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Solution clé en main Arduino 32-bit LoRa
La carte LongRa clé en main compatible Arduino Zero peut être utilisée immédiatement dans l’environnement Arduino original. Le logiciel de protocole radio RadioShuttle inclus permet la communication de nœud à nœud sans routeurs et serveurs supplémentaires. La solution est conçue pour le fonctionnement sur piles (2x compartiment piles AA), mais peut également fonctionner avec une alimentation externe. Un emplacement Arduino standard permet une extension de 3,3 V ou 5 V. Tout simplement ingénieux.
Puissance de calcul avec processeur ARM 32 bits
Notre carte LongRa est construite autour d’un processeur ARM 32 bits (MCU) d’ATMEL. Exactement ce processeur ATMEL SAM D21 avec 256 kB Flash et 32 kB RAM est également installé sur l’Arduino Zero ou Genuino Zero. La carte est connectée à l’ordinateur Windows, Linux ou Mac via un port USB. Grâce au chargeur d’amorçage Arduino préinstallé, il est reconnu par le système d’exploitation et l’IDE Arduino comme Arduino/Genuino Zero. Bien entendu, vous pouvez également l’utiliser via le Studio ATMEL ou d’autres environnements de programmation comme « Mbed ».
RFM95 module radio LoRa
Comme module radio LoRa, nous utilisons le module émetteur-récepteur RFM95 868/915 MHz de HopeRF. Il est spécifié pour une puissance d’émission constante maximale de +20 dBm ou 100 mW, alors que dans l’UE, nous ne sommes pas autorisés à dépasser une puissance d’émission effective de +14 dBm. Le bilan de liaison réalisable, qui représente approximativement la qualité de la liaison radio totale avec toutes les pertes et tous les gains, est donné par le fabricant à 168 dB. La puce LoRa installée sur le module RFM95 est basée sur le développement du Semtech SX1276.
Les lignes de signaux essentielles du module RFM95 sont directement connectées à l’ATMEL SAM D21. Cela permet à notre logiciel RadioShuttle de contrôler toutes les fonctionnalités du module. Et il n’y a aucune restriction matérielle sur votre propre créativité et le plaisir d’expérimenter lors du développement et du test d’autres protocoles radio.
Un simple fil suffit pour l’antenne, que vous soudez à la carte et réglez vous-même. Si vous souhaitez installer des antennes pré-assemblées, vous trouverez également des pastilles de soudure pour connecteurs SMA et U.FL sur le dessus de la carte.
Alimentation électrique flexible
Nous avons essayé de rendre l’alimentation du circuit aussi modulaire que possible. Lors de la programmation, la carte peut être complètement alimentée via USB. Un simple transformateur de tension maintient alors toute la carte de circuit imprimé prête à fonctionner à 3,3 volts. Si vous souhaitez utiliser une alimentation externe, vous trouverez une entrée séparée pour une tension d’alimentation entre 5 et 7 volts sur la carte. Cette entrée utilise le même contrôleur que la prise USB.
Un compartiment pour 2 piles AA est installé de façon permanente à l’arrière de la carte de circuit imprimé. Des piles ou des accumulateurs peuvent être utilisés ici. Comme le processeur et le module radio fonctionnent de manière stable et sans perte de puissance dans une plage de tension comprise entre 2,1 et 3,5 volts, aucun régulateur de tension n’est connecté entre eux. Ceci est particulièrement économique en énergie et garantit une longue durée de fonctionnement indépendamment du réseau électrique. Qui voudrait utiliser d’autres batteries externes, trouve naturellement aussi pour lui une connexion appropriée.
Le cavalier permet de choisir entre le fonctionnement sur batterie ou sur secteur. Ceci empêche le contrôleur d’« aspirer » la batterie vers l’arrière. Le même contact enfichable peut être utilisé, par exemple, également pour un interrupteur marche/arrêt sur le propre boîtier du module capteur.
Convertisseur Boost
Différents capteurs et actionneurs nécessitent une tension d’alimentation régulée de 3,3 volts ou 5 volts pour un fonctionnement fiable. Afin de pouvoir alimenter de tels dispositifs de commutation externes supplémentaires malgré des tensions de batterie faibles, nous avons équipé la carte LongRa d’un convertisseur Boost réglable. En mode radio et informatique normal, il est éteint pour économiser de l’énergie. Il peut être allumé à tout moment via le logiciel et peut fournir 3,3 volts ou 5 volts aux broches correspondantes. Le MCU et le module radio continuent à s’alimenter avec la faible tension de la batterie. C’est pourquoi les signaux de capteur de 5 volts ne doivent être transmis aux broches d’E/S que par l’intermédiaire d’un diviseur de tension.
