Сегодня мы поговорим об одной интересной платке — LORAmaster Lite, которая представляет собой «микро-ядерную» платформу для построения батарейных и стационарных LoRa нод (датчиков, актуаторов и т. п. устройств).

«Микро-ядерность» LORAmaster Lite заключается в том, что на этой миниатюрной платке, сравнимой по размерам с популярной Pro Mini, содержится всё для построения законченного устройства — управляющий микроконтроллер, LoRa модуль на SX1262, аппаратный Watchdog, крипточип ATSHA204A, подсистема управления питанием датчиков и многое другое.

Но самое главное, на этой же платке находится чип DC/DC преобразователя Texas Instruments TPS63802, который позволяет «прямо из коробки» как угодно запитывать устройство — можно от сетевого источника питания, можно от пары батареек AA или AAA, а можно и от литиевого аккумулятора 3,7 В.

Другими словами — подцепил батарею, подключил датчики, залил прошивку (благо контроллер совместим с Pro Mini) — и батарейная долгоживущая LoRa нода готова.

Не об этом ли мы мечтали всё это время?

❯ LORAmaster Lite

Для начала давайте пройдёмся по формальным характеристикам LORAmaster Lite, чтобы лучше представлять с чем мы имеем дело:

• LoRa модуль EBYTE E22-900MM22S на чипе SX1262

• Разъём для внешней LoRa антенны

• Микроконтроллер ATmega328P (8 МГц, 3,3 В)

• Сторожевой таймер TI TPL5010

• Криптомикросхема ATSHA204A

• DC/DC преобразователь TI TPS63802

• Напряжение питания от 1,8 до 5,5 В

• Ток потребления до 2 А

• Ток в режиме сна не более 60 мкА (типовое — 20-30 мкА)

• Коммутация питания периферии

• Сетодиод индикации режимов

• Перемычки на плате для подключения/отключения подсистем

И самое интересное, что всё это умещается на платке, сравнимой по габаритам со стандартной Pro Mini.

Далее я чуть более подробно прокомментирую все основные компоненты и свойства LORAmaster Lite.

❯ Архитектура

Архитектура контроллера хорошо видна на следующей схеме. Всё довольно просто и логично. Программирование производится при помощи внешнего USB-UART переходника, что тоже логично, поскольку при типовом применении LORAmaster Lite он просто не нужен на плате.

❯ MCU ATmega328P

ATmega328P хорошо соответствует своей роли в устройствах подобного рода — его производительности с запасом хватает для обслуживания потребностей LoRa ноды по получению данных с датчиков, управления актуаторами и взаимодействия с LoRa модулем.

Собственное потребление ATmega328P в режиме сна составляет менее 1-4 мкА, что делает его применимым для построения нод, годами работающих от одного комплекта батарей или литиевого аккумулятора.

Ну а главным преимуществом ATmega328P является его популярность — с ним знаком практически каждый электронщик и для него существуют мегатонны готового софта и туториалов на все случаи жизни.

Официальная распиновка LORAmaster Lite

❯ LoRa SX1262

Чип SX1262 — это несколько более новый и продвинутый аналог популярных микросхем Semtech SX1276/1278. В целом это примерно то же самое, но с некоторыми дополнительными возможностями и улучшенными характеристиками, которые в нашем случае не принципиальны и я не буду на них останавливаться.

А вот что является принципиально важным и существенным для нас, так это отсутствие полноценной поддержки SX1262 в Arduino-библиотеках. Для чипов SX1276/1278 существует библиотека Arduino LoRa, которая является стандартом де-факто для использования LoRa в Arduino, а для чипа SX1262 существуют только куцые и порезанные функционально библиотеки, которые не позволяют полноценно работать с SX1262.

В комплекте с LORAmaster Lite идёт библиотека ELABORY-SX1262, которая имеет все необходимые функции и по своим возможностям и синтаксису максимально приближается к стандартной библиотеке Arduino LoRa (благодаря чему потребуется минимальная переделка при адаптации старого кода от SX1276/1278).

❯ Аппаратный сторожевой таймер

Сторожевой таймер (Watchdog) необходим любому контроллеру, претендующему на звание более-менее «серьёзного».

