Snel een prototype maken en debuggen van een draadloze sensornode met maar één platform

Van HVAC en fabrieksautomatisering tot automotive, medische en consumentenelektronica: ontwikkelaars van draadloos verbonden sensorapparaten worden voortdurend uitgedaagd om snel en kosteneffectief te werk te gaan, terwijl ze tegelijkertijd moeten voldoen aan de steeds toenemende eisen aan regelgeving, interoperabiliteit en prestaties. Hoewel het vaak verleidelijk is om vanuit het niets een draadloos sensorproduct te ontwerpen, om het te onderscheiden op het gebied van prestaties en afmetingen, is het sneller en voordeliger om kant-en-klare kits te gebruiken die zijn ontworpen om snel prototypes te maken en te ontwikkelen en die vastgestelde ecosystemen hebben voor ondersteuning en schaalbaarheid.

Eén van die platforms is de LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag Kit van Texas Instruments. De kit combineert een draadloze microcontroller (CC1352R), sensors, meerdere draadloze interfaces, relatief hoge prestaties en een laag energieverbruik - allemaal in een kleine, compacte vormfactor met een breed en beproefd ecosysteem van software en tools-support.

In dit artikel wordt de ontwikkelende natuur van draadloze sensorproductontwerp en -prototypering beschreven; ook wordt de CC1352R SensorTag Kit geïntroduceerd en besproken hoe je ermee aan de slag kunt gaan.

Waarom zou je een draadloze sensorprototypingkit gebruiken?

Draadloze sensorapparaten vormen een lastig probleem voor ontwerpers. Ze moeten echt ten minste 1 tot 10 jaar mee kunnen gaan voordat hun batterijen moeten worden vervangen om onderhoud te beperken. Ze moeten ook een bepaald niveau van on-board processing en analyse kunnen uitvoeren, omdat er minder data hoeft te worden uitgewisseld als dat zo dicht mogelijk bij de rand van het Internet of Things (IoT) gebeurt, wat weer het energieverbruik beperkt en beter gebruik maakt van de beschikbare draadloze bandbreedte.

Draadloze bandbreedte heeft zo zijn eigen problematiek, omdat ontwerpers moeten kiezen uit meerdere draadloze stacks, zoals Bluetooth, Thread en Zigbee die met sub-gigahertz (GHz)-frequenties of op 2,45 GHz werken Iedere stack heeft zijn eigen voor- en nadelen met betrekking tot de manier waarop ze bandbreedte, vermogen en processingbronnen gebruiken. Om er één te kunnen kiezen, is een zorgvuldige analyse nodig van de eisen van de toepassing op het gebied van datasnelheden, bereik, aantal verwachte nodes, netwerktopologie, latentie-eisen, inschakelduur, energieverbruik, netwerkprotocol-overhead, interoperabiliteit en regelgevingseisen.

Het is relatief eenvoudig om de juiste interface te kiezen voor een nieuw "greenfield"-gebruik, maar in Industrial IoT (IIoT)-toepassingen zijn er vaak al draadloze netwerken die gebruikt worden, zodat de ontwerper moet beslissen of er direct met andere nodes moet worden verbonden die dezelfde interface gebruiken, of dat er een andere interface moet worden gebruikt die beter kan zijn voor de toepassing, waarna de oude met de nieuwe wordt verbonden via een gateway.

Dit zijn allemaal beslissingsbomen met betrekking tot de toepassing die ontwerpers moeten doorlopen; maar bij prototypering en het ontwikkelen van een idee, is het maar zelden de moeite waard om een interface te ontwerpen vanuit het niets en dan een bijbehorende processor en sensors te kiezen, om nog maar te zwijgen over de investering in tijd en bronnen voor software-ontwikkeling en -integratie. Het is waar dat "zelfgemaakte" ontwerpen voordelen kunnen hebben voor ultrahoge productievolumes voor massamarktontwerpen. In veel gevallen hebben ingenieurs die een node voor hun eigen fabrieksproductielijn ontwerpen echter maar een paar nodes nodig om data te krijgen van sommige motoren, een bepaald punt op een productielijn, of een thermometer, zodat grote volumes dus geen ontwerpeis is. In dergelijke gevallen is een kant-en-klare kit perfect.

