Inbetriebnahme

Installation von Arduino IDE und ESP32-Unterstützung

Eine englischsprachige Anleitung zur Installation von Arduino IDE finden Sie hier: https://learn.sparkfun.com/tutorials/installing-arduino-ide

Nachem das Arduino IDE installiert wurde, muss noch die Erweiterung „Arduino Core“ für ESP32 installiert werden. Anleitungen dafür finden Sie hier:
https://github.com/espressif/arduino-esp32

Es gibt unterschiedliche Board-Varianten für den ESP32. Für das „ECO Power“-Board muss zum Programmieren aus dem Menü „Werkzeuge > Board“ der Eintrag „ESP32 Dev Module“ ausgewählt werden. Als Port muss aus dem Menü „Werkzeuge > Port“ der serielle Port ausgewält werden. Im Fenster „Serieller Monitor“ ist die Baudrate „115200“ auszuwählen.

Der Lieferumfang

Auflistung der in der „ECO Power“-Lieferung enthaltenen Einzelteile (pro Board):

  • ESP32 „ECO Power“-Board mit LoRa
  • Programmieradapter (ist rechts angesteckt)

    Hinweis: Bei einer Boardbestellung (3 Stück im Set) sind nur zwei Programmieradapter enthalten.

  • 2 x 13 Pin Buchsenleisten (Female-Header)
  • Drahtantenne (ein Draht ca. 9 cm)
  • 1 x 4 Pin Stecker (Male-Header)
  • SI7021 Sensor (Temperatur- und Luftfeuchtigkeitssensor)
  • 2 x 1-kΩ-Widerstand (SMD 0805)
  • Optional: 1 x SMA-Buchse für die Platine
  • Optional: Bauteilhalterung aus Holz
    Für die ersten Bestellungen, nur solange der Vorrat reicht!
    Das Board kann auf die Bauteilhalterung gelegt werden, damit es beim Entwickeln, Messen und Testen einen festen Stand hat

Für die erste Inbetriebnahme ist es ausreichend, die Antenne anzuschließen. Der Rest ist optional und wird in der „ECO Power“-Dokumentation beschrieben. Ein Micro-USB-Anschlusskabel ist im Lieferumfang nicht enthalten und muss getrennt angeschafft werden.

Besonderheiten des „ECO Power“-Boards

Der USB-Programmieradapter mit der seriellen Schnittstelle, welche für den seriellen Arduino Monitor und zum Programmieren benötigt wird, muss rechts vom Board eingesteckt sein. Da die serielle Schnittstelle dieses Boards weder den Reset- noch den Programmiermodus auslösen kann, muss dies wie folgt gemacht werden:

  • Vorbereitung zum Programmieren
    Öffnen Sie in der Arduino IDE das Fenster „Serieller Monitor“. Danach wird das Board durch Halten der „User“-Taste bei gleichzeitigem kurzen Drücken der „Reset“-Taste in den Programmiermodus geschaltet. Dies wird im Fenster „Serieller Monitor“ mit der Zeile waiting for download bestätigt. Ab jetzt kann im Arduino IDE die Funktion „Hochladen“ gewählt werden, wodurch die Software in das Board geladen wird.
  • Fertigstellung nach dem Programmieren
    Nachdem die Programmierung im Arduino IDE abgeschlossen ist, erscheint die  Meldung: Leaving… / Hard resetting via RTS pin… Da keine Reset-Leitung am Programmieradapter vorhanden ist, muss jetzt einmal kurz die „Reset“-Taste gedrückt werden, und das Board startet mit dem geladenen Sketch.

Zustände LED 2 (grüne LED rechts):

  • Aus 
    Das Board hat keinen Strom oder es befindet sich im „deepsleep“-Modus
  • Blinkt kurz alle 10 Sekunden
    Das Board läuft und befindet sich im ESP32 „deepsleep“-Modus, um möglichst wenig Energie zu verbrauchen, der Prozessor wird dabei weitgehend abgeschaltet. Das kuze Aufblinken signalisiert, dass es regelmäßig aktiv wird um zu prüfen, ob es etwas zu tun gibt
  • Leuchtet permanent schwach 
    Das Board ist aktiv und arbeitet in der Arduino „loop“ Ergeignisse ab. Danach nutzt es einen einfach „sleep“ und wird ca. 1.000 mal pro Sekunde durch das Betriebssystem aufgeweckt
  • Flackert etwas
    Hiermit wird der Empfang von LoRa-Funkdaten signalisiert
  • Dauerhaft an
    Das Board ist aktiv und arbeitet in der Arduino „loop“. Während diese durchläuft, ist die LED an; wenn also die „loop“ permanent aktiv ist (Dauerläufer), leuchet die LED durchgängig. Für den energieoptimierten Einsatz sollte die „loop“ natürlich so wenig wie möglich laufen bzw. nur wenn es etwas zu Verarbeiten gibt. Stichwort: kein Polling

