Radiov´ y modul pro energetick´ y dohledov´ y syst´ em
Diplomov´ a pr´ ace
Studijn´ı program: N2612 – Elektrotechnika a informatika
Studijn´ı obor: 3902T005 – Automatick´e ˇr´ızen´ı a inˇzen´yrsk´a informatika Autor pr´ace: Bc. Josef Krac´ık
Vedouc´ı pr´ace: Ing. Tom´aˇs Martinec, Ph.D.
Radio module for power monitoring system
Master thesis
Study programme: N2612 – Electrical Engineering and Informatics
Study branch: 3902T005 – Automatic Control and Applied Computer Science
Author: Bc. Josef Krac´ık
Supervisor: Ing. Tom´aˇs Martinec, Ph.D.
Tento list nahrad’te
origin´ alem zad´ an´ı.
Prohl´ aˇ sen´ı
Byl jsem sezn´amen s t´ım, ˇze na mou diplomovou pr´aci se plnˇe vzta- huje z´akon ˇc. 121/2000 Sb., o pr´avu autorsk´em, zejm´ena § 60 – ˇskoln´ı d´ılo.
Beru na vˇedom´ı, ˇze Technick´a univerzita v Liberci (TUL) neza- sahuje do m´ych autorsk´ych pr´av uˇzit´ım m´e diplomov´e pr´ace pro vnitˇrn´ı potˇrebu TUL.
Uˇziji-li diplomovou pr´aci nebo poskytnu-li licenci k jej´ımu vyuˇzit´ı, jsem si vˇedom povinnosti informovat o t´eto skuteˇcnosti TUL;
v tomto pˇr´ıpadˇe m´a TUL pr´avo ode mne poˇzadovat ´uhradu n´aklad˚u, kter´e vynaloˇzila na vytvoˇren´ı d´ıla, aˇz do jejich skuteˇcn´e v´yˇse.
Diplomovou pr´aci jsem vypracoval samostatnˇe s pouˇzit´ım uveden´e literatury a na z´akladˇe konzultac´ı s vedouc´ım m´e diplomov´e pr´ace a konzultantem.
Souˇcasnˇe ˇcestnˇe prohlaˇsuji, ˇze tiˇstˇen´a verze pr´ace se shoduje s elek- tronickou verz´ı, vloˇzenou do IS STAG.
Datum:
Podpis:
Abstrakt
V pr˚umyslu se ˇcasto vyskytuje komplikace pˇri pˇrenosu informace na velkou vzd´alenost t´ım, kdy jeden z mˇeˇric´ıch radiov´ych mo- dul˚u nem˚uˇze b´yt nap´ajen z elektrick´e s´ıtˇe. N´aslednˇe tedy doch´az´ı k pouˇzit´ı akumul´atoru ˇci baterie pro provoz dan´eho syst´emu. C´ılem t´eto pr´ace bylo proto vybrat a naprogramovat nˇekolik r˚uzn´ych ˇreˇsen´ı od odliˇsn´ych v´yrobc˚u a porovnat jejich nejd˚uleˇzitˇejˇs´ı vlast- nosti (napˇr. cena, v´ydrˇz baterie ˇci celkov´y odeb´ıran´y proud, v´ykon pˇri vys´ıl´an´ı nebo pˇr´ıjmu, dosah atd.). Po zahrnut´ı vˇsech tˇechto krit´eri´ı ˇci parametr˚u pak navrhnout ploˇsn´y spoj bezdr´atov´eho mo- dulu (vys´ılaˇc i pˇrij´ımaˇc), kter´y by byl plnˇe pouˇziteln´y pro d´alkov´y odeˇcet spotˇreby r˚uzn´ych energi´ı (vody, plynu atd.). Tato diplomov´a pr´ace byla ˇreˇsena ve spolupr´aci s firmou Solar Monitor s.r.o.
Kl´ıˇ cov´ a slova:
bezdr´atov´y modul, baterie, odbˇer proudu, programov´an´ı, ploˇsn´y spoj
Abstract
One of the most interesting complication in industry is sending an information over the air by radio modules but only one is powered from electricity network. The second one is powered by a battery. The aim of this work was to select and program several different solutions from different manufacturers and compare their most important characteristics (eg. price, battery life, performance in broadcasting, outreach etc.). After the inclusion of these cri- teria or parameters make a printed circuit board of wireless mo- dule (transmitter and receiver), which would be fully usable for remote reading of consumption various energies (water, gas etc.).
This thesis was carried out in collaboration with Solar Monitor Ltd.
Key words:
wireless module, batteries, current consumption, programming, printed circuit board
Podˇ ekov´ an´ı
R´ad bych podˇekoval Ing. Tom´aˇsi Martincovi, Ph.D. za ochotu, od- born´e rady a cenn´e pˇripom´ınky, kter´e v´yraznˇe pˇrispˇely k vypra- cov´an´ı t´eto diplomov´e pr´ace. D´ale bych pak r´ad podˇekoval Ing.
Duˇsanu Ferbasovi a zamˇestnanc˚um firmy Solar Monitor s.r.o.
Obsah
Seznam zkratek . . . 12
1 Uvod´ 14 2 Frekvenˇcn´ı p´asma v ˇCR 15 2.1 ISM p´asma . . . 15
2.2 Zaˇr´ızen´ı kr´atk´eho dosahu . . . 16
2.3 Modulace . . . 16
2.3.1 Analogov´a modulace . . . 16
2.3.2 Digit´aln´ı modulace . . . 17
3 Reˇˇ sen´ı s mikrokontrol´ery architektury AVR 21 3.1 Popis hardwaru s AVR . . . 21
3.1.1 Radino HW . . . 23
3.1.2 Anarduino HW . . . 25
3.2 Programov´an´ı a software Arduino . . . 26
4 STMicroelectronics ˇreˇsen´ı 30 4.1 Popis hardwaru ST . . . 30
4.2 Programov´an´ı a software ST . . . 33
5 Texas Instruments ˇreˇsen´ı 35 5.1 Popis hardwaru TI . . . 35
5.2 Programov´an´ı a software TI . . . 37
6 N´avrh fin´aln´ıho ˇreˇsen´ı 40 6.1 Porovn´av´an´ı dosaˇzen´ych v´ysledk˚u . . . 40
6.2 N´avrh hardwarov´e ˇc´asti . . . 42
6.2.1 SM2-RF . . . 43
6.2.2 SM2-RF BASE . . . 46
6.2.3 Osazovac´ı varianty . . . 48
6.3 Programov´an´ı, testov´an´ı a mˇeˇren´ı . . . 51
7 Z´avˇer 56 Literatura . . . 57
A Blokov´e diagramy 65
B Programovac´ı k´ody 69
C Ostatn´ı obr´azky 74
D Obsah pˇriloˇzen´eho CD 89
Seznam obr´ azk˚ u
2.1 Modulace . . . 17
2.2 Druhy analogov´ych modulac´ı . . . 19
2.3 Druhy digit´aln´ıch modulac´ı . . . 20
3.1 RF69HCW + ATmega328P na univerz´aln´ı DPS . . . 21
3.2 RF69 vnitˇrn´ı propojen´ı (pˇrevzato z [12]) . . . 23
3.3 Radino RF69 na Spider boardu . . . 24
3.4 Radino RF69 pinout (pˇrevzato z [12]) . . . 24
3.5 Reˇsen´ı Anarduino . . . 26ˇ 3.6 AVRDude v termin´alu . . . 27
3.7 Testovac´ı sch´ema zapojen´ı . . . 28
4.1 X-NUCLEO-IDS01A4 s SPSGRF-868 . . . 31
4.2 NUCLEO-L053R8 . . . 32
4.3 NUCLEO-L053R8 s X-NUCLEO-IDS01A4 boardem . . . 33
5.1 Blokov´e sch´ema CC1310 (pˇrevzato z [39] str. 36) . . . 36
5.2 LAUNCHXL-CC1310 . . . 37
5.3 Pˇrenos pulz˚u v programu PuTTY . . . 39
6.1 Maxim´aln´ı dosah vˇsech ˇreˇsen´ı (pˇrevzato z [44]) . . . 41
6.2 SM2-RM-GSM (pˇrevzato z [47]) . . . 42
6.3 Obrys fin´aln´ıho ˇreˇsen´ı . . . 43
6.4 Sloˇzen´ı vrstev ploˇsn´eho spoje . . . 45
6.5 Pohled na fin´aln´ı ˇreˇsen´ı ve 3D shora . . . 47
6.6 Pohled na fin´aln´ı ˇreˇsen´ı ve 3D ze strany konektoru pro S0 vstupy . . 47
6.7 SM2-RF + BASE osazovac´ı varianta vys´ılaˇce s RS485 . . . 48
6.8 SM2-RF + BASE osazovac´ı varianta vys´ılaˇce s S0 vstupy . . . 49
6.9 SM2-RF + BASE osazovac´ı varianta vys´ılaˇc/pˇrij´ımaˇc na baterii . . . 50
6.10 SM2-RF osazovac´ı varianta vys´ılaˇc/pˇrij´ımaˇc + SM2-RM . . . 50
6.11 ˇC´asteˇcn´e osazen´ı SM2-RF . . . 51
6.12 V´yˇrez sch´ema procesorov´e ˇc´asti . . . 51
6.13 Oˇsetˇren´ı pulzn´ıho vstupu . . . 52
6.14 Testov´an´ı S0 vstupu s elektromˇerem . . . 52
6.15 Detail testovac´ıho tlaˇc´ıtka + varianta SM2-RF s SM2-RM . . . 53
6.16 Test odeslan´ych pulz˚u z SM2-RF . . . 53
6.17 Sch´ema rozhran´ı RS485 . . . 54
6.18 Pˇr´ıprava spektr´aln´ıho analyz´atoru . . . 55
6.19 Pˇr´ıprava ant´eny . . . 55
A.1 Blokov´e sch´ema pˇrij´ımaˇce pro ˇreˇsen´ı na nep´ajiv´em poli a radina . . . 65
A.2 Blokov´e sch´ema vys´ılaˇce pro ˇreˇsen´ı na nep´ajiv´em poli a radina . . . . 66
A.3 Blokov´e sch´ema pˇrij´ımaˇce pro ˇreˇsen´ı Anarduino . . . 67
A.4 Blokov´e sch´ema vys´ılaˇce pro ˇreˇsen´ı Anarduino . . . 68
B.1 Inicializace RF modulu radina (pˇrevzato z [26]) . . . 69
