Das Turtle-Board und die Technik

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Schlüsselfertige LoRa-Lösung mit 10 Jahren Batteriebetrieb

Mit der LoRa-Funktechnik können Sensoren im kostenlosen ISM-Band mit kleinen Dateneraten über große Entfernungen zwischen 200 m und 20 km kommunizieren.

Die schlüsselfertige Turtle-Lösung ist sofort betriebsbereit. Die mitgelieferte Protokoll-Software „RadioShuttle“ ermöglicht die Kommunikation von Knoten zu Knoten ohne die Notwendigkeit zusätzlicher Router oder Server. Das Turtle LoRa-Board von HelTec Automation läuft mithilfe der drahtlosen energiesparenden „RadioShuttle“ LoRa-Funkprotokoll-Software 10 Jahre im Batteriebetrieb (Standardbatterien oder NiMH-Akkus), kann aber auch mit einer externen Stromversorgung über USB betrieben werden.

Die wegweisende LoRa-Funklösung eignet sich ideal für vieler industrielle und IoT-Anwendungen.

Energieoptimiert durch stromsparende MCU STM32L432

Durch das durchgängig energieoptimierte Hardware-Design des Turtle-Boards in Kombination mit einem stromsparenden STM32L432-Prozessor von STMicroelectronics ist die Turtle LoRa-Lösung perfekt für den Batteriebetrieb geeignet. Das Board kann zum Programmieren und Logging über einen USB-Anschluss an einen Windows-, Linux- oder Mac-Computer angeschlossen werden.

Integrierter LoRa-Funkchip

Der LoRa-Funkchip ist für eine maximale konstante Sendeleistung von +17 dBm bzw. 50 mW spezifiziert, wobei wir in der EU eine effektive Abstrahlleistung von +14 dBm nicht überschreiten dürfen. Das erzielbare Link Budget, welches grob gesagt die Qualität der Gesamten Funkstrecke mit allen Verlusten und Gewinnen darstellt, wird mit 168 dB angegeben. Der Chip basiert auf der Semtech SX1276-Entwicklung.

Flexible Spannungsversorgung

Die Stromversorgung für das Turtle-Board kann über zwei AAA-Batterien erfolgen. Dafür gibt es einen auf der Rückseite des Boards fest installierten Batteriehalter (für Standard oder NiMH-Akkus). Dies ist besonders energiesparend und garantiert eine lange netzunabhängige Betriebszeit von bis zu 10 Jahren.

Alternativ lässt sich das Board auch über eine externe Batterie am micro-USB-Anschluss versorgen oder über eine externe Versorgungsspannung von 3,4-5 Volt am VIN-Pin. Die Wahl der Stromversorgung, Batterie oder USB/extern, erfolgt automatisch, wobei USB immer Vorrang hat. Fällt die USB-Stromversorgung aus, wird automatisch auf Batterie bzw. Akku umgestellt.

IO-Konzept

Die zwei Reihen von Stiftleisten auf dem Turtle-Board sind mit den Signalen der STM32 MCU, VDD-Power und softwaregeschalteten Power (VEXT) verbunden. Diverse Pins sind bereits intern vom System vorbelegt und können teilweise zusätzlich für eigene Anwendungen verwendet werden. Details dazu sind in der Datei „PinMap.h“ sowie im Anschlussdiagramm unten ersichtlich. Für die gängigen Sensor-Nodes stehen auf jeden Fall genügend Digital-, Analog-, Seriell-, I²C- und Spannungsanschlüsse zur Verfügung.

Auf der linken Seite des Boards – die SMA-Antenne zeigt nach rechts – befinden sich die Reset- sowie die User-Taste.

Zwei LEDs (grün und rot) sind neben dem USB-Anschluss positioniert.

Beim RadioShuttle LoRa-Funkbetrieb leuchtet die grüne LED beim Senden und die rote LED beim Empfang von Funkdaten. Zusätzlich blitzt die rote LED alle 2 Sekunden kurz auf, um zu signalisieren, dass das Board aktiv ist. Die IO-Leitungen der LEDs können, falls erforderlich, doppelt genutzt werden. Hierfür ist eine Schnittstelle (2 x 4 Pins) für STLink-kompatibles Remote-Debugging vorhanden.

