC, signálem VUSB (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 (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 přivést buď 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.

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 základní typ RC1180. Na destičce je však příprava pro konektor SMA pro externí anténu, např. od výrobce 2J, typu dle pásma, ale v případě jejího použití se musí PCB anténa odpojit (sejmout vazební kapacitor). Příslušné antény je možno rovněž koupit u Rystonu. V zásadě je možné použít anténu prutovou, čtvrtvlnnou, která však je 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 technologií SMD připájeny na „pady“ uprostřed DPS a vyvedeny na sestavu plošek po kraji destičky spolu se zemnicími ploškami. Tyto plošky mají pájecí otvory v univerzálně použitelném rastru 2,54 mm. Lze do nich zapájet „hřebínky“, jejichž kontakty slouží buď jako měřicí hroty, nebo kontaktní špičky anebo je možné nad základní destičku umístit další desku s dutinkami v rastru, který je stejný jako rastr prototypových destiček.

Většina vývodů je opatřena pull-down odpory definujícími logickou úroveň vývodu v módu „vstup“. Podle typu modulu nebo 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.

Mezi modulem a kontaktními ploškami jsou na destičce řady nevrtaných padů v rastru 1,27 mm, takže s trochou šikovnosti lze přímo na ni 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 (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.

Dále je na desce kitu připravena dvojice špiček pro signál/ RESET. Ty lze využít například pro zodolnění proti zamrznutí, po nestandardní události (přepětí) či výpadku napájení 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, a tak je možné rozhraní přepojovat, popřípadě si zavést nějaké jiné rozhraní, např. Irda.

Jednodušší moduly mají ovšem tyto vývody většinou nezapojené. 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.

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

Mechanika a vybavení

Základní provedení kitu je destička plošného spoje s osazeným modulem RC1180-RC232 a převodník z USB na sériovou linku FT232RL. To je zhruba ekvivalent „donglu“ RC1180- -RC232-USB v základním provedení.

Na přání je možné 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 lze 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, ALS-PT-315C (Everlight) senzor světla, SL353LT /Honeywell, Hallovo čidlo nebo akcelerosenzor LIS3DE (ST).

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

Pro venkovní aplikace lze použít např. vodotěsnou krabici ET215 s vodotěsnou průchodkou pro kabel, popřípadě externí anténu.

Aplikace a podpora

Nejjednodušší aplikací je sada 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 a RIIM umožňují vytvořit rádiovou síť s jedním uzlem „gateway“ připojeným k PC a řadou stanic, které si přeposílají pakety pod zabezpečeným protokolem. KNX a RIIoT je použitelná pro dálkové ovládání spotřebičů a Internet věcí (IoT).

Další aplikace budou vzhledem k zájmu zákazníků o nové sítě zřejmě následovat. Výrobce na svých stránkách popisuje aplikace rozlehlých sítí ve městech, např. se systémem RIIM řízení veřejného osvětlení a při sběru diagnostických dat, se systémem Mioty v zemědělství (řízení ventilů zavlažovacího zařízení) a při sběru dat o teplotě a kvalitě ovzduší.