B.2 Inicializace RF modulu Anarduina a ˇreˇsen´ı na nep´ajiv´em poli (pˇrevzato z [25]) . . . 70
B.3 Struktura usp´avaj´ıc´ı mikrokontrol´er a RF modul (pˇrevzato z [37]) . . 71
B.4 Definice RF modulu a nastaven´ı paketu . . . 73
C.1 Pˇrij´ımac´ı modul Arduino um´ıstˇen´y v modulu SM2-RM-GSM . . . 74
C.2 Vys´ılac´ı modul Arduino ve speci´aln´ım plastov´em boxu . . . 75
C.3 Porovn´avac´ı graf Nucelo board˚u z hlediska ˇrady a pamˇeti flash (pˇrevzato z [30]) . . . 76
C.4 Import projektu v programu System Workbench for STM32 . . . 77
C.5 Pohled na fin´aln´ı ˇreˇsen´ı ve 3D ze strany RJ45 konektoru . . . 78
C.6 Pohled na fin´aln´ı ˇreˇsen´ı ve 3D z boku . . . 79
C.7 Programov´an´ı SM2-RF . . . 79
C.8 Spotˇreba CC1310 s minim´aln´ım osazen´ım . . . 80
C.9 Z´aznam s´eriov´e komunikace pˇrij´ımaˇce S0 vstupu . . . 81
C.10 Testov´an´ı rozhran´ı RS485 . . . 82
C.11 Sledov´an´ı komunikace RS485 v programu PuTTY . . . 83
C.12 Sledov´an´ı komunikace RS485 pomoc´ı osciloskopu . . . 84
C.13 GUI programu MCS Realtime Spectrum Analzyer Software . . . 85
C.14 Spektrum v programu MCS Realtime Spectrum Analzyer Software . . 86
C.15 Vygenerovan´e spektrum pro SM2-RF . . . 87
C.16 Vygenerovan´e spektrum pro TI LaunchPad . . . 88
Seznam tabulek
2.1 ISM p´asma v ˇCR (pˇrevzato z [1]) . . . 16
3.1 V´ystupn´ı zes´ılen´ı RF modulu RF69HW (pˇrevzato z [8]) . . . 22
3.2 Spotˇreba a dosah radino modul˚u spolu s ˇreˇsen´ım na nep´ajiv´em poli . 28 3.3 Spotˇreba a dosah ˇreˇsen´ı Anarduino . . . 29
4.1 Spotˇreba a dosah STM ˇreˇsen´ı . . . 34
5.1 Spotˇreba a dosah TI ˇreˇsen´ı . . . 39
6.1 Spotˇreba a dosah vˇsech ˇreˇsen´ı . . . 40
6.2 V´yˇrez hodnot z datasheetu TPL5111 (pˇrevzato z [51]) . . . 44
Seznam zkratek
3G oznaˇcen´ı tˇret´ı generace mobiln´ıch telekomunikaˇcn´ıch technologi´ı ADC Analog-to-Digital Conversion, pˇrevod analogov´eho sign´alu na di-
git´aln´ı
AES Advanced Encryption Standard, standardizovan´y algoritmus pouˇz´ıvan´y k ˇsifrov´an´ı dat
AVR Alf (Egil Bogen) Vegard (Wollan) Risc procesor, RISC mikropro- cesor od firmy Atmel
ARM Advanced RISC Machine, druh architektury mikroprocesor˚u BIOS Basic Input-Output System, poˇc´ateˇcn´ı firmware zajiˇst’uj´ıc´ı iniciali-
zaci a konfiguraci pˇripojen´eho hardwaru
CCS Code Composer Studio, v´yvojov´e studio podporuj´ıc´ı mikrokont- rol´ery od firmy Texas Instruments
COM COMmon, oznaˇcen´ı s´eriov´eho portu
CPU Central Procesing Unit, souˇc´astka vykon´avaj´ıc´ı strojov´y k´od z operaˇcn´ı pamˇeti
DAC Digital-to-Analog Conversion, pˇrevod digit´aln´ıho sign´alu na analo- gov´y
DMA Direct Memory Access, pˇr´ım´y pˇr´ıstup do pamˇeti DPS Deska Ploˇsn´ych Spoj˚u
EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, elektricky mazateln´a nonvolatiln´ı pamˇet’
ESD Electrostatic discharge, elektrostatick´y v´yboj GND GrouND, oznaˇcen´ı zemn´ıc´ıho vodiˇce
GNU GNU’s Not Unix, projekt zamˇeˇren´y na svobodn´y software
GPIO General-purpose Input/Output, nastaviteln´a vlastnost pinu na vstup ˇci v´ystup
GPS Global Positioning System, glob´aln´ı polohov´y syst´em
GSM Groupe Sp´ecial Mobile, Glob´aln´ı Syst´em pro mobiln´ı komunikaci HBUS speci´aln´ı druh sbˇernice pro komunikaci mezi jednotkami
a rozˇsiˇruj´ıc´ımi moduly firmy Solar Monitor
HID Human Interface Device, zaˇr´ızen´ı pro komunikaci uˇzivatele s PC I2C Internal-Integrated-Circuit, komunikaˇcn´ı sbˇernice mezi dvˇema in-
tegrovan´ymi obvody
IDE Integrated Development Environment, integrovan´e v´yvojov´e prostˇred´ı
ISM Industrial, Scientific and Medical, frekvenˇcn´ı p´asmo urˇcen´e pro pr˚umyslov´e, vˇedeck´e a l´ekaˇrsk´e ´uˇcely
JTAG Joint Test Action Group, zp˚usob pro testov´an´ı a programov´an´ı mi- kroprocesor˚u a pamˇet´ı
JSC druh koaxi´aln´ıho konektoru
LDO Low-Drop-Out regulator, line´arn´ı regul´ator napˇet´ı
LED Light-Emitting Diode, polovodiˇcov´a elektronick´a souˇc´astka vyzaˇruj´ıc´ı svˇetlo
M-BUS Meter Bus, pr˚umyslov´y komunikaˇcn´ı protokol urˇcen´y pro d´alkov´y odeˇcet hodnot z mˇeˇriˇc˚u spotˇreby
MCU Micro Controler Unit, jin´y v´yznam pro mikrokontrol´er OS Operating System, zkratka pro operaˇcn´ı syst´em
OTA Over-the-air, programov´an´ı neboli posl´an´ı k´odu bezdr´atovˇe do c´ılen´eho zaˇr´ızen´ı
PCB Printed Circuit Board, jin´e oznaˇcen´ı pro desku ploˇsn´eho spoje QFN Quad Flat No-leads package, druh pouzdra integrovan´eho obvodu RAM Random-Access Memory, pamˇet’ urˇcen´a ke ˇcten´ı a z´apisu, po vy-
pnut´ı nap´ajen´ı ztr´ac´ı data
RF Radio Frequency, r´adiov´a frekvence
RP-SMA Reverse-Polarity SubMiniature version A, druh koaxi´aln´ıho konek- toru s opaˇcnou polaritou
RTC Real-Time Clock, hodiny re´aln´eho ˇcasu RS232 typ rozhran´ı s´eriov´e komunikace
RS422 typ rozhran´ı s´eriov´e komunikace RS485 typ rozhran´ı s´eriov´e komunikace S0 druh vstupu pro mˇeˇren´ı spotˇreby
SM2-RM druh modulu firmy Solar Monitor umoˇzˇnuj´ıc´ı odeˇcty mˇeˇridel SMA SubMiniature version A, druh koaxi´aln´ıho konektoru
SPI Serial Peripheral Interface, s´eriov´e rozhran´ı mezi dvˇema integro- van´ymi obvody
SRAM Static Random Access Memory, druh pamˇeti RAM, nepotˇrebuje periodickou obnovu dat
SRD Short Range Devices, zaˇr´ızen´ı kr´atk´eho dosahu
STM STMicroelectronics, zkr´acen´y n´azev firmy STMicroelectronics SWD Serial Wire Debug, dvouvodiˇcov´e programovac´ı rozhran´ı TI Texas Instruments, zkr´acen´y n´azev firmy Texas Instruments TI-RTOS Texas Instruments-Real Time Operating System, operaˇcn´ı syst´em
firmy Texas Instruments
ULP Ultra-Low-Power, extr´emnˇe n´ızk´a spotˇreba USB Universal Serial Bus, univerz´aln´ı s´eriov´a sbˇernice
USON Ultra-Thin Small Outline No-lead Package, druh pouzdra integro- van´eho obvodu
1 Uvod ´
Snaha o bezdr´atov´y pˇrenos informace zde byla uˇz od nepamˇeti. Pˇres r˚uzn´e kouˇrov´e a svˇeteln´e sign´aly, poˇstovn´ı holuby, praporovou signalizaci atd. se nakonec pˇreˇslo aˇz k radiov´e komunikaci. Za jednoho z prvn´ıch zakladatel˚u t´eto modern´ı komu- nikace je povaˇzov´an italsk´y inˇzen´yr elektrotechniky Guglielmo Marconi, kter´y v roce 1896 zaˇcal realizovat sv´e prvn´ı pokusy s dr´atovou ant´enou pˇripevnˇenou na l´etaj´ıc´ım draku.
Bezdr´atov´a komunikace se v dneˇsn´ı dobˇe provozuje pomoc´ı nejr˚uznˇejˇs´ıch ko- merˇcn´ıch technologi´ı a standard˚u v ISM p´asmu (napˇr. Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee, 3G, GSM, GPS a tak podobnˇe). Dalˇs´ım ˇreˇsen´ım je pouˇzit´ı bezdr´atov´ych modul˚u v p´asmu voln´ych frekvenc´ı (434, 868, 915 MHz atd.), tedy bez licence. Bezlicenˇcn´ı p´asma jsou urˇcena lok´alnˇe, ne celosvˇetovˇe. V ˇCesk´e republice tyto frekvence vy- mezuje ˇCesk´y telekomunikaˇcn´ı ´uˇrad. Na trhu lze nal´ezt spousty radiov´ych modul˚u, kter´e vyuˇz´ıvaj´ı frekvenˇcn´ı k´odov´an´ı k bezdr´atov´emu pˇrenosu dat.