Professionelle Softwareentwicklung (Arm Mbed IDE)

Mit der schlüsselfertige und sehr einfach zu bedienende Online-IDE können Anfänger, Fortgeschrittene oder mehrköpfige Entwicklungstems sofort eigene IoT-Lösungen entwickeln. Mit der Mbed IDE ist das kein Problem. In Minutenschnelle ist die Turtle Peer-to-Peer LoRa-Funkprotokoll Demo-Software „RadioTest“ geladen, kompiliert, kann heruntergeladen und genutzt werden.

RTC-Uhr

Die MCU verfügt über eine integrierte RTC-Uhr, welche, solange das Board mit Strom versorgt ist, die genaue Zeit liefert. Die RTC-Uhr läuft auch bei minimalster Stromaufnahme („deepsleep“) weiter und kann die MCU bei Bedarf aufwecken.

Temperatur- und Luftfeuchtigkeitssensor (optional)

Der optionale Sensor benötigt im Ruhezustand sehr wenig Strom (< 1 µA) und erlaubt eine regelmäßige präzise Messung der Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Um den Sensor möglichst flexibel gemäß den Anforderungen einzusetzen, kann dieser auf die Debugger-Stiftleiste (im Lieferumfang enthalten, muss auf das Board gelötet werden) gesteckt werden. Alternativ kann der Sensor auch mit einem Kabel extern positioniert werden. Die Software zum Auslesen des Sensors ist in der RadioShuttle-Software integriert. Anstecken und fertig!

OLED-Display (optional)

Ein optional erhältliches OLED-Display kann mit der I²C-Stiftleiste verbunden werden. Siehe „ECO Power“-Board mit OLED-Display betreiben.

Ethernet-Modul (optional)

Mit einem optional erhältlichen W5500 Ethernet-Modul lässt sich das Board um einen 10/100-Ethernet-Anschluss mit TCP/IP-Netzwerktechnik erweitern. Netzwerk-Softwaretreiber mit Beispielen sind in der RadioShuttle-Software für das Turtle-Board enthalten.

Energiemanagement

Wir das Board so energiesparend wie möglich ausgelegt, um eine lange Batterielebensdauer zu erzielen. Dazu gehört die Verwendung möglichst hochohmig sperrender MOSFETs für die Stromversorgung und Schaltfunktionen sowie ein insgesamt ruhestromarmer Schaltungsaufbau.

Die mit dem Turtle-Board ausgelieferte RadioShuttle-Software ist auf diese Hardware abgestimmt. Durch diverse energiesparende Algorithmen von der Paketgrößenoptimierung über die automatische Reduzierung der Sendeleistung bei guten Übertragungsverhältnissen, bis hin zur Verwendung der „sleep“- und „deepsleep“-Funktionen der MCU sind sie ein wesentlicher Baustein des ausgereiften Energiemanagements.

Durch Nutzung der RadioShuttle-Beispielsoftware mit integrierter Stromsparfunktion gelingt mit dieser LoRa-Lösung unter dem Strich jedermann der einfache Aufbau von batteriebetriebenen Funksensoren.

RadioShuttle MQTT-Gateway

Die RadioShuttle-Software beinhaltet ein MQTT-Gateway, welches eine Verbindung zwischen der RadioShuttle Station, mit den verbundenen Nodes, und einem MQTT-Server herstellt. Dadurch ist der bidirektionale Austausch von Nachrichten zwischen MQTT und LoRa möglich.
Beschreibung des RadioShuttle-Gateways

„MQTT Push Client“ App

MQTT-Topics, die in der „MQTT Push Client“-App definiert worden sind, werden vom RadioShuttle MQTT Push-Server überwacht. Bei Aktivierung werden diese Topics unverzüglich an die App weitergeleitet, welche die Meldung dann als Push-Benachrichtigung anzeigt, optional mit einem Benachrichtigungston.
Beschreibung MQTT Push Client (App)

Lieferumfang

In der „ECO Power“-Lieferung enthaltene Komponenten (je Board):

  • Turtle-Board mit LoRa
  • SMA-Antenne
  • Stiftleisten (2×14) für Zusatzgeräte (bereits eingelötet)
  • Stiftleisten (2×4) für Debugger

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

Weiter mit Inbetriebnahme

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