Als er grotere volumes nodig kunnen zijn, zijn er kant-en-klare RF-modules beschikbaar die al gecertificeerd zijn en voldoen aan de regelgeving. Deze kunnen de prototypering versnellen en de ontwikkelings- en gebruikskosten laag houden, omdat ze voorzien zijn van veel firmware en software-ondersteuning. In die gevallen moeten de ontwerpers de gewenste platformprocessor, sensors en bijbehorende software-elementen in elkaar zetten voor iedere sensor en extra blok.

Dit is ok wanneer de ontwerper al weet welke draadloze interface er moet worden gebruikt. Als het project echter nog in de beslissingsfase is voor meerdere ontwerpen en meerdere toepassingen, met bestaande en vaak niet-interoperabele draadloze interfaces, is er een flexibele benadering van prototyping en ontwikkeling van draadloze sensor nodig.

SensorTag: Een uitgebreid prototypingplatform voor draadloze sensors

Het is beter om een kant-en-klaar platform te vinden dat de kernelementen van een draadloos werkende detectie- en verwerkingsnode bevat, met de benodigde sensors, software en het ecosysteem om een ontwerper te ondersteunen, terwijl het toch verkenning en onderscheiding mogelijk maakt in hogere lagen van de software-ontwikkelingsstack. Dat wordt geboden door Texas Instruments (TI) met zijn LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag-kit (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: De LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag-kit heeft alles wat een ontwerper nodig heeft om een draadloze sensortoepassing te prototyperen en te ontwikkelen. (Bron afbeelding: DigiKey, gebaseerd op materiaal van Texas Instruments)

De kit is gebaseerd op de CC1352R multi-band draadloze microcontroller (MCU) van TI, waaromheen omgevings- en bewegingssensors en software is toegevoegd - dat alles in een afneembare behuizing met een externe sub 1 GHz draaibare antenne, tweedraads kabel vrouwtje-naar-vrouwtje, een 10-pins bandkabel voor een JTAG-verbinding en een snelstartgids. Niet inbegrepen, maar wel aanbevolen bij de kit zijn de LAUNCHXL-CC1352R1 SimpleLink Multi-Band CC1352R draadloze MCU Launchpad ontwikkelingskit van TI en twee AAA-batterijen, hoewel de SensorTag ook kan werken op een CR2032-knoopcelbatterij met een speciale batterijhouder die op de achterkant van de printplaat kan worden bevestigd.

Het hart van de SensorTag-kit is de CC1352R multi-band draadloze MCU (Afbeelding 2). Dit is onderdeel van het TI SimpleLink MCU-platform, wat is ontworpen om alle bouwstenen te bieden voor een topologie met een veilige laagvermogenverbinding.

Afbeelding 2: de CC1352R multi-band draadloze microcontroller van TI voldoet aan de FCC-, CE- en IC-certificering voor dual-band-gebruik op 2,4 GHz en sub 1 GHz en vormt het hart van de LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag-kit. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

De CC1352R microcontroller is FCC-, CE- en Industry Canada (IC)-gecertificeerd voor dual-band-gebruik op 2,4 GHz en sub 1 GHz, wat Bluetooth Low Energy (BLE), Thread, Zigbee, voor IPv6 geschikte laagverbruiks draadloze personal area networks of smart objects (6LoWPAN) omvat, en andere op IEEE 802.15.4g physical layer (PHY) gebaseerde eigen protocollen, zoals TI's SimpleLink TI 15.4-Stack (sub 1 GHz en 2,4 GHz). Bij gebruik van een Dynamic Multiprotocol Manager (DMM) kunnen er gelijktijdig meerdere protocollen worden uitgevoerd.

De ontvanger van de radio heeft een gevoeligheid van -121 dBm (decibel-milliwatt (mW)) in de SimpleLink langeafstandsmodus; -110 dBm bij 50 kilobit/s (kbps); en -105 dBm voor Bluetooth bij 125 kbps (met een LE-gecodeerde PHY). Het maximale zendvermogen is +14 dBm in de sub-GHz banden, waarbij 24,9 milliampère (mA) wordt verbruikt, en +5 dBm bij 2,4 GHz, waarbij 9,6 mA wordt verbruikt. De standbystroom is merkbaar bij 0,85 microampère (µA)—met volledig RAM-behoud. Het is ook klaar voor IIoT met een standbystroom van 11 µA bij 105 ˚C. Een ontwerper kan met verschillende standbymodi en analoog-naar-digitaal converter- (ADC) samplingsnelheden spelen om het te optimaliseren voor een laag verbruik. De ADC kan bijvoorbeeld worden ingesteld op sampling met 1 hertz (Hz), waarbij het systeem 1 µA verbruikt.