Zustände LED 1 (rote LED links):

  • Aus 
    Im Regelfall leuchet die rote LED nicht, kann aber vom Anwender genutzt werden
  • Flackert etwas
    Beim Senden von LoRa-Funkdaten leuchtet die rote LED – abhängig von der Datenlänge – kurz auf. Dies passiert während des Sendens bei jeder Nachricht

Natürlich lassen sich die LEDs vom Anwender auch indivuell oder zusätzlich nutzen.

Auspacken und anschließen

Um den Einstieg in die LoRa-Funktechnik möglichst einfach zu gestalten, ist bei unserer Lösung schon fast alles fix und fertig aufgebaut. Alle Boards werden von uns vor der Auslieferung getestet, und mit einem Testprogramm der RadioShuttle-Software bespielt. Bis zu den ersten eigenen Funkstreckentests sind es nur wenige Schritte.

Stiftleisten anlöten

Bei den ausgelieferten „ECO Power“-Boards sind die Anschlussleisten für Erweiterungen (Header) nicht angelötet. Dies muss bei Bedarf selbständig gemacht werden. Auch der Temperatursensor ist nicht angelötet, um flexibel zu entscheiden, wie und wo der Sensor genutzt wird. Für den ersten Betrieb ist es nicht erforderlich die Stiftleisten anzulöten.

Antenne verlöten

Damit Sie bei der Wahl der Antennentechnik alle Freiheiten haben, ist auf dem Board keine Drahtantenne angelötet. Zur Inbetriebnahme des Funkmoduls ist unbedingt eine Antenne an das „ECO Power“-Board anzuschließen, da der Funkbetrieb ohne Antenne die Ausgangsstufe des LoRa-RFM95-Moduls zerstören kann.

Eine einfache λ/4-Antenne mit guten Leistungseigenschaften kann aus einem normalen Draht bestehen. Mit einer Frequenz von 868,1 MHz ergibt sich eine Wellenlänge von 0,3453 Metern für den europäischen Einsatz. Unsere λ/4-Drahtantenne muss somit 0,086325 m = 86 mm lang sein. Nach einem Verkürzungsfaktor ergeben sich 82 mm.

Der mitgelieferte Antennendraht muss auf der Platine unten rechts in das vorgesehene Lötloch (Beschriftung: „ANT“) verlötet werden. Aus Hochfrequenzsicht ist darauf zu achten, eine saubere, schlanke Lötstelle zu erzeugen. Der Draht darf nicht unten aus dem Lötloch herausschauen. Erst nach dem Löten kürzt man die Antenne für den gewünschten Frequenzbereich. Wer keine Weitenweltrekorde aufstellen möchte, muss hierbei nicht auf den ½ mm achten …

Bild 1: Abstimmung der Drahtantenne am „ECOPower“-Board mit ESP32

Stromversorgung

Das generelle Konzept zur Spannungsversorgung wurde bereits im Technikteil erklärt. In diesem Kapitel zeigen wir die Auswahl der verschiedenen Versorgungsarten.

Programmieradapter mit USB-Anschluss

Bild 2: Micro-USB-Kabel am Programmieradapter angeschlossen

Hinweis: Schließen Sie eine externe Stromquelle entweder über den USB-Anschluss am Programmieradapter oder über den USB-Anschluss oben rechts an – niemals an beiden gleichzeitig!

Nachdem der Programmieradapter per einreihiger Leiste (6x Pin, Platine rechts) mit dem „ECO Power“-Board angeschlossen und mithilfe einem Micro-USB-Kabels mit dem Rechner verbunden wurde, muss die rote LED mit der Beschriftung „+5V“ am Programmieradapter dauerhaft leuchten. Hierdurch wird angezeigt, dass per USB die 5 Volt USB-Eingangsspannung vorhanden ist.

Ist eine Batterie eingelegt und keine USB-Stromversorgung angeschlossen, läuft das Board per Batterie. Sobald der Programmieradapter angeschlossen wird und der USB-Stecker mit einem Rechner oder einer Powerbank verbunden ist, läuft das Board automatisch per USB-Stromversorgung. Zum Programmieren muss der Programmieradapter angeschlossen sein; in diesem Fall darf der zusätzliche obere USB-Stromanschluss nicht angeschlossen sein, da das Board bereits über den Programmieradapter mit Strom versorgt wird.