Selon le type de batterie et l’état de charge, le convertisseur peut maintenir un courant de sortie jusqu’à 150 mA au niveau de tension sélectionné. Nous avons fourni un condensateur de support généreusement dimensionné pour les pics de courant. Les moteurs électriques et les entraînements magnétiques en particulier peuvent générer des pointes de courant d’appel très élevées et provoquer ainsi un creux de tension inadmissiblement important sur l’ensemble de la carte LongRa. Dans ce cas, des sources d’alimentation externes supplémentaires doivent être utilisées.
Concept E/S
Les deux lignes intérieures de l’en-tête à deux broches de la carte LongRa sont compatibles avec la disposition 1:1 de l’Arduino zéro. Grâce à l’équipement complet de notre carte, différentes broches sont déjà préréglées en interne par le système. Ils sont adressés dans le code source de la même manière qu’avec Arduino Zero et peuvent toujours être utilisés pour des applications propres – voir schéma de connexion. Dans tous les cas, il y a suffisamment de connexions digitales, analogiques, série, I2C (Circuit Inter-Intégré) et ISP (Programmation dans le Système) disponibles pour les nœuds de capteurs communs.
Remarque :
Veuillez noter que l’ATMEL SAM D21 n’est tolérant que la tension jusqu’à 3,3 Volt et que tous les signaux supérieurs à 3,3 Volt doivent être réduits en conséquence par un diviseur de tension.
Affectation des broches sur la carte LongRa avec le chargeur d’amorçage Arduino Zero (révision 7.2)
Sur le côté gauche de la carte – l’antenne pointe vers le haut – il y a un port d’affichage ou un slot ISP que nous avons développé. En plus des lignes ISP habituelles, il y a deux lignes d’E/S et des connexions 3,3 volts. Ainsi, un écran couleur TFT ou tout autre abonné ISP peut être connecté à la carte avec une seule barrette de connecteurs.
En mode batterie, les 3,3 volts sont fournis au port d’affichage par le convertisseur de tension. Comme certains capteurs peuvent représenter des charges parasites importantes via leurs lignes d’E/S, la ligne GND de ce port est également désactivée via le MOSFET à n canaux, qui coupe complètement l’alimentation électrique du port d’affichage.
Sur le côté droit, nous avons une série de broches pour le débogage de logiciels professionnels. Les connexions pour SWDate, SWClock ainsi qu’une interface série et la tension de service permettent l’utilisation d’un seul connecteur pour une programmation et un débogage faciles.
Pour une utilisation confortable du programme sans matériel externe, nous avons prévu un bouton « Reset », 4 boutons librement utilisables et 3 LEDs. La disposition des touches est spécialement conçue pour la navigation à l’écran. En plus de l’Arduino LED habituel sur la broche 13, l’Arduino Zero possède une LED RX et une LED TX. Ceux-ci peuvent également être utilisés librement par l’utilisateur via les lignes numériques 25 ou 26. Notre logiciel RadioShuttle, par exemple, l’utilise pour afficher les transmissions et les reçus.
Écran OLED
Voir Utilisation de la carte ECO Power avec écran OLED.
Gestion de l’énergie
Comme mentionné ci-dessus, nous avons conçu la carte pour être aussi économe en énergie que possible afin d’obtenir une longue durée de vie de la batterie. En résumé, ces mesures comprennent le contrôleur de 3,3 volts électriquement déconnectable, l’utilisation de transistors MOSFET à haute impédance de blocage pour les fonctions de commutation et une conception de circuit de courant de repos globalement faible.
Le logiciel RadioShuttle fourni avec la carte LongRa est adapté à ce matériel. Grâce à différents algorithmes d’économie d’énergie allant de l’optimisation de la taille des paquets jusqu’à la réduction de la puissance de transmission automatique avec de bons rapports de transmission, il représente une composante essentielle de la gestion de l’énergie mature.
Grâce à l’utilisation de toutes les fonctions de veille et à l’utilisation ciblée du convertisseur de tension 3,3 à 5 volts dans la programmation des capteurs, cette solution LoRa Arduino permet à tous de configurer facilement des capteurs sans fil alimentés par batterie.
Continuer avec Mise en Service
10 septembre 2017 – Rainer Radow