C´ılem t´eto diplomov´e pr´ace je vybrat a pouˇz´ıt tzv. Sub-1 GHz moduly (moduly s frekvenc´ı do jednoho gigahertzu) z aktu´aln´ıho trhu, kter´e maj´ı za ´ukol pˇren´aˇset informaci o stavu pulz˚u na v´ystupu z elektromˇeru, vodomˇeru, plynomˇeru a tak podobnˇe. Kv˚uli moˇznosti pouˇzit´ı zaˇr´ızen´ı i v takov´ych m´ıstech, kde nen´ı dostupn´a elektrick´a s´ıt’, mus´ı b´yt vys´ılaˇc pulz˚u nap´ajen pouze z baterie ˇci akumul´atoru. Do jed- notliv´ych mikroprocesor˚u, propojen´ych pomoc´ı SPI komunikace s vys´ılac´ım ˇcipem postupnˇe naprogramovat a nahr´at k´od vytvoˇren´y v programovac´ım jazyku C. D´ale vybrat takov´a v´yvojov´a prostˇred´ı pro tvorbu softwaru, kter´a nejl´epe splˇnuj´ı d˚uleˇzit´a krit´eria (napˇr. dostupnost, efektivnost, spolehlivost, uˇzivatelskou pˇr´ıvˇetivost, do- poruˇcen´ı v´yrobce MCU a tak d´ale). N´aslednˇe testovat dan´e moduly z hlediska pˇrenosu dat na urˇcitou vzd´alenost, spotˇreby ˇci v´ykonu vys´ılaˇce, spolehlivosti pˇri mˇeˇren´ı pulz˚u apod. Na z´akladˇe tˇechto krit´eri´ı a v´ysledk˚u vybrat nejvhodnˇejˇs´ı ˇr´ıdic´ı mikroprocesor s RF ˇcipem, typ ant´eny, velikost kapacity a typ baterie na stranˇe vys´ılaˇce a r˚uzn´e dalˇs´ı komponenty pro vys´ılac´ı a pˇrij´ımac´ı modul. Posledn´ım bodem t´eto pr´ace je navrhnout ploˇsn´y spoj pro oba dva moduly tak, aby se veˇsly do pˇredem urˇcen´ych plastov´ych krabiˇcek vybran´ych firmou Solar Monitor. Speci´aln´ı krabiˇcky totiˇz zajiˇst’uj´ı snadnou konektivitu mezi ostatn´ımi moduly od t´eto firmy.
2 Frekvenˇ cn´ı p´ asma v ˇ CR
Firma Solar Monitor s.r.o., kter´a byla zaloˇzena v roce 1994, se zab´yv´a v´yvojem modul´arn´ıho syst´emu pro fotovoltaick´e a vˇetrn´e elektr´arny. Jedn´ım z mnoha modul˚u je ˇreˇsen´ı, kter´e odes´ıl´a informace pomoc´ı SMS zpr´avy d´ıky GSM modemu. V tom pˇr´ıpadˇe vznik´a i potˇreba SIM karty v dan´em modulu. Pˇrenos informace pomoc´ı bezdr´atov´eho ˇreˇsen´ı se d´a uskuteˇcnit i jin´ym zp˚usobem, a to pomoc´ı RF modul˚u, kter´e funguj´ı na r˚uzn´ych frekvenc´ıch. Pro v´ybˇer a testov´an´ı pˇr´ısluˇsn´ych ˇreˇsen´ı s ra- diov´ym ˇcipem bylo nejprve zapotˇreb´ı vybrat takov´e frekvenˇcn´ı p´asmo, ve kter´em je pˇren´aˇsen´a informace nejm´enˇe ruˇsena. D´ıky pˇredchoz´ım firemn´ım mˇeˇren´ım na e- lektr´arnˇe bylo ISM p´asmo 433 MHz nedoporuˇcov´ano, kv˚uli v´yrazn´emu ruˇsen´ı. D˚uraz byl t´eˇz kladen na pouˇzit´ı voln´e frekvence z tzv. decimetrov´eho p´asma tzn. od 300 do 3 Ghz.
2.1 ISM p´ asma
P´asma ISM (industrial, scientific and medical) jsou voln´a p´asma pro uˇzit´ı v pr˚umyslov´em, vˇedeck´em a zdravotnick´em oboru, ve kter´ych lze provozovat pˇrenos informace pomoc´ı pˇredem homologovan´eho, tzn. pˇredem schv´alen´eho, zaˇr´ızen´ı, a to bez licenˇcn´ıch poplatk˚u. Neplat´ı ale ˇz´adn´a garance proti ruˇsen´ı v dan´em ISM p´asmu.
Tato zaˇr´ızen´ı d´ale podl´ehaj´ı gener´aln´ım licenc´ım, kter´e vyd´av´a ˇCesk´y telekomu- nikaˇcn´ı ´uˇrad, kter´y vydal takzvan´e vˇseobecn´e opr´avnˇen´ı ˇc. VO-R/10/05.2014-3 k vy- uˇz´ıv´an´ı r´adiov´ych kmitoˇct˚u a k provozov´an´ı zaˇr´ızen´ı kr´atk´eho dosahu. Mezi komerˇcn´ı vyuˇzit´ı v ISM p´asmech patˇr´ı Bluetooth s frekvenc´ı 2450 MHz a IEEE 802.11/Wifi s frekvenc´ı 2450 MHz a 5800 MHz.
Pokud by doˇslo k omezen´ı pouze na frekvenˇcn´ı oblast decimetrov´eho p´asma, m˚uˇzeme v tabulce 2.1 vidˇet dvˇe ISM p´asma, kter´a lze vyuˇz´ıt v ˇCesk´e republice.
432 - 438 MHz Neci- viln´ı vyuˇzi-
t´ı
Ama- t´ersk´e vys´ı-
l´an´ı Nes- pecifi-
kova- n´e SRD
ISM Dru-
ˇ zicov´e
ama- t´ersk´e
vys´ı- l´an´ı
Radi- oloka- ce (civil-
n´ı)
Aktivn´ı ˇcidla (na druˇzic´ıch)
862 - 890 MHz RFID (SRD)
Nes- pecifi-
kova- n´e SRD
Bez- dr´at- ov´y pˇre- nos zvuku (SRD)
Po- pla- chov´a
SRD Mo- biln´ı
s´ıtˇe
GSM-R
2300 - 2450 MHz Ama- t´ersk´e
vys´ı- l´an´ı
RFID (SRD)
SRD pro ra- diov´e urˇcov´an´ı
SRD pro tele- ma- tiku
Nes- pecifi-
kova- n´e SRD
ISM Druˇzico- v´e ama- t´ersk´e
vys´ı- l´an´ı
Rada- ry GPR/
WPR- (SRD)
SAP/
SAB
Leteck´a tele- met- rie
ˇSiro- kop´as- mov´y pˇrenos dat
Tabulka 2.1: ISM p´asma v ˇCR (pˇrevzato z [1])
2.2 Zaˇ r´ızen´ı kr´ atk´ eho dosahu
Zaˇr´ızen´ı, ˇcasto pojmenovan´e jako SRD (Short Range Device), je konkr´etn´ı zaˇr´ızen´ı, kter´e lze provozovat pouze v urˇcit´em p´asmu a mus´ı splˇnovat urˇcit´e vlast- nosti. Tato vymezen´ı stanovuje ˇCesk´y telekomunikaˇcn´ı ´uˇrad, kter´y vydal takzvan´e vˇseobecn´e opr´avnˇen´ı ˇc. VO-R/10/11.2016-13. ˇCl´anek 3 nese n´azev Konkr´etn´ı pod- m´ınky pro nespecifikovan´e stanice kr´atk´eho dosahu a je urˇcen pro zaˇr´ızen´ı, bez ohledu na pouˇzit´ı nebo ´uˇcel. Pozornost byla soustˇredˇena pouze na oznaˇcen´ı g, g1, g2, h, h1, h2, h3, h4, h5, h6, h7 a i z frekvenˇcn´ıho rozsahu od cca 433 MHz do cca 2,5 GHz z tabulky v tomto ˇcl´anku. Figurovaly zde dalˇs´ı ´udaje napˇr.:
vyz´aˇren´y v´ykon, popˇr´ıpadˇe intenzita magnetick´eho pole - z anglick´eho effective radiated power (proto zkratka e.r.p.) je ´udaj, kter´y vyjadˇruje vyz´aˇren´y v´ykon vys´ılac´ı ant´enou, vˇcetnˇe jeho zisku, jeho jednotkou je Watt,
kan´alov´a rozteˇc - vzd´alenost mezi jednotliv´ymi kan´aly v jednotk´ach Hertz˚u,
kl´ıˇcovac´ı pomˇer - duty cycle je pod´ıl ˇcasu, kdy zaˇr´ızen´ı aktivnˇe vys´ıl´a, v r´amci jak´ekoliv jedn´e hodiny.
Nach´az´ı se zde ˇrada dalˇs´ıch doplˇnuj´ıc´ıch odstavc˚u a pozn´amek, kter´e pˇresnˇe vymezuj´ı pouˇzit´ı tˇechto zaˇr´ızen´ı. ´Uplnou verzi je moˇzno shl´ednou v pˇriloˇzen´e lite- ratuˇre, viz [2].
2.3 Modulace
Pˇrenos informace na d´alku prob´ıh´a pomoc´ı takzvan´e modulace, to znamen´a, ˇze se potˇrebn´a informace zak´oduje do elektromagnetick´e vlny o vyˇsˇs´ı frekvenci, neˇz je obsaˇzena v t´eto informaci, viz obr´azek 2.1.
Sign´al, kter´y je potˇreba zak´odovat, nese n´azev modulaˇcn´ı sign´al. Ten pak d´ale vstupuje s tzv. nosn´ym sign´alem do elektronick´eho zaˇr´ızen´ı, kter´e se naz´yv´a mo- dul´ator. Tento elektronick´y obvod lze shl´ednout na obr´azku 2.1, kter´y zde vyjadˇruje kruh s kˇr´ıˇzkem uprostˇred. V´ysledkem je poˇzadovan´y modulovan´y sign´al. Modulace se d´ale dˇel´ı na analogovou a digit´aln´ı.
2.3.1 Analogov´ a modulace
V prostˇred´ı, kde se modulaˇcn´ı a nosn´e sign´aly ˇs´ıˇr´ı spojitˇe, lze uplatnit pouze analogovou modulaci. Pak evidentnˇe mus´ı platit rovnice harmonick´e vlny ve tvaru:
Obr´azek 2.1: Modulace
y = A · sin (Ωt + φ)
kde A ... znaˇcn´ı amplitudu, Ω ... ´uhlovou frekvenci, φ ... f´azov´y posuv Podle potˇreby zak´odov´an´ı sign´alu lze rozdˇelit spojit´e modulace do tˇr´ı druh˚u:
Amplitudov´a modulace
– nedoch´az´ı ke zmˇenˇe f´aze ani frekvence,
– modulaˇcn´ı sign´al ovlivˇnuje pouze amplitudu nosn´e vlny, – nejstarˇs´ı druh modulace.
Frekvenˇcn´ı modulace
– amplituda nosn´eho sign´alu z˚ust´av´a konstantn´ı,
– kmitoˇcet modulovan´eho sign´alu se zvyˇsuje v kladn´em pr˚ubˇehu nosn´e vlny, – kmitoˇcet modulovan´eho sign´alu se sniˇzuje v z´aporn´em pr˚ubˇehu nosn´e
vlny.
F´azov´a modulace
– modulaˇcn´ım sign´alem je mˇenˇena f´aze nosn´e vlny, – amplituda nosn´e vlny z˚ust´av´a stejn´a,
– se zmˇenou f´aze se mˇen´ı i frekvence nosn´e vlny,
– f´azovou modulac´ı nelze stejnosmˇernou sloˇzku sign´alu pˇren´est.