Externe Spannungsversorgung „VDD“ über externe Batterie

Bild 3: Batterieanschluss (2,5 … 3,6 V)

In der Mitte des Boards, am unteren Rand, gibt es einen alternativen 2-Pin-Batterieanschluss, der 2,5 bis 3,6 Volt Spannung liefern muss, beispielsweise aus einem separaten Batteriefach. Wenn dieser Anschluss genutzt wird, darf keine Batterie im Fach unter dem Board eingelegt sein. Also entweder das Batteriefach unter der Platine oder die externe Batterieversorgung nutzen.

Externe Stromversorgung per Netzteil

Bild 4: Externe Stromversorgung über Netzteil an Micro-USB-Anschluss

Hinweis: Schließen Sie eine externe Stromquelle entweder über den USB-Anschluss am Programmieradapter oder über den USB-Anschluss oben rechts an – niemals an beiden gleichzeitig!

Der einfache Betrieb mit einem USB-Ladegerät, einem Rechner oder einer Powerbank ist über die Micro-USB-Buchse („USB Power“) oben rechts möglich. Hierbei ist zu beachten, dass in diesem Fall der Programmieradapter nicht angesteckt sein darf. Der Micro-USB-Eingang ist nicht stromsparend, da die Spannung per LDO-Regler auf 3,3 Volt heruntergeregelt wird. Allerdings spielt dies bei einem Steckernetzteil oder Rechner keine Rolle.

Externe Stromversorgung (5 … 9 V)

Bild 5: Externe Stromversorgung

Rechts an den Leitungen für den Programmieradapter befinden sich die oberen Pins „VUSB“ und „VUSB-GND“. Hier kann eine externe Spannung (5-9 Volt) angelegt werden. Wenn die Stromversorgung hierüber läuft, darf die obere Micro-USB-Buchse nicht genutzt werden. Es ist zu beachten, dass dieser Eingang nicht stromsparend ist, da die Spannung per LDO-Regler auf 3,3 Volt heruntergeregelt wird.

Die Eingangsspannung darf im Regelfall nicht über 9 Volt liegen. Höhere Spannungen können zu einer unzulässigen Erwärmung des Spannungsreglers und damit zum Totalverlust der gesamten „ECO Power“-Platine führen.

Batteriebetrieb

Das Batteriefach auf der Platinenrückseite kann eine CR123-Batterie oder einen LiFePo4-Akku aufnehmen. Da der ESP32 und das RFM95-Modul zwischen 2,5 und 3,6 Volt stabil arbeiten, können hier nur Lithium-Batterien oder LiFePo4-Akkus verwendet werden.

Bild 6: Batteriefach (CR123 oder LiFePo4-Akku)

Betrieb mit AA-/AAA-Batterien bzw. -Akkus

Für den Batteriebetrieb dürfen keine Alkali-Mangan-Batterien mit 2x 1,5 Volt verwendet werden, da die Mindestspannung von 2,5 Volt im Betrieb nach kurzer Zeit bzw. bei Belastung unterschritten wird. Nickel-Metallhydrid-Akkus (NiMH) mit 1,2 Volt sind aus diesem Grund (2x 1,2 V = 2,4 V) ebenfalls ungeeignet. Zusätzlich ist zu bedenken, dass im WiFi- bzw. LoRa-Betrieb mehr Strom benötigt wird, welchen  handelsübliche Batterien nicht liefern können. Die Verwendung von drei Batteriezellen (AA/AAA) NiMH-Akkus funktioniert auch nicht, da damit die Höchstspannung von 3,6 Volt überschritten wird.

Für einen einwandfreien Bertrieb sind daher Lithium-Batterien oder LiFePO4-Akkus zu verwenden, da eine Lithium-Batterie (3 V bzw. 2x 1,5 V) die Spannung zwischen 2,7 und 3 V hält. Bei Lithium-Batterien wird über 90% der Kapazität bei über 2,7 V geliefert. Ein Betrieb über einen LiFePo4-Akku ist auch möglich, da diese die Betriebsspannung bei ca. 3 V halten und die Mindestspannung von 2,5 V nicht unterschreiten.

Die Umschaltung zwischen Batteriebetrieb und USB-Stromversorgung geschieht automatisch. Die USB-Stromversorgung ist vorrangig und schaltet die Batterie automatisch ab. Beim Betrieb mit einer stationären Stromversorgung ergibt sich hieraus auch der Vorteil, dass die Batterie bei Stromausfall automatisch die Stromversorgung übernimmt.