La Tarjeta LongRa y su Tecnología

Ficha técnica (PDF)

Debido a la gran demanda, las tarjetas LongRa no están disponibles actualmente. La producción de nuevas tarjetas está en curso.

Solución llave en mano Arduino 32-bit con LoRa

La tarjeta llave en mano LongRa es compatible con Arduino Genuine Zero, y puede ser implementada inmediatamente en el entorno original de Arduino. El software de protocolo radio RadioShuttle incluido permite la comunicación nodo a nodo sin necesidad de routers o servidores adicionales. La solución está diseñada para funcionar con pilas (2x pilas AA), pero también puede funcionar con una fuente de alimentación externa. Un conector Arduino estándar permite extensiones que requieren 3,3 V o 5 V. Simplemente brillante!

Procesador ARM de 32 bits con potencia de cálculo de 32 bits

Nuestra tarjeta LongRa está construida alrededor de un microcontrolador (MCU) de 32 bits basado en procesador ARM de ATMEL. Este mismo procesador ATMEL SAM D21 con 256 kB Flash y 32 kB RAM también está integrado en el Arduino Zero o Genuino Zero. El puerto USB conecta la tarjeta a un ordenador Windows, Linux o Mac. Gracias al gestor de arranque Arduino preinstalado, el sistema operativo y el IDE Arduino lo reconocen como Arduino/Genuino Zero. Por supuesto, también se puede utilizar a través de ATMEL Studio u otros entornos de programación como “Mbed”.

Módulo de radio RFM95 LoRa

Como módulo de radio LoRa utilizamos el módulo transceptor RFM95 de 868/915 MHz de HOPERF. Está especificado para una potencia de transmisión constante máxima de +20 dBm o 100 mW, que no debe superar una potencia radiada aparente de +14 dBm en la UE. El Link Budget (presupuesto de enlace) alcanzable, que en términos generales representa la calidad de todo el enlace radioeléctrico con todas las pérdidas y ganancias, ha sido establecido por el fabricante en 168 dB. El chip LoRa integrado en el módulo RFM95 se basa en el desarrollo del Semtech SX1276.

Las líneas de señal necesarias del módulo RFM95 se conectan directamente al ATMEL SAM D21. Esto permite que nuestro software RadioShuttle controle toda la funcionalidad del módulo. Y no hay restricciones de hardware en el desarrollo y prueba de otros protocolos de radio que se interponen en el camino de la creatividad y la experimentación.

Un simple alambre, que es soldado y sintonizado a la tarjeta misma, es suficiente como antena. Si desea instalar antenas premontadas, también encontrará almohadillas para soldar para enchufes SMA y U.FL en la parte superior de la tarjeta.

Fuente de alimentación flexible

Hemos intentado diseñar la fuente de alimentación del circuito de la forma más modular posible. Durante la programación, la tarjeta puede ser alimentada completamente por USB. Un simple transformador de voltaje mantiene toda la placa de circuitos lista para funcionar a 3,3 voltios. Si desea utilizar una fuente de alimentación externa, encontrará en la tarjeta una entrada separada para una tensión de alimentación de entre 5 y 7 voltios. Esta entrada utiliza el mismo controlador que el puerto USB.

En la parte posterior de la tarjeta, un compartimento para 2 pilas AA está firmemente montado. Aquí se pueden utilizar pilas normales o recargables. Dado que el procesador y el módulo de radio funcionan de forma estable y sin pérdida de potencia en un rango de tensión entre 2,1 y 3,5 voltios, aquí no se conecta ningún regulador de tensión. Esto ahorra especialmente energía y garantiza un largo tiempo de funcionamiento cuando se alimentan con baterías. Si desea utilizar otras baterías externas, por supuesto que encontrará la conexión correspondiente.

Puede elegir entre batería o alimentación USB a través de un puente. Esto evita que el regulador “succione” la batería hacia atrás. El mismo contacto de enchufe también se puede utilizar, por ejemplo, para un interruptor de encendido/apagado en la carcasa del módulo sensor.

Convertidor Boost

Varios sensores y actuadores requieren una tensión de alimentación regulada de 3,3 voltios o 5 voltios para un funcionamiento seguro. Para poder alimentar estos interruptores auxiliares externos a pesar de los bajos voltajes de la batería, hemos suministrado a la tarjeta LongRa un convertidor Boost ajustable. En el modo normal de radio y ordenador, se apaga para ahorrar energía. Se puede conectar en cualquier momento a través del software y puede proporcionar 3,3 voltios o 5 voltios en los pines correspondientes. De cualquier manera, la MCU y el módulo de radio continúan recibiendo el bajo voltaje de la batería. Por lo tanto, las señales del sensor de 5 voltios sólo se pueden suministrar a los pines de E/S a través de un divisor de tensión.