2.3.2 Digit´ aln´ı modulace
Kromˇe analogov´ych modulac´ı existuj´ı dalˇs´ı moˇznosti jak zak´odovat informaci, a to digit´alnˇe. Nosn´a vlna je sice poˇr´ad analogov´a a spojit´a, ale modulaˇcn´ı sign´al se jiˇz ˇs´ıˇr´ı diskr´etnˇe. Digit´aln´ı modulaci se ˇcasto ˇr´ık´a tzv. kl´ıˇcov´an´ı. Jedn´a se o pˇrenos vzorkovan´eho sign´alu s pˇredem definovan´ym poˇctem stav˚u. Stejnˇe jako u analogov´e
modulace lze upravovat amplitudu, frekvenci a f´azi, tak se daj´ı tyto sloˇzky mˇenit i digit´alnˇe. Mezi z´akladn´ı druhy patˇr´ı:
ASK – (Amplitude-Shift Keying) - amplitudov´e kl´ıˇcov´an´ı – digit´aln´ı obdoba amplitudov´e modulace,
– jednoduch´a a ˇcast´a forma ASK se naz´yv´a dvoustavov´a (bin´arn´ı modulace) anglicky OOK - (On-Off Keying).
FSK – (Frequency-Shift Keying) - frekvenˇcn´ı kl´ıˇcov´an´ı – digit´aln´ı obdoba frekvenˇcn´ı modulace,
– bin´arn´ı forma FSK se naz´yv´a BFSK - (Binary FSK),
– speci´aln´ı forma FSK m´a n´azev MSK - (Minimum-Shift Keying) – variantou MSK je GMSK - (Gaussian MSK) - Gaussova MSK, – GFSK - (Gaussian Frequency-Shift Keying) - Gaussova FSK.
PSK – (Phase-Shift Keying) - f´azov´e kl´ıˇcov´an´ı – digit´aln´ı obdoba f´azov´e modulace,
– BPSK – (Binary Phase Shift Keying) dvoustavov´a - bin´arn´ı forma PSK, – QPSK – (Quadrature Phase Shift Keying) ˇctyˇrstavov´a, 8PSK, 16PSK
(v´ıcestavov´e) - kvadraturn´ı f´azov´e kl´ıˇcov´an´ı.
Existuje cel´a ˇrada dalˇs´ıch modulac´ı, kter´e mohou b´yt i r˚uznˇe kombi- novan´e mezi sebou. Digit´aln´ı kl´ıˇcov´an´ı vyuˇz´ıvaj´ı pr´avˇe RF moduly, kter´e pomoc´ı modulac´ı pˇren´aˇs´ı informaci na stovky metr˚u daleko.
00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5 −5 0 5
t[s]
U[V]
Modulacni signal
00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5 −5 0 5
t[s]
U[V]
Nemodulovana nosna vlna
00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5 −10 0 10
t[s]
U[V]
Amplitudove modulovana vlna
00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5 −5 0 5
t[s]
U[V]
Frekvencne modulovana vlna
00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5 −5 0 5
t[s]
U[V]
Fazove modulovana vlna
012345678910 −1 0 1
t[s]
U[V]
Nosna vlna
012345678910 0 0.5 1
t[s]
U[V]
Modulacni signal
012345678910 −1 0 1
t[s]
U[V]
ASK signal
012345678910 −1 0 1
t[s]
U[V]
FSK signal
012345678910 −1 0 1
t[s]
U[V]
PSK signal
3 Reˇ ˇ sen´ı s mikrokontrol´ ery architektury AVR
Prvn´ımi testovan´ymi bezdr´atov´ymi moduly, firmou Solar Monitor s.r.o., byly MTX2 a MRX1 [6] od firmy Flajzar. Tato zaˇr´ızen´ı pracovala na frekvenci 868 MHz s FSK modulac´ı. Dosah ve voln´em prostranstv´ı ˇcinil s ant´enou v´ıce neˇz 300 metr˚u. Vys´ılaˇc MTX2 obsahoval sice drˇz´ak baterie pro tˇr´ıvoltovou baterii CR2032, ale celkov´a doba testov´an´ı, pouze s t´ımto zdrojem, nepˇrekroˇcila dvacet jedna dn´ı nepˇretrˇzit´eho provozu. Proto byl vymyˇslen nov´y projekt, kter´y se zaˇcal zab´yvat v´yvojem lepˇs´ıho ˇreˇsen´ı.
3.1 Popis hardwaru s AVR
V prvn´ı vlnˇe v´yvoje doˇslo k testov´an´ı pˇrenosu bezdr´atov´e informace na ˇr´ıdic´ıch mikrokontrol´erech AVR spolu s platformou Arduino [5], kterou lze na tˇechto proceso- rech uplatnit. Po shl´ednut´ı nˇekolika hotov´ych ˇreˇsen´ı (napˇr. JeeNode, Split, Moteino, atd.) byl vybr´an mikrokontrol´er ATmega328P spolu s RF modulem RFM69HW.
Obr´azek 3.1: RF69HCW + ATmega328P na univerz´aln´ı DPS
ATmega328 disponoval tˇemito d˚uleˇzit´ymi parametry (viz tak´e [7]):
nap´ajec´ı napˇet´ı od 1,8 V do 5,5 V,
23 programovateln´ych I/O pin˚u,
32KBytes of In-System Self-Programmable Flash programovac´ı pamˇet’,
1KBytes EEPROM,
2KBytes Internal SRAM,
ˇcasovaˇc - Real Time Counter,
SPI rozhran´ı pro propojen´ı s RF modulem,
ˇsest m´od˚u pro ˇsetˇren´ı energie - Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Power- down, Standby a Extended Standby.
Druh´y komponent RFM69 se vyr´abˇel v tˇechto tˇrech variant´ach [8], [9] a [10], a to:
RF69HW - high power - moˇznost nastaven´ı vyˇsˇs´ıho vys´ılac´ıho v´ykonu,
RF69CW - compatible with RFM12 - kompatibiln´ı pinout s RFM12,
RF69HCW - compatible high power - obˇe pˇredchoz´ı varianty spojen´e dohro- mady.
Mezi jeho jednotliv´e vlastnosti patˇrily:
frekvenˇcn´ı p´asmo: 290 - 340 MHz, 424 - 510 MHz, 862 - 890 MHz, 890 - 1020 MHz,
RF modulace: FSK, GFSK, MSK, GMSK, OOK,
rychlost pˇrenosu dat od 1,2 do 300 kbps,
spotˇreba max. 16 mA pˇri pˇr´ıjmu,
programovateln´a ˇs´ıˇrka kan´alu od 2,6 kHz do 500 kHz,
programovateln´e v´ystupn´ı zes´ılen´ı do +20 dBm,
integrovan´y senzor teploty,
AES 255-bitov´e ˇsifrov´an´ı,
wireless M-BUS.
Mezi jednotliv´ymi ´udaji nebyl z´amˇernˇe uveden vys´ılac´ı v´ykon, ten je totiˇz u tohoto integrovan´eho obvodu nastaviteln´y, jak lze vidˇet v tabulce 3.1.
V´ystupn´ı zes´ılen´ı a povolen´e piny Min. odbˇer proudu
Typ. odbˇer proudu
Max. odbˇer proudu
Jednotky
RFOP = +20 dBm, on PA BOOST - 130 - mA
RFOP = +17 dBm, on PA BOOST - 95 - mA
RFOP = +13 dBm, on RFIO pin - 45 - mA
RFOP = +10 dBm, on RFIO pin - 33 - mA
RFOP = 0 dBm, on RFIO pin - 20 - mA
RFOP = -1 dBm, on RFIO pin - 16 - mA
Tabulka 3.1: V´ystupn´ı zes´ılen´ı RF modulu RF69HW (pˇrevzato z [8])
3.1.1 Radino HW
D´ıky celkov´e spotˇrebˇe vys´ılac´ıho modulu (RF69HW + ATmega328P) bylo d´ale rozhodnuto o koupi dalˇs´ıch jiˇz hotov´ych testovac´ıch modul˚u, tentokr´at od nˇemeck´e firmy In-Circuit GmbH. Zkuˇsebn´ı dvojici ˇreˇsen´ı pˇredstavovala radina RF69 868 MHz z v´yroby pˇripevnˇen´a na speci´aln´ım a rozˇsiˇruj´ıc´ım hardwaru radino Spider RP-SMA.
Radino RF69 je oznaˇcen´ı pro mikrokontrol´er ATmega32U4, kter´y je pomoc´ı SPI sbˇernice a pˇeti I/O pin˚u propojen s RF modulem stejn´ym jako v prvn´ım pˇr´ıpadˇe, a to RF69HW viz obr. 3.2.
Obr´azek 3.2: RF69 vnitˇrn´ı propojen´ı (pˇrevzato z [12])
Toto ˇreˇsen´ı, pˇripraveno na hotov´em ploˇsn´em spoji, je z velk´e ˇc´asti zakryto st´ınˇen´ım, kter´e lze vidˇet na obr´azku 3.3. Radino RF69 868 MHz disponuje tˇemito hlavn´ımi parametry:
15 programovateln´ych I/O pin˚u,
sbˇernice I2C, SPI, UART, USB (HID Keyboard & Mouse, virtual UART),
ˇsest m´od˚u pro ˇsetˇren´ı energie - Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Power- down, Standby a Extended Standby.
Komplexnˇejˇs´ı pohled na celkov´e vyuˇzit´ı jednotliv´ych pin˚u radina nab´ız´ı obr´azek 3.4. Radino Spider modul velice usnadˇnuje programov´an´ı modulu RF69 pomoc´ı osa- zen´ı micro-USB konektoru. D´ale tak´e umoˇzˇnuje extern´ı pˇripojen´ı ant´eny.
Obr´azek 3.3: Radino RF69 na Spider boardu
Obr´azek 3.4: Radino RF69 pinout (pˇrevzato z [12])
Do seznamu celkov´ych v´yhod tedy patˇr´ı:
RP-SMA konektor (reverse polarity subminiature version A),
Micro-USB konektor,
resetovac´ı tlaˇc´ıtko,
Arduino-LED diody pro RX a TX sign´aly,
napˇet’ov´y regul´ator na 3,3 V,
LED signalizaˇcn´ı dioda pro pˇr´ıtomnost nap´ajen´ı.
K radino modul˚um byly tak´e pˇrikoupeny ant´eny 2JW031-868, kter´e dispo- novaly propustn´ym p´asmem pro frekvenci 868 Mhz. Detailn´ı charakteristiky lze shl´ednout v pˇriloˇzen´e dokumentaci (viz [16]).