В LORAmaster Lite в качестве вачдога применяется микромощный таймер Texas Instruments TPL5010, специально предназначенный для подобных целей. Собственное потребление чипа TPL5010 мизерно и практически не влияет на расход энергии батареей.

❯ ATSHA204A

Криптомикросхема ATSHA204A — это скорее факультативное дополнение, которое может быть использовано при необходимости, поскольку для работы с ней нужно иметь соответствующую, довольно серьёзную, квалификацию (или встроенную в заливаемый код готовую поддержку).

Но если ваша квалификация или готовая прошивка позволяют, то при помощи ATSHA204A можно безопасно хранить ключи, генерировать и проверять хеши, организовать аутентификацию беспроводных пакетов и использовать различные продвинутые сценарии работы с криптографией.

Кстати, популярный проект MySensors имеет поддержку ATSHA204A «из коробки». Правда, чтобы воспользоваться ей, нужно иметь степень профессора компьютерных наук Стенфорда (смайл).

❯ Блочная архитектура

В LORAmaster Lite применяется довольно логичная, но почему-то нигде больше не встречающаяся блочная архитектура. Смысл следующий:

Количество выводов контроллера ограничено и подсистемы контроллера (криптомикросхема, вачдог, светодиод, управление питанием датчиков и т. д.) конкурируют за GPIO с линиями (выводами) контроллера, доступными для подключения внешних компонентов.

В LORAmaster Lite на плате присутствуют физические перемычки, которыми можно сконфигурировать контроллер на аппаратном уровне, включив нужные и отключив ненужные подсистемы и высвободив тем самым лишние GPIO для внешних подключений.

Например, если в вашем проекте не задействована криптомикросхема ATSHA204A, то разорвав перемычку JP4, можно высвободить GPIO D7 для подключения какого-нибудь датчика или реле.

❯ Управление периферией

Если вы используете в своём проекте, например, современный управляемый и малопотребляющий датчик, то проблем не возникает — при необходимости вы переводите этот датчик в режим сна и далее уводите в сон сам микроконтроллер.

Но, если вам необходимо работать в батарейном режиме с многопотребляющим неуправляемым датчиком, то он просто за несколько часов высадит всю ёмкость питающей батареи.

На этот случай в LORAmaster Lite имеется подсистема управления питанием периферии, которая может принудительно отключать питание подобных датчиков и включать его только на краткие периоды времени, когда LoRa ноде необходимо проводить измерения.

Эта же самая подсистема может использоваться и в стационарном режиме работы ноды при питании от сети для коммутации какого-то оборудования (с током до 1,5 А).

❯ Универсальное питание

Благодаря микросхеме TI TPS63802 контроллеру LORAmaster Lite вообще без разницы как получать питание — от сетевого источника питания, батареек AA или AAA или литиевого аккумулятора 3,7 В — вы, как разработчик, получаете полную свободу действий «прямо из коробки».

Если проект предусматривает создание стационарной LoRa ноды, то можно подавать питание на вход контроллера 1,8-5,5 В или сразу подавать стабилизированное питание 3,3 В.

Выбор между использованием батареек AA или AAA или литиевого аккумулятора на 3,7 В для автономной ноды определяется особенностями проекта и предпочтениями разработчика, LORAmaster Lite всё равно как вы его будете запитывать.

Обратите внимание: здесь RAW вход питания не просто позволяет запитывать контроллер от источника напряжения 1,8-5,5 вольт, но и работает в режиме LowPower, то есть делает это с микроамперным потреблением, позволяющим длительное время работать ноде от батареек или аккумуляторов (см. подробнее ниже).

Учитывая универсальность и всеядность питания LORAmaster Lite, становятся доступны различные экзотические варианты, наподобие запитки LoRa ноды от солнечной панели и т. п.

❯ Ток потребления

Теперь нужно сказать несколько слов о технической стороне вопроса питания LORAmaster Lite.