Dependiendo del tipo de batería y de su estado de carga, el convertidor puede mantener una corriente de salida de hasta 150 mA al nivel de tensión seleccionado. Para picos de corriente, hemos proporcionado un condensador de reserva con una generosa capacidad. Los motores eléctricos y las unidades de disco magnético en particular pueden generar picos de corriente de encendido muy altos y, por lo tanto, provocar una caída de tensión inadmisiblemente grande en toda la tarjeta LongRa. En tales casos, se deben utilizar fuentes de alimentación externas adicionales.

Concepto de E/S

Las dos filas de pines interiores de la tarjeta LongRa son compatibles con el diseño Arduino Zero. Gracias al amplio equipamiento de nuestra tarjeta, el sistema ya tiene preasignados internamente varios pines. Se tratan en el código fuente de la misma manera que el Arduino Zero y se pueden usar en algunos casos para sus propias aplicaciones – véase el diagrama de conexión. Para los nodos de sensores comunes, hay suficientes conexiones digitales, analógicas, seriales, I2C (Inter-Integrated Circuit) e ISP (In-System Programming) disponibles.

Tenga en cuenta que ATMEL SAM D21 sólo es tolerante a la tensión de hasta 3,3 voltios y que todas las señales por encima de 3,3 voltios deben ser reducidas en consecuencia por un divisor de tensión.

Asignación de pines en una tarjeta LongRa con el gestor de arranque Arduino Zero (rev. 7.5 y posteriores)

Asignación de pines en una tarjeta LongRa con el gestor de arranque Arduino Zero (rev. 7.2)

En el lado izquierdo de la tarjeta – la antena apunta hacia arriba – hay un puerto de pantalla o ranura ISP desarrollado por nosotros. Además de las líneas ISP habituales, hay dos líneas de E/S y conexiones de 3,3 voltios. Esto significa que una pantalla TFT a color o cualquier otro suscriptor ISP puede conectarse a la tarjeta con una sola tira de conectores.

En el funcionamiento con batería, se proporcionan 3,3 voltios en el puerto de pantalla del convertidor. Dado que algunos sensores pueden presentar grandes cargas parasitarias a través de sus líneas de E/S, la línea GND también se desconecta a través de un MOSFET de canales N en este puerto, que corta completamente la alimentación del puerto de pantalla.

En el lado derecho hemos proporcionado una fila de pines para la depuración profesional de software. Las conexiones para SWDate, SWClock, así como una interfaz en serie y la tensión de funcionamiento permiten el uso de un único conector para una fácil programación y depuración.

Para facilitar la operación del programa sin hardware externo, hemos proporcionado un botón de reinicio, 4 botones de uso libre y 3 LEDs. La disposición de los botones está especialmente diseñada para la navegación por la pantalla. Además del LED estándar de Arduino en el pin 13, el Arduino Zero proporciona un LED RX y un LED TX. Estos también pueden ser utilizados libremente por el usuario a través de las líneas digitales 25 o 26. Nuestro software RadioShuttle lo utiliza, por ejemplo, para mostrar la información de transmisión y recepción.

Pantalla OLED

Véase Funcionamiento de la Tarjeta ECO Power con una Pantalla OLED.

Gestión de energía

El software RadioShuttle suministrado con la tarjeta LongRa está sintonizado con este hardware. Por medio de varios algoritmos de ahorro de energía que van desde la optimización del tamaño de los paquetes hasta la reducción automática de la potencia de transmisión con buenas relaciones de transmisión, es un componente esencial de la gestión madura de la energía.

Como se mencionó anteriormente, hemos diseñado la tarjeta para que sea lo más eficiente posible en el uso de la energía para lograr una larga vida útil de la batería. En resumen, estas medidas incluyen el controlador de 3,3 voltios desconectable eléctricamente, el uso de MOSFETs con la mayor resistencia posible para las funciones de conmutación y un diseño de circuito de baja corriente de reposo.

Gracias al uso de todas las funciones de suspensión y al uso específico del convertidor de 3,3/5 voltios para la programación de sensores, esta solución de LoRa Arduino hace posible que cualquier persona pueda configurar fácilmente sensores inalámbricos que funcionen con baterías.

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Ficha técnica (PDF)

10 septiembre de 2017 – Rainer Radow