3.1.2 Anarduino HW
Posledn´ım testovan´ym ˇreˇsen´ım z AVR rodiny od firmy ATMEL bylo Anar- duino. Tento v´yvojov´y ploˇsn´y spoj pouˇz´ıval jako ˇr´ıdic´ı mikrokontrol´er ATmega328P [7]. K tomuto hlavn´ımu procesoru byl pˇripojen bezdr´atov´y modul, kter´y se volil z v´ıce neˇz patn´acti tov´arnˇe nastaviteln´ych druh˚u. Anarduino tak ˇcinilo jednoho z nejlepˇs´ıch kandid´at˚u na kvalitn´ı v´ysledek v t´eto kategorii i z hlediska ultra ´usporn´eho provozu.
Na ploˇsn´em spoji byly d´ale obsaˇzeny tyto dvˇe d˚uleˇzit´e komponenty:
extern´ı pamˇet’ - SPI FLASH 128 Mbit (16 Mbyte) - S25FL127S [17] od firmy Cypress Semiconductor Corporation,
extern´ı RTC - MCP7940N [18] od firmy Microchip Technology Inc.
Kdyby doˇslo k pˇrehr´an´ı firmwaru bezdr´atovˇe (pomoc´ı OTA), mohla by b´yt novˇejˇs´ı verze uloˇzena pr´avˇe v t´eto SPI FLASH pamˇeti. Dalˇs´ı v´yhoda, v podobˇe extern´ıho a velice ´usporn´eho real time obvodu, by napom´ahala k hlubˇs´ımu span´ı mikrokon- trol´eru ATmega328P. Ten by byl pr´avˇe t´ımto ˇcipem, po pˇredem naprogramovan´e dobˇe, probuzen. Extern´ı pamˇet’ podle datasheetu disponovala tˇemito parametry:
nap´ajec´ı napˇet´ı od 2,7 V do 3,6 V,
spotˇreba proudu 70 µA ve standby reˇzimu.
RTC obvod vlastnil tyto hodnoty:
nap´ajec´ı napˇet´ı od 1,8 V do 5,5 V,
spotˇreba proudu pˇri nap´ajen´ı z Vcc = 1,2 µA,
spotˇreba proudu na z´aloˇzn´ı baterii pˇri 3,0 V = 925 nA,
rozhran´ı I2C.
Jak lze vidˇet z obr´azku 3.5, Anarduino bylo objedn´ano 1x s bezdr´atov´ym modulem RF69W pro pˇr´ıjem a 1x s RF ˇcipem RF69HW pro vys´ıl´an´ı kv˚uli moˇznosti nastaven´ı vyzaˇrovan´eho v´ykonu (v´ıce o modulech v literatuˇre [8], [9] a [10]). Stejnˇe jako radino, tak i ploˇsn´y spoj Anarduina mˇel po obvodu vyvedeny jednotliv´e I/O piny (viz obr´azek 3.5), kde je kaˇzd´y z nich jednotlivˇe pops´an.
Obr´azek 3.5: ˇReˇsen´ı Anarduino
3.2 Programov´ an´ı a software Arduino
Vˇsechna AVR ˇreˇsen´ı, pˇredstaven´a v pˇredchoz´ı kapitole 3.1, byla t´eˇz vyzkouˇsena jak na operaˇcn´ım syst´emu Windows, tak na operaˇcn´ım syst´emu Linux. Konkr´etnˇe Windows XP a Linux Ubuntu.
Mikrokontrol´ery byly programov´any ve v´yvojov´em prostˇred´ı Arduino IDE, ve kter´em jiˇz doˇslo k programov´an´ı firmwaru v bakal´aˇrsk´e pr´aci s n´azvem Modul pro podporu procesor˚u z ˇrady AVR na existuj´ıc´ım v´yukov´em pˇr´ıpravku [19].
Prvn´ı ˇreˇsen´ı s vys´ılaˇcem, kter´e bylo zapojeno na nep´ajiv´em poli (viz kapi- tola 3.1), obsahovalo pouze nezbytn´e komponenty pro spr´avnou funkci mikrokon- trol´eru ATmega328p a bezdr´atov´eho modulu RF69HW. Na stranˇe pˇrij´ımac´ı byl pouˇzit stejn´y mikrokontrol´er, ale odliˇsn´y RF modul, a to RF69W.
Program´ator, kter´y byl pouˇzit pro toto ˇreˇsen´ı, se naz´yval AVR Prog USB v2.
Jeho podrobn´y popis a instalace pro OS Windows probˇehla v jiˇz zm´ınˇen´e bakal´aˇrsk´e pr´aci [19]. V t´eto diplomov´e pr´aci vˇsak poprv´e doˇslo k jeho propojen´ı s operaˇcn´ım syst´emem Linux, konkr´etnˇe Linux Ubuntu 16.04 LTS. Jelikoˇz program´ator praco- val v reˇzimu HID, bylo potˇreba pouˇz´ıt software AVRDude pro nahr´an´ı firmwaru do mikrokontrol´eru. Pomoc´ı tˇr´ı pˇr´ıkaz˚u v termin´alu probˇehla instalace programu:
sudo add-apt-repository ppa:pmjdebruijn/avrdude-release
sudo apt-get update
sudo apt-get install avrdude
Pot´e doˇslo k testu propojen´ı mezi ˇcipem ATmega328P a notebookem. Z poˇc´ıtaˇce vedl USB kabel pˇr´ımo do program´atoru, kter´y byl pˇripojen k mikrokontrol´eru po- moc´ı SPI rozhran´ı. Po zad´an´ı pˇr´ıkazu sudo avrdude -c stk500v2 -p m328p -P avrdoper -v v termin´alu se podrobnˇe zobrazily veˇsker´e ´udaje. Mezi jedn´ım z mnoha ´udaj˚u figurovalo tak´e ˇc´ıslo mikrokontrol´eru a stav jeho pojistek viz 3.6.
Obr´azek 3.6: AVRDude v termin´alu
Software, pro ˇreˇsen´ı radino RF69 osazen´e na radino Spider RP-SMA (viz ka- pitola 3.1), bylo nejprve potˇreba trochu upravit pro spr´avnou funkci tˇechto modul˚u.
Nejprve doˇslo ke staˇzen´ı a instalaci podp˚urn´ych soubor˚u do v´yvojov´eho prostˇred´ı Arduino IDE. Firma In-Circuit GmbH, kter´a radino moduly vyr´ab´ı, sepsala postup t´eto instalace pˇr´ımo do datasheetu bezdr´atov´eho modulu (viz str. 10 v [12]) tak, ˇze po n´asledov´an´ı jednotliv´ych krok˚u vˇse spr´avnˇe fungovalo.
Pak uˇz nic nebr´anilo tomu, aby se zaˇcal vytv´aˇret program pro komunikaci mezi vys´ılaˇcem a pˇrij´ımaˇcem. Protoˇze se poˇc´ıtalo s t´ım, ˇze pˇrij´ımac´ı modul bude vˇzdy pˇripojen ke stabiln´ımu nap´ajec´ımu zdroji, odpadlo tak tedy usp´av´an´ı mikro- kontrol´eru. Pˇrij´ımaˇc st´ale ˇcekal na pˇr´ıchoz´ı zpr´avy od vys´ılaˇce, ve kter´ych byl ´udaj o poˇctu pulz˚u z S0 vstupu vys´ılaˇce [21]. Tyto pulzy se d´ale pˇrepos´ılaly pomoc´ı sbˇernice UART. Pro sledov´an´ı aktu´aln´ıho stavu pulz˚u v internetov´em prohl´ıˇzeˇci byl pin 4 vys´ılac´ıho modulu naprogramov´an jako v´ystupn´ı, aby simuloval pˇr´ıchoz´ı pulzy na vstup monitorovac´ı jednotky SM2-RM [22], [23]).
Ze strany vys´ılaˇce byl k´od ponˇekud sloˇzitˇejˇs´ı. Nejprve se muselo nastavit pˇreruˇsen´ı mikrokontrol´eru na sestupnou hranu sign´alu. Pot´e urˇcit poˇcet hran, po kte- r´ych se bude odes´ılat zpr´ava ohlednˇe poˇctu pulz˚u. N´aslednˇe spr´avnˇe uspat mikro- kontrol´er tak, aby se dok´azal probudit na hranu sign´alu.
Aby byl ´udaj o poˇctu pulz˚u z elektromˇeru pro testovac´ı ´uˇcely pˇresn´y a nemu- sela se kv˚uli testov´an´ı zbyteˇcnˇe pl´ytvat energie, doˇslo k simulaci S0 vstupu pomoc´ı v´yvojov´eho kitu STM32F429l-DISCO [24] od firmy STMicroelectronics. Na t´eto desce byl nastaven pin PG13, kter´y st´ale generoval pˇredem naprogramovan´y pulz stejn´e stˇr´ıdy. Celou tuto problematiku lze pro lepˇs´ı pˇredstavu pozorovat na obr´azku 3.7.
Vys´ılac´ı modul byl nejprve testov´an na konstantn´ım nap´ajec´ım zdroji. Nutno do- dat, ˇze tak´e doˇslo k vyp´ajen´ı zenerovy diody, kter´a br´anila pr˚ustupu pulzu menˇs´ı napˇet’ov´e hodnoty neˇz 7,6 V. Tato dioda byla nahrazena rezistorem s nulovou hod-
Obr´azek 3.7: Testovac´ı sch´ema zapojen´ı notou elektrick´eho odporu.
Pro ˇreˇsen´ı na nep´ajiv´em poli a radino moduly byl vyvinut velice podobn´y k´od jak pro pˇrij´ımaˇc, tak pro vys´ılaˇc. Jedin´a odliˇsnost, mezi ˇreˇsen´ım na nep´ajiv´em poli a radinem, lze pozorovat na obr´azku B.1 a B.2, kde doˇslo k odliˇsn´emu nastaven´ı v knihovnˇe RTC69.h, a to v inicializaci jednotliv´ych pin˚u na SPI sbˇernici a pinu pˇreruˇsen´ı. Celkov´y software, pro pˇrij´ımac´ı a vys´ılac´ı modul, byl pro lepˇs´ı pˇredstavu uskupen do blokov´eho diagramu, viz A.1 a A.2.
Pˇri pr˚ubˇehu tohoto softwaru ˇslo velice dobˇre mˇeˇrit spotˇrebu vys´ılaˇce a dosah u obou ˇreˇsen´ı. Pro jednoduchost byly tyto ´udaje zaˇrazeny do tabulky 3.2.