De processor in het hart van de CC1352R heeft een 48 megahertz (MHz) Arm® Cortex®-M4F-kern ondersteund door 352 Kbyte in-systeem programmeerbaar flash, 256 Kbyte ROM voor protocollen en bibliotheekfuncties en 8 Kbyte SRAM-cache. Hij ondersteunt over-the-air (OTA) upgrades en heeft AES 128- en AES 256-versnelling.

Geprogrammeerd voor lage BOM

Een van de problemen waarmee RF front-end-ontwerpers te maken krijgen, is het aantal toegevoegde discrete passieve componenten die nodig zijn voor filtratie, impedantie-afstemming en andere functies. Deze verhogen de BOM en compliceren de layout. Om de implementatie van de CC1352R te vereenvoudigen, heeft TI samengewerkt met Johanson Technology om een aangepast integrated passive component (IPC)-pakket te ontwikkelen van 1 x 1.25 x 2 millimeter (mm) groot dat het aantal componenten terug heeft gebracht van 23 tot 3 (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: In samenwerking met Johanson Technology heeft TI een IPC ontwikkeld om de implementatie van de TI CC1352R, die de benodigde passieve componenten terugbracht van 23 tot 3, te vergemakkelijken. (Bron afbeelding: DigiKey, uit materiaal van Johanson Technology)

Er worden vier sensors bij de SensorTag-kit geleverd, maar als er meer of andere sensors nodig zijn, kunnen die worden gekozen uit en snel toegevoegd aan de BoosterPack LaunchPad plug-inmodules van TI. De vier sensors in de SensorTag-kit zijn:

• De TI HDC2080 vochtigheids- en temperatuursensor
• De TI OPT3001 omgevingslichtsensor
• De TI DRV5032 Hall-effect-schakelaar
• De TI ADXL362 versnellingsmeter

De layout en verbindingen met de sensors worden weergegeven (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: De SensorTag-kit bevat sensors voor vochtigheid en temperatuur, omgevingslicht, versnelling en Hall-effect. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

De connectors zijn LaunchPad-compatibel zodat er samen met sensoren ook gemakkelijk BoosterPack-randapparatuur zoals LCD-schermen of zelfs aangepaste circuits kunnen worden aangesloten.

Aan de slag met de LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag-kit

Om aan de slag te gaan met de LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag-kit, download je de SimpleLink CC13x2 en CC26x2 softwareontwikkelingskit (SDK). Deze versie is alleen gevalideerd voor apparaten met Rev. E, dus gebruik voor Rev. C of eerder v2.30.00.xx. Ga wanneer deze is gedownload naar de SimpleLink Academy, waar je stap-voor-stap-instructies en voorbeelden kunt vinden.

Om snel samplegegevens te verkrijgen, is de kit vooraf geprogrammeerd met een Bluetooth 5 (BLE5)-project dat Multi-Sensor heet en dat via een BLE-verbinding wordt verbonden met smartphones en tablets waarop de SimpleLink Starter-app voor iOS en Android is geïnstalleerd. Met deze eerste verbinding kunnen ontwerpers beginnen te kijken naar sensorgegevens, leds omschakelen, knoppenstatussen aflezen en de firmware bijwerken met OTA Download (OAD)-mogelijkheden (Afbeelding 5). Op dit punt kunnen ontwerpers ook data vanaf het mobiele apparaat naar de cloud pushen.