Типовой величиной тока потребления при уводе в сон LORAmaster Lite и всей его периферии является 20-30 мкА. Это суммарное потребление DC/DC преобразователя TPS63802, самого чипа ATmega328P, присутствующей на плате периферии (ATSHA204A и TPL5010) и прочих элементов. Этого значения можно достигнуть при грамотной аппаратной конфигурации контроллера и грамотном программном коде, который управляет его работой (то есть когда вы всё сделали правильно и у вас нигде ничего «не протекает»). При грамотной же организации сессионного выхода в эфир LoRa модуля и токе потребления в режиме сна 20-25 мкА, батарейная LoRa нода может автономно работать годами.

Сколько проработает ваша нода определяется как её током потребления во время сна, так и расписанием выхода в эфир и набором параметров самого LoRa сигнала. Тут много нюансов, но это тема для отдельной статьи, здесь я на этом не буду останавливаться подробно.

Небольшой комментарий по поводу величины тока потребления. Законы физики обойти нельзя и при исчерпании ёмкости батареек и падении их напряжения, преобразователю TPS63802 приходится потреблять больший ток, чтобы поддерживать стабильные выходные 3,3 В. То есть величина тока потребления (в спящем режиме) 35-60 мкА относится только к граничным случаям работы от почти севших батареек.

❯ Материнские платы для LORAmaster Lite

Учитывая «микро-ядерность» LORAmaster Lite, тут так и просится создание «материнских» плат для этого контроллера. Например, базы с литиевым аккумулятором и встроенной зарядкой или «метеостанцией» с набором соответствующих датчиков и т. п. устройств.

Примечание: плата LORAmaster Lite сделана таким образом, что все управляющие и коммутирующие элементы расположены на её верхней стороне. Это позволяет «наглухо» запаивать контроллер в материнские платы, не опасаясь из-за этого лишиться доступа к конфигурационным перемычкам.

Примечание 2: перемычка активации/дезактивации вачдога сделана в виде джампера (а не контактных площадок на плате) для того, чтобы можно было оперативно и без паяльника включать и отключать сторожевой таймер (например, для режима отладки или заливки прошивок).

Взял нужную базу, вставил в неё LORAmaster Lite — и готовое специализированное прикладное LoRa устройство готово. Можно также сделать типовые корпуса для этой системы — надеюсь в дальнейшем всё это появится на рынке.

❯ Поддержка

Для LORAmaster Lite доступны подробный даташит, открытая принципиальная схема и даже программ-пак с двумя десятками примеров кода для работы со всеми частями контроллера (это как раз то, что позволяет быстро и безболезненно начать работу с новым контроллером, но почему-то отсутствует практически у всех производителей контроллеров).

Программирование

Как я уже отметил, LORAmaster Lite совместим с мега-популярной Pro Mini, для которой доступно огромное количество проектов и туториалов. Можно взять любой понравившийся проект и адаптировать его под свои нужды на платформе LORAmaster Lite.

Максимум, что для этого потребуется — немного переделать код для SX1276/1278 под SX1262. Что при минимальной квалификации не так сложно при помощи библиотеки ELABORY-SX1262 — большинство функций там идентичны как по синтаксису, так и по функционалу, но немного пошевелить извилинами всё-таки придётся, или, как вариант, поручить это дело ИИ (заодно и посмотрим как он справится).

Выше список скетчей из программ-пака — есть примеры для работы со всеми подсистемами контроллера. От этих примеров можно отталкиваться при написании кода для собственных проектов.

❯ Заключение

LORAmaster Lite — это решение для создания любых (батарейных или стационарных) LoRa устройств на «раз-два» — подключил батарею и датчики, залил прошивку и LoRa нода готова. Не нужно ничего изобретать и паять, достаточно просто сконфигурировать плату перемычками, залить прошивку и запустить ноду в работу.

Использовать готовый специализированный контроллер или на коленке спаять всё это из рассыпухи и проводков — это каждый решает для себя самостоятельно, но я бы в своём будущем LoRa-проекте предпочёл готовую плату, где всё уже есть в компактном, продуманном и протестированном виде (и с предсказуемым результатом).

Новости, обзоры продуктов и конкурсы от команды Timeweb.Cloud — в нашем Telegram-канале ↩