Reˇˇ sen´ı a m´ody Spotˇreba Jednotky
ˇreˇsen´ı na nep´ajiv´em poli - pˇri vys´ıl´an´ı 28,9 mA ˇreˇsen´ı na nep´ajiv´em poli - sleep mode 20,2 uA
Reˇˇ sen´ı Dosah Jednotky
ˇreˇsen´ı na nep´ajiv´em poli - dosah cca 50 m
radino - dosah s ant´enami cca 150 m
Tabulka 3.2: Spotˇreba a dosah radino modul˚u spolu s ˇreˇsen´ım na nep´ajiv´em poli Reˇsen´ı Anarduino bylo trochu odliˇsn´ˇ e. Jelikoˇz ploˇsn´y spoj obsahoval jiˇz zmiˇno- van´y RTC obvod, dal se hlavn´ı MCU budit pomoc´ı pˇreruˇsen´ı uˇcen´eho pinu z tohoto obvodu. D´ale tu byla moˇznost vys´ılat i ˇcas. V´yhoda spoˇc´ıvala napˇr´ıklad v odha- len´ı delˇs´ıho pˇrenosu (napˇr. kv˚uli moment´aln´ı nedosaˇzitelnosti pˇrij´ımaˇce). V´yvojov´e
prostˇred´ı i programov´an´ı Anarduina bylo shodn´e s ˇreˇsen´ım na nep´ajiv´em poli, tud´ıˇz mohl b´yt rovnou tvoˇren software. Pro jednoduˇsˇs´ı pochopen´ı a vysvˇetlen´ı lze shl´ednout zjednoduˇsen´e blokov´e sch´ema A.3 a A.4.
Opˇet doˇslo k mˇeˇren´ı parametr˚u z hlediska spotˇreby a dosahu Anarduino vys´ılaˇce.
Tyto ´udaje lze pozorovat v n´asleduj´ıc´ı tabulce.
Reˇˇ sen´ı a m´ody Spotˇreba Jednotky
Anarduino - pˇri vys´ıl´an´ı 33,4 mA
Anarduino - pˇri pˇr´ıjmu 26,9 mA
Anarduino - sleep mode 24 uA
Reˇˇ sen´ı Dosah Jednotky
Anarduino - dosah cca 50 m
Anarduino - dosah s extern´ı ant´enou cca 150 m
Tabulka 3.3: Spotˇreba a dosah ˇreˇsen´ı Anarduino
Nakonec byla vyrobena speci´aln´ı dvojice, kdy vys´ılac´ı modul, um´ıstˇen´y ve spe- ci´aln´ım boxu s S0 vstupem, fungoval pouze na dvou bateri´ıch typu AA s externˇe vyveden´ym ant´enn´ım konektorem. Pin ˇc´ıslo ˇctyˇri pˇrij´ımac´ıho modulu se pˇripojil, po odp´ajen´ı nˇekolika souˇc´astek, pˇr´ımo na pulzn´ı vstup SM2-RM. N´aslednˇe doˇslo k vyveden´ı extern´ı ant´eny pomoc´ı redukˇcn´ıho kabelu, kter´y byl naˇsroubov´an do spe- ci´alnˇe vyvrtan´eho otvoru v plastov´e krabiˇcce, viz obr´azek C.1 a C.2.
4 STMicroelectronics ˇ reˇ sen´ı
Dalˇs´ım d˚uleˇzit´ym v´yrobcem elektroniky, kter´y mˇel ˇreˇsen´ı v oblasti bezdr´atov´e komunikace s minim´aln´ı spotˇrebou, byla firma STMicroelectronics. Opˇet doˇslo k v´y- bˇeru vhodn´e sady v´yvojov´ych kit˚u a k testov´an´ı kl´ıˇcov´ych vlastnost´ı jako napˇr´ıklad dosah sign´alu, spotˇreba zaˇr´ızen´ı v r˚uzn´ych reˇzimech, atd.
4.1 Popis hardwaru ST
Spoleˇcnost STM pouˇz´ıvala pro komunikaci v Sub-1 GHz p´asmu RF modul SPIRIT1 [27]. Komunikace s t´ımto ˇcipem prob´ıhala pomoc´ı SPI rozhran´ı. Mezi dalˇs´ı v´yznamn´e parametry patˇrilo napˇr.:
frekvenˇcn´ı p´asmo: 150-174 MHz, 300-348 MHz, 387-470 MHz, 779-956 MHz,
RF Modulace: 2-FSK, GFSK, MSK, GMSK, OOK, ASK,
rychlost pˇrenosu dat od 1 do 500 kbps,
spotˇreba max. 9 mA pˇri pˇr´ıjmu, 21 mA pˇri vys´ıl´an´ı na +11 dBm,
programovateln´a ˇs´ıˇrka kan´alu od 12,5 kHz,
programovateln´e v´ystupn´ı zes´ılen´ı do +16 dBm,
integrovan´y senzor teploty,
indik´ator baterie a detektor n´ızk´eho napˇet´ı na baterii,
AES 128-bitov´y ˇsifrovac´ı koprocesor,
wireless M-BUS.
Pro jednoduch´e a efektivn´ı otestov´an´ı RF modulu SPIRIT1 byl vybr´an v´yvo- jov´y kit X-NUCLEO-IDS01A4 [28]. Jako vys´ılaˇc a pˇrij´ımaˇc bezdr´atov´e informace zde figuroval integrovan´y modul pod n´azvem SPSGRF-868 [29]. Toto zaˇr´ızen´ı se ze- lenou nep´ajivou maskou, obsahovalo filtr a keramickou ant´enu, um´ıstˇenou pˇr´ımo na ploˇsn´em spoji, viz obr´azek 4.1. Tato v´yvojov´a deska d´ale obsahovala tyto d˚uleˇzit´e parametry a komponenty:
propojku J1 pro mˇeˇren´ı odeb´ıran´eho proudu,
pamˇet’ EEPROM,
Arduino UNO R3 konektor,
v´ybˇer frekvence 868 MHz ˇci 915 MHz podle osazen´ı nulov´eho rezistoru R14, R15,
kompatibilnost s STM32 Nucleo deskami,
moˇznost vrstven´ı dalˇs´ıch kit˚u na sebe.
Obr´azek 4.1: X-NUCLEO-IDS01A4 s SPSGRF-868
SPIRIT1 je pouze samostatn´y RF modul bez ˇr´ıdic´ıho mikroprocesoru. Proto musel b´yt vybr´an jeˇstˇe dalˇs´ı v´yvojov´y kit pro ˇr´ızen´ı vys´ılac´ıho integrovan´eho obvodu.
Podle v´yˇse zm´ınˇen´ych parametr˚u X-NUCLEO-IDS01A4 boardu nejl´epe splˇnovaly kompatibilitu desky STM32 Nucelo. Po porovn´an´ı z hlediska n´ızk´e spotˇreby ˇr´ıdic´ıho mikrokontrol´eru a dalˇs´ıch parametr˚u, kter´e lze sledovat i na obr´azku C a podle pˇredpˇripraven´eho softwaru viz kapitola 4.2, o kter´em bude ˇreˇc d´ale, bylo nakonec zvoleno NUCLEO-L053R8. Tento board obsahoval velice ´usporn´y mikrokontrol´er STM32L053R8T6 [32], kter´y disponoval n´asleduj´ıc´ımi vlastnostmi:
nap´ajec´ı napˇet´ı od 1,65 V do 3,6 V,
ARM® 32-bit Cortex®-M0+,
spotˇreba 0,27 µA ve standby reˇzimu, buzen´ımoˇzno pomoc´ıdvou urˇcit´ych pin˚u,
spotˇreba 0,4 µA ve stop reˇzimu, buzen´ı pomoc´ı ˇsestn´acti zp˚usob˚u,
od 1 do 25 MHz krystalov´y oscil´ator,
32 kHz oscil´ator pro RTC s kalibrac´ı,
vysokorychlostn´ı intern´ı 16 MHz tov´arnˇe nastaven´y RC (± 1 %),
aˇz 51 I/O z nichˇz 45 pin˚u je 5V tolerantn´ıch,
SWD - Serial Wire Debugov´an´ı,
64 kB pamˇeti FLASH,
DMA, ADC, SPI, I2C, USART, DAC, ˇcasovaˇce.
V´yvojov´y kit NUCLEO-L053R8 nab´ız´ı tyto speci´aln´ı komponenty a dalˇs´ı moˇznosti (viz tak´e [31]):
Arduino Uno V3 propojen´ı,
pˇr´ıstup k STM32 I/O pomoc´ı pˇripraven´ych konektor˚u,
ARM® mbed,
integrovan´y ST-LINK/V2-1 debugger/program´ator s SWD konektorem,
2 tlaˇc´ıtka - RESET a USER,
USB mini konektor m˚uˇze slouˇzit jako: virtu´aln´ı COM port, debugovac´ı port nebo Mass Storage (pamˇet’ov´e zaˇr´ızen´ı).
Obr´azek 4.2: NUCLEO-L053R8
Po zasunut´ı X-NUCLEO-IDS01A4 desky do NUCELO-L053R8 boardu, jak lze vidˇet na obr´azku 4.3, bylo vˇse pˇripraven´e na testov´an´ı vybran´eho ˇreˇsen´ı od firmy STMicroelectronics.
Obr´azek 4.3: NUCLEO-L053R8 s X-NUCLEO-IDS01A4 boardem
4.2 Programov´ an´ı a software ST
Hardware, kter´y byl pˇredstaven v pˇredeˇsl´e kapitole, se t´eˇz vyb´ıral na z´akladˇe softwarov´e podpory. Pro mikrokontrol´er STM32L053R8T6 spolu s bezdr´atov´ym vys´ılaˇcem SPIRIT1 byl totiˇz vytvoˇren bal´ıˇcek s ovladaˇci a projekty, kter´y firma STMicroelectronics nab´ızela na str´ank´ach bezdr´atov´eho modulu X-NUCLEO-IDS- 01A4 pod n´azvem X-CUBE-SUBG1 [33].
Aby mohl b´yt tento pˇredem pˇripraven´y projekt z bal´ıˇcku d´ale vyuˇz´ıv´an a upra- vov´an, doˇslo k v´ybˇeru a instalaci vhodn´eho v´yvojov´eho prostˇred´ı. Jeden z takov´ych program˚u nab´ızela, zdarma po registraci, komunita OpenSTM32. Program System Workbench for STM32 bylo moˇzn´e st´ahnout jako samotnou instalaci nebo jako bal´ıˇcek do v´yvojov´eho prostˇred´ı Eclipse. Je tak´e nutno poznamenat, ˇze toto prostˇred´ı bylo moˇzn´e st´ahnout pro operaˇcn´ı syst´em Windows, Linux a Mac OS/X. Testov´an´ı STM ˇreˇsen´ı probˇehlo jen na dvou zm´ınˇen´ych, a to na Windows 7 a Linux Ubuntu 16.04 LTS. N´avody, rady a instalace byly velice dobˇre pops´any na str´ank´ach komu- nity [34].
Po instalaci v´yvojov´eho prostˇredn´ı uˇz nic nebr´anilo importu pˇredpˇripraven´eho projektu pod n´azvem P2P demo, jak lze pozorovat na obr´azku ˇc. C.4.