Afbeelding 5: Ontwerpers kunnen beginnen te experimenteren met de LaunchPad SensorTag-kit via een BLE-verbinding met een smartphone of tablet waarop de SimpleLink Starter-app is geïnstalleerd, voor zowel het iOS- als het Android-platform. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Naast BLE heeft de LPSTK nog twee voorbeelden: het ene gebruikt de LPSTK als een Zigbee-lichtschakelaar; het andere gebruikt de kit als sensornode in een 802.15.4-netwerk. Alle drie de voorbeeldprojecten zijn als volgt beschikbaar in de SDK:

• Multi-Sensor:
  • <simplelink_cc13x2_26x2_sdk install location>\examples\rtos\CC1352R1_LAUNCHXL\ble5stack\multi_sensor
• TI DMM sensor-node:
  • \CC1352R1_LAUNCHXL\dmm\dmm_154sensor_remote_display_oad_lpstk_app
• Zigbee-schakelaar:
  • \CC1352R1_LAUNCHXL\dmm\dmm_zed_switch_remote_display_oad_app

Als aanvulling op SimpleLink en de Starter-app, biedt IT SysConfig, een gecombineerde graphical user interface (GUI)-tool om initialisatiecode voor de diverse SimpleLink SDK-componenten mogelijk te maken, te configureren en te genereren, inclusief TI-stuurprogramma's en stack-configuratie voor BLE, Zigbee, Thread en TI-15.4 (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: In aanvulling op SimpleLink is SysConfig van TI is een eenvoudig te gebruiken verzameling van grafische hulpprogramma's voor het configureren van pinnen, randapparatuur, radio's, subsystemen en andere componenten. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Net als bij alle systeemontwerpen komt het vrijwel niet voor dat er geen enkele mate van debugging nodig is. Voor deze fase is de SensorTag ontworpen voor gebruik met de ingebouwde XDS110-debugger in een LaunchPad-ontwikkelingskit (in dit geval de eerder genoemde LAUNCHXL-CC1352R), daarom zit er een Arm 10-pins JTAG-kabel en een tweedraads UART-kabel bij. Na verbinding maken deze volledige debug-, programmerings- en UART-communicatie mogelijk. Volg de onderstaande stappen om de kabels aan te sluiten:

• Koppel de isolatiejumpers op het LaunchPad los
• Sluit de Arm 10-pins JTAG-kabel aan op de XDS110 OUT-stiftlijst op de LaunchPad SensorTag
• Sluit het andere uiteinde van de Arm 10-pins kabel aan op de JTAG-stiftlijst op de LaunchPad SensorTag
• Sluit de tweepins jumperkabel aan op de bovenste pinnen van RXD en TXD (grijze draad op RXD, witte draad op TXD)
• Sluit het andere uiteinde van de tweepins jumper aan op pinnen 12/RX en 13/TX op de LaunchPad SensorTag (grijs op 12/RX, wit op 13/TX)
• Sluit de LaunchPad aan op een PC of laptop

De volledige setup kan er uitzien zoals op Afbeelding 7.

Afbeelding 7: Voor debuggen moet de sensor worden verbonden met de LAUNCHXL-CC1352R LaunchPad ontwikkelingskit met de Arm 10-pins JTAG-kabel en de tweepins UART-kabel, die beide in de SensorTag-kit worden geleverd. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Het moet worden vermeld dat, omdat een lopend beeld zichzelf niet kan bijwerken, een inkomend OAD-beeld moet worden opgeslagen op een tijdelijke locatie terwijl het wordt ontvangen. Deze tijdelijke locatie kan worden gereserveerd in intern flashgeheugen of off-chip. In beide gevallen wordt er zodra het beeld volledig is gedownload, een Boot Image Manager (BIM), die permanent aanwezig is op het SensorTag-apparaat, gebruikt om te bepalen of een nieuw beeld geldig is en of het moet worden geladen en uitgevoerd (gebaseerd op een beeld-header).

De BIM is met name nuttig omdat de ontwerper daar, bijvoorbeeld, mee terug kan keren naar het oorspronkelijke out-of-box-beeld na een OAD. Om dit te doen, houdt u BTN-1 (linker knop) ingedrukt tijdens het opstarten of een reset en de BIM keert terug naar het out-of-box beeld (bijv. Multi-Sensor).

Conclusie

Hoewel er veel draadloze interfaces zijn om uit te kiezen bij het implementeren van een draadloze sensornode, hoeven ontwikkelaars geen tijd en middelen te gebruiken voor het prototyperen van iedere interface om te zien welke het beste werkt voor een bepaalde toepassing. In plaats daarvan kunnen ontwerpers door de LPSTK-CC1352R SensorTag-kit en bijbehorende LaunchPad hardware, software, en ecosysteem te gebruiken, interfaces gemakkelijk combineren, er één of meerdere tegelijk gebruiken en BoosterPack-sensors naar behoefte toevoegen en omwisselen.