Tento pˇredem pˇripraven´y projekt umˇel odes´ılat paket dat s pˇredem nasta- ven´ymi vlastnostmi po stisknut´ı modr´eho tlaˇc´ıtka na v´yvojov´em kitu. Ostatn´ı vys- vˇetlen´ı o tomto k´odu a dalˇs´ı r˚uzn´e moˇznosti nastaven´ı ud´aval uˇzivatelsk´y manu´al (viz pˇriloˇzen´a literatura [35]), pod oznaˇcen´ım UM1904, kter´y velice usnadnil dalˇs´ı testov´an´ı. Pˇres jak´ekoliv dalˇs´ı ´upravy poˇc´ateˇcn´ıho projektu musely b´yt zachov´any texty v z´ahlav´ı a z´apat´ı k´od˚u od firmy STMicroelectronics, jinak by doˇslo k poruˇsen´ı
autorsk´ych pr´av.
Aby se doc´ılilo podobn´eho v´ysledku jako u platformy AVR, doˇslo k pˇretvoˇren´ı zm´ınˇen´eho k´odu. V prv´e ˇradˇe byla snaha o vytvoˇren´ı programu pro vys´ılaˇc, kter´y by se budil na hranu sign´alu a po nˇejak´e dobˇe odeslal data pˇrij´ımaˇci. Jelikoˇz sign´al ve- douc´ı k modr´emu tlaˇc´ıtku byl jiˇz naprogramov´an jako pˇreruˇsen´ı na sestupnou hranu a z´aroveˇn dok´azal probudit mikrokontrol´er ze sp´anku, staˇcilo pouze nastavit intern´ı RTC obvod tak, aby t´eˇz dok´azal probudit hlavn´ı obvod STM32L053R8T6 po pˇredem naprogramovan´e dobˇe, ˇc´ımˇz by dal povel k odesl´an´ı informace o aktu´aln´ım stavu pulz˚u. Nastaven´ı ´usporn´ych m´od˚u mikrokontrol´eru lze pozorovat na obr´azku B.3.
Pro RF modul SPIRIT1 byly t´eˇz pˇripraveny funkce tak, aby odeb´ıral co nejm´enˇe energie ve stavu, kdy nevys´ıl´a, viz obr´azek B.3.
Dalˇs´ı d˚uleˇzitou ˇc´ast tohoto ˇreˇsen´ı tvoˇrilo nastaven´ı samotn´eho RF modulu z hlediska struktury paketu (viz obr´azek B.4). Po zkouˇsen´ı a testov´an´ı r˚uzn´ych kombinac´ı ´usporn´ych m´od˚u vys´ılaˇce (viz pˇriloˇzen´a literatura [36]) byl nakonec se- staven nejoptim´alnˇejˇs´ı firmware jak pro vys´ıl´an´ı, tak pro pˇr´ıjem informace o stavu pulz˚u. Vys´ılac´ı RF modul SPIRIT1 mˇel nejmenˇs´ı spotˇrebu tehdy, kdyˇz byl mimo vys´ılac´ı dobu ´uplnˇe vypnut, coˇz nijak nevadilo pˇri fin´aln´ı funkci. Na zaˇc´atku iniciali- zace mikrokontrol´eru STM32L053R8T6 doˇslo k nastaven´ı modr´eho tlaˇc´ıtka na kitu NUCLEO-L053R8 v podobˇe extern´ıho pˇreruˇsen´ı. N´aslednˇe probˇehla inicializace in- tern´ıho RTC obvodu, konfigurace doby vyvol´an´ı pˇreruˇsen´ı a nastaven´ı MCU do Sleep m´odu. V´ysledn´e parametry lze pozorovat v n´asleduj´ıc´ı tabulce 4.1.
Reˇˇ sen´ı a m´ody Spotˇreba Jednotky
STM ˇreˇsen´ı - pˇri vys´ıl´an´ı 10,3 mA
STM ˇreˇsen´ı - pˇri pˇr´ıjmu 6,4 mA
STM ˇreˇsen´ı - sleep mode 252 uA
Reˇˇ sen´ı Dosah Jednotky
STM ˇreˇsen´ı - dosah cca 150 m
Tabulka 4.1: Spotˇreba a dosah STM ˇreˇsen´ı
5 Texas Instruments ˇ reˇ sen´ı
Posledn´ım testovac´ım hardwarem se stal Sub-1 GHz CC1310 wireless micro- controller (MCU) LaunchPad development kit od spoleˇcnosti Texas Instrumets.
Integrovan´y obvod CC1310, kter´y ˇr´ıdil cel´y tento kit, byl t´eˇz pˇredstaven na IoT konferenci v Mnichovˇe v listopadu 2015. Tentokr´at, ale jeˇstˇe na starˇs´ıch v´yvojov´ych desk´ach SimpleLink Sub-1 GHz CC1310 Evaluation Module Kit, ke kter´ym bylo nutno pouˇz´ıt hlavn´ı mateˇrskou desku SmartRF06 Evaluation Board, coˇz v´yraznˇe prodraˇzilo vyzkouˇsen´ı tohoto ˇreˇsen´ı.
5.1 Popis hardwaru TI
V ˇcervenci roku 2016 pˇriˇsla firma na trh s nov´ym ˇreˇsen´ım v podobˇe TI Launch- Pad kitu. Tento board se skl´adal ze dvou ˇc´ast´ı um´ıstˇen´ych na jednom ploˇsn´em spoji. Prvn´ı sekci tvoˇril mikrokontrol´er, kter´y slouˇzil jako program´ator a debug- ger, spolu s JTAG konektorem. V druh´e ˇc´asti tohoto boardu byl um´ıstˇen samotn´y MCU CC1310 s ´uspornou pamˇet´ı FLASH a dalˇs´ımi komponentami. Obˇe tyto sekce propojovaly nap´ajec´ı a JTAG sign´aly ˇcipu CC1310, kter´e byly chytˇre zkratov´any pomoc´ı jumper˚u. To proto, aby bylo moˇzn´e pouˇz´ıt program´ator a debugger externˇe po odstranˇen´ı zm´ınˇen´ych propojek. Samotn´y kit ˇslo nap´ajet pomoc´ı micro USB konektoru.
Toto ˇreˇsen´ı od firmy Texas Instruments mˇelo unik´atn´ı podobu propojen´ı ˇr´ıdi- c´ıho mikrokontrol´eru a RF modulu, protoˇze byly um´ıstˇeny v jednom QFN pouzdru.
Pro bliˇzˇs´ı sezn´amen´ı lze pozorovat uveden´e parametry mikrokontrol´eru CC1310:
nap´ajec´ı napˇet´ı od 1,8 V do 3,8 V,
spotˇreba 0,7 µA ve standby reˇzimu (pˇri zapnut´em RTC, pamˇeti RAM a pˇri zas- taven´em CPU),
spotˇreba 185 nA v shutdown reˇzimu, buzen´ı na extern´ı ud´alosti,
rychlost hodinov´eho taktu do 48MHz,
odbˇer proudu pˇri pˇr´ıjmu: 5,4 mA,
odbˇer proudu pˇri vys´ıl´an´ı s v´ykonem +10 dBm: 13,4 mA
programovateln´e zes´ılen´ı vys´ılaˇce aˇz do +15 dBm,
wireless M-Bus and Selected IEEE® 802.15.4g PHY + podpora pro Over- the-Air naprogramov´an´ı.
Pro lepˇs´ı pˇrehled bylo d´ale pouˇzito blokov´e sch´ema z datasheetu mikrokontrol´eru.
Obr´azek 5.1: Blokov´e sch´ema CC1310 (pˇrevzato z [39] str. 36)
Z ˇr´ıdic´ıho obvodu d´ale vystupovala ant´ena, kter´a byla pˇr´ımo vylita na ploˇsn´em spoji. ˇSlo t´eˇz pouˇz´ıt JSC konektor pro vyveden´ı vlastn´ı extern´ı ant´eny. Dalˇs´ı velice v´yznamnou komponentu na tomto kitu tvoˇrila jiˇz zm´ınˇen´a ´usporn´a pamˇet’, a to SPI FLASH MX25R8035FZUIH1 [40] od firmy Macronix. Mezi jej´ı hlavn´ı pˇrednosti patˇrily:
nap´ajec´ı napˇet´ı od 1,65 V do 3,6 V,
spotˇreba 5 µA ve standby m´odu,
spotˇreba 0,007 µA v deep power-down m´odu,
miniaturn´ı pouzdro USON (2x3 mm),
velikost: 8M byte (1M byte x 8) + pamatov´an´ı dat aˇz 20 let,
rychlost ˇcten´ı: 104 MHz.
Na kitu se d´ale nach´azela dvojice tlaˇc´ıtek a LED diod. ˇCervenou a zelenou diodu ˇslo pomoc´ı jumper˚u odepnout od GPIO pin˚u (z d˚uvodu ´uspory energie).
Pˇredposledn´ı komponenty, kter´e stoj´ı za zm´ınku, pˇredstavovala dvojice tˇr´ıpinov´ych konektor˚u. Na tyto konektory bylo moˇzn´e pˇriv´est extern´ı nap´ajen´ı a z´aroveˇn mˇeˇrit spotˇrebu druh´e ˇc´asti kitu (bez program´atoru a debuggeru). Pro pˇripojov´an´ı dalˇs´ıch modul˚u a kit˚u ke st´avaj´ıc´ı desce slouˇzily dva konektory s GPIO piny mikrokontrol´eru CC1310. Na obr´azku 5.2 lze sledovat pˇredstaven´y v´yvojov´y board LAUNCHXL- CC1310.
Obr´azek 5.2: LAUNCHXL-CC1310
5.2 Programov´ an´ı a software TI
Posledn´ı v´yvojov´e studio, kter´e bylo pouˇzito v t´eto diplomov´e pr´aci neslo n´azev Code Composer Studio - Integrated Development Environment [41]. Toto prostˇred´ı podporovalo ˇsirok´e spektrum mikrokontrol´er˚u od firmy Texas Instruments a disponovalo t´eˇz C/C++ kompil´atorem, debuggerem a mnoha dalˇs´ımi funkcemi.
Nutno t´eˇz poznamenat, ˇze byla pouˇzita verze CSSv6, kter´a nemˇela ˇz´adn´a omezen´ı z hlediska ˇcasu, velikosti a ladˇen´ı k´odu. Instalace tohoto programu byla provedena jak na operaˇcn´ım syst´emu Windows XP, tak v Linux Ubuntu 16.04 LTS. Pot´e doˇslo k v´ybˇeru a instalaci dodatk˚u, a to TI-RTOS CC13xx/CC26xx (operaˇcn´ıho syst´emu od firmy Texas Instruments pro ˇcip CC1310) pomoc´ı aplikace App Center um´ıstˇen´e pˇr´ımo ve v´yvojov´em prostˇred´ı.
N´asledoval v´ybˇer vhodn´eho programovac´ıho k´odu z pˇredem pˇripraven´ych pro- jekt˚u, kter´y by byl pouˇziteln´y pro n´asledn´y v´yvoj. Prvn´ı dvojic´ı testovac´ıch softwar˚u se staly projekty s n´azvy:
rfPacketTx CC1310 LAUNCHXL TI CC1310F128 [42]- pro vysl´an´ıinformace,
rfPacketRx CC1310 LAUNCHXL TI CC1310F128 [43]- pro pˇr´ıjem informace.
Nutno uv´est, ˇze tyto softwary pouˇz´ıvaly jiˇz zm´ınˇen´y TI-RTOS, na kter´y se vzta- hovala podpora od firmy Texas Instruments. Kdyby doˇslo k v´yvoji k´odu bez pouˇzit´ı operaˇcn´ıho syst´emu, tak by t´ım automaticky nebyla podpora firmy TI zajiˇstˇena.
Tento fakt vypl´yval i z pozdˇeji objeven´e diskuze o programov´an´ı CC1310 na f´oru firmy Texas Instruments, kdy nebyla poskytnuta ˇz´adn´a rada uˇzivateli, kter´y vyv´ıjel software bez pouˇzit´ı TI-RTOS. Tento operaˇcn´ı syst´em disponoval chytˇre napro- gramovan´ym usp´av´an´ım procesoru CC1310, takˇze zde nedoch´azelo ke zbyteˇcn´emu pl´ytv´an´ı energi´ı pˇri pouˇzit´ı OS.
Vys´ılac´ı program rfPacketTx byl tvoˇren pomoc´ı jednoho tasku, a to vys´ılac´ıho.
Ten po pˇredem naprogramovan´e dobˇe (pomoc´ı intern´ıho RTC) odeslal paket. Bylo zde tak´e nakonfigurov´ano extern´ı pˇreruˇsen´ı na sestupnou hranu, kter´e vedlo na vstup tlaˇc´ıtka v´yvojov´eho kitu. Po poˇc´ateˇcn´ı inicializaci mikrokontrol´eru a nastaven´ı vys´ı- lac´ıho modulu uvnitˇr integrovan´eho obvodu doˇslo ke spuˇstˇen´ı BIOSu pomoc´ı funkce BIOS start(), ve kter´em byla t´eˇz zahrnut´a usp´avac´ı policie.
Tento program velice dobˇre pokr´yval testovac´ı poˇzadavky. Zachycen´ı pulzu v tomto pˇr´ıpadˇe zajiˇst’ovalo extern´ı pˇreruˇsen´ı. Odes´ıl´an´ı informace za pˇredem na- programovan´y ˇcas bylo umoˇznˇeno pomoc´ı intern´ıho ˇcasovaˇce. Usp´av´an´ı se v tomto pˇr´ıpadˇe uskuteˇcˇnovalo automaticky. Jedin´a ´uprava tedy spoˇc´ıvala v inkrementaci promˇenn´e, ve kter´e byl akumulov´an poˇcet pulz˚u a n´asledn´e zaˇrazen´ı t´eto informace do odes´ılac´ıho paketu. Pro testovac´ı ´uˇcely simulace S0 v´ystupu mohly b´yt vyuˇzity dva zp˚usoby. Pomoc´ı stisku tlaˇc´ıtka na v´yvojov´em kitu ˇci propojen´ı pinu PG13 na boardu STM32F429l-DISCO od firmy STMicroelectronics s pinem GPIO13 na TI LaunchPad kitu.
Program rfPacketRx, kter´y ˇcekal na pˇr´ıchoz´ı zpr´avu od vys´ılaˇce, byl t´eˇz tvoˇren pomoc´ı jednoho tasku, a to pˇrij´ımac´ıho. Po z´ısk´an´ı paketu doˇslo k pˇreposl´an´ı infor- mace na s´eriovou komunikaci. Pˇri spojen´ı v´yvojov´eho kitu s poˇc´ıtaˇcem pomoc´ı USB kabelu tak ˇslo velice jednoduˇse sledovat pˇr´ıchoz´ı zpr´avu. Po inicializaci t´eˇz doˇslo ke spuˇstˇen´ı BIOSu jako v pˇr´ıpadˇe vys´ılac´ıho softwaru.
I zde byl software velice dobˇre pouˇziteln´y pro testovac´ı ´uˇcely, co se t´yˇce pˇr´ıjmu informace. Doˇslo nav´ıc k naprogramov´an´ı pinu GPIO7, na kter´em byla t´eˇz pˇripojena zelen´a LED dioda, za ´uˇcelem zobrazen´ı poˇctu pulz˚u z vizu´aln´ı str´anky a moˇznosti pˇripojen´ı tohoto pulzn´ıho vstupu na SM2-RM viz 3.7.
Po nahr´an´ı firmwaru do v´yvojov´ych kit˚u lze pozorovat v´yslednou komunikaci, viz obr´azek 5.3.
Kl´ıˇcov´e informace t´eˇz tvoˇrily ´udaje jako spotˇreba a dosah vys´ılac´ıho kitu. Tyto prvky lze shl´ednout v n´asleduj´ıc´ı tabulce 5.1.
V t´eto ˇc´asti doˇslo k testov´an´ı posledn´ıho v´yvojov´eho kitu. Nyn´ı n´asledovalo porovn´av´an´ı dosaˇzen´ych dat a parametr˚u tak, aby fin´aln´ı produkt nejl´epe pokr´yval poˇzadavky firmy Solar Monitor s.r.o.
Obr´azek 5.3: Pˇrenos pulz˚u v programu PuTTY
Reˇˇ sen´ı a m´ody Spotˇreba Jednotky
TI ˇreˇsen´ı - pˇri vys´ıl´an´ı 13,1 mA
TI ˇreˇsen´ı - pˇri pˇr´ıjmu 6,1 mA
TI ˇreˇsen´ı - shutdown mode 18,1 uA
Reˇˇ sen´ı Dosah Jednotky
TI ˇreˇsen´ı - dosah cca 330 m
Tabulka 5.1: Spotˇreba a dosah TI ˇreˇsen´ı
6 N´ avrh fin´ aln´ıho ˇ reˇ sen´ı
6.1 Porovn´ av´ an´ı dosaˇ zen´ ych v´ ysledk˚ u
Pro jednoduchost a lepˇs´ı pˇrehlednost byly dosaˇzen´e v´ysledky shrnuty do fin´aln´ı tabulky 6.1, ve kter´e figuruj´ı ´udaje o spotˇrebˇe a dosahu jednotliv´ych ˇreˇsen´ı, kter´a byla v pˇredchoz´ıch kapitol´ach testov´ana.
Reˇˇ sen´ı a m´ody Spotˇreba Jednotky
ˇreˇsen´ı na nep´ajiv´em poli - pˇri vys´ıl´an´ı 28,9 mA ˇreˇsen´ı na nep´ajiv´em poli - sleep mode 20,2 uA
Reˇˇ sen´ı Dosah Jednotky
ˇreˇsen´ı na nep´ajiv´em poli - dosah cca 50 m
radino - dosah s ant´enami cca 150 m
Reˇˇ sen´ı a m´ody Spotˇreba Jednotky
Anarduino - pˇri vys´ıl´an´ı 33,4 mA
Anarduino - pˇri pˇr´ıjmu 26,9 mA
Anarduino - sleep mode 24 uA
Reˇˇ sen´ı Dosah Jednotky
Anarduino - dosah cca 50 m
Anarduino - dosah s extern´ı ant´enou cca 150 m
Reˇˇ sen´ı a m´ody Spotˇreba Jednotky
STM ˇreˇsen´ı - pˇri vys´ıl´an´ı 10,3 mA
STM ˇreˇsen´ı - pˇri pˇr´ıjmu 6,4 mA
STM ˇreˇsen´ı - sleep mode 252 uA
Reˇˇ sen´ı Dosah Jednotky
STM ˇreˇsen´ı - dosah cca 150 m
Reˇˇ sen´ı a m´ody Spotˇreba Jednotky
TI ˇreˇsen´ı - pˇri vys´ıl´an´ı 13,1 mA
TI ˇreˇsen´ı - pˇri pˇr´ıjmu 6,1 mA
TI ˇreˇsen´ı - shutdown mode 18,1 uA
Reˇˇ sen´ı Dosah Jednotky
TI ˇreˇsen´ı - dosah cca 330 m
Tabulka 6.1: Spotˇreba a dosah vˇsech ˇreˇsen´ı
D´ale byly v tabulce 6.1 zv´yraznˇeny ´udaje, kter´e vypl´yvaly z pˇredchoz´ıch mˇeˇren´ı jako nejlepˇs´ı. Lze si povˇsimnout, ˇze vˇetˇsina prvenstv´ı patˇrila ˇreˇsen´ı od firmy Texas
Instruments aˇz na vys´ılac´ı spotˇrebu proudu. Tam dominoval bezdr´atov´y modul SPI- RIT1 od STMicroelectronics. Nutno dodat, ˇze vys´ılac´ı spotˇreba tvoˇrila jen nepatr- nou ˇc´ast celkov´eho odbˇeru proudu, tud´ıˇz nemˇela aˇz takov´y v´yznam pˇri koneˇcn´em v´ypoˇctu spotˇreby zaˇr´ızen´ı. Na tom se hlavnˇe pod´ılela spotˇreba proudu v ´usporn´ych m´odech, kdy nepˇrich´azely ˇz´adn´e pulzy a nic nebylo vys´ıl´ano ani pˇrij´ım´ano.
Dosah komunikace mezi pˇrij´ımaˇcem a vys´ılaˇcem u vˇsech dosavadn´ıch testo- van´ych modul˚u zn´azorˇnuje obr´azek 6.1. Tato zkouˇska byla prov´adˇena ve stejn´em prostˇred´ı tak, aby mˇely vˇsechny v´yvojov´e kity a ˇreˇsen´ı srovnateln´e podm´ınky.
Lokace pˇrij´ımaˇce,
ˇReˇsen´ı na nep´ajiv´em poli,
Anarduino s extern´ı ant´enou,
Radino s extern´ı ant´enou,
STMicroelectronics,
Texas Instruments.
Obr´azek 6.1: Maxim´aln´ı dosah vˇsech ˇreˇsen´ı (pˇrevzato z [44])
Lze velice dobˇre pozorovat, ˇze maxim´aln´ı vzd´alenost pˇrenesen´e informace pˇri po- uˇzit´ı TI LaunchPad kitu je v´ıce neˇz dvojn´asobn´a.
Z hlediska dostupnosti a pˇripravenosti softwarov´ych pˇr´ıklad˚u a v´yvojov´ych prostˇred´ı byla vˇsechna testovac´ı ˇreˇsen´ı relativnˇe na stejn´e ´urovni. Negativn´ım do-
