Upload
vocong
View
212
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Bezdrát rychle a levně
Začátečníkův průvodce bezdrátovými moduly
Josef Nevrlý
Martin Poloch
Marek Gál
Martin Dundáček
Jaký bezdrát pro můj projekt?
2
• Co budu posílat?
• Jak daleko?
• Komu?
• Jak často?
Přenosová rychlost, protokol
Frekvence, výkon
Protokol, topologie
Spotřeba
Dopředu si DOBŘE rozmyslete:
Frekvence, antény, fyzika
3
ISM (bezlicenční) pásma
• 40 MHz (40,66-40,70 MHz)
• 433 MHz (433,05-434,79 MHz, jen data)
• 868 MHz (868–870 MHz)
• 2.4 GHz (2400-2483.5 GHz)
Neporušujme zákony:
• 915 MHz není povoleno v Regionu 1 (EU)!
• Pozor na výkony
http://www.ctu.cz/vyuzivani-vymezenych-radiovych-kmitoctu
http://www.ctu.cz/cs/download/oop/rok_2014/vo-r_10-05_2014-03.pdf
Fre
kvence
Vyšší rychlosti
Šíř
ka p
ásm
a
Nižší rychlosti
Nižší frekvence -> lepší
prostup budovami, ale také
větší antény a větší zarušení
(433MHz = domovní zvonky)
Protokol a vrstvy
4
https://en.wikipedia.org/wiki/OSI_model
Při návrhu vlastního protokolu vždy uvažujte ve vrstvách (inspirace – OSI-ISO
model), tak aby každá vrstva řešila konkrétní problém, a spodní vrstvy se mohly
zaměňovat. Stejný aplikační protokol pak můžete použít na různých technologiích
podle potřeby.
Bezdrátové moduly
5
RF a baseband
MCU
Anténa
UART, AT příkazy
RF a baseband
Anténa
SPI,
UART (bin)
Dva základní druhy radio modulů:
• S integrovaným MCU – dražší, jednodušší na použití (AT příkazy), MCU integruje
nižší vrstvy protokolu (paketizace, adresování apod.)
• Jen RF část – levnější, složitější rozhraní, nutnost implementovat i nižší vrstvy
protokolu (pracné), ale v případě nutnosti větší flexibilita.
Anténa bývá
integrovaná většinou
jen na 2.4 GHz
modulech.
Zlaté časy
6
nRF24L01
7
SPP = Serial Port Profile
Původně pro dálkové ovládání
televizí a domácích spotřebičů
Star topoloogie (broadcast jen z
Master modulu)
Spousta klonu-Beken, Semitech,
Panchip, Hope
SPI, AT příkazy
Jen RF24
P2P, Star
2.4k-2Mbps
10~100 m
nRF24L01
~20 CZK
• Ebay • Dokumentace:
• Info o protokolu a klonech
• Kompatibilni moduly
• Tutorial pro SPI verzi
IR LED
9
LED pouzdro vlnová délka
úhel vyzařování
proud zářivost cena
(GME)
nm ° mA mW/sr
(steradian)
TSAL6100 5mm 940 10 100 130 4,40 Kč
HSDL-4230 5mm 875 17 100 75 18,00 Kč
HSDL-4220 5mm 875 30 100 38 4,00 Kč
IR850 5mm 875 10 – 13 1000 160 9,20 Kč
L-934F3BT 3mm 940 50 50 14 4,10 Kč
L-7104F3C 3mm 940 34 50 30 4,60 Kč
IR přijímač - TSOP48(38)
10
cena: 20 – 25 kč (GME)
citlivost na určité vlnové délky
frekvence přijímaného signálu 30 – 38kHz
dosah až 35m (s IR LED TSAL6200, 250mA) ?
TB387
13
2.4G RS232(TTL Lever) Wireless Transceiver Module
Transceiver = Transmitter – Receiver (vysílač – přijímač)
TB387
14
AT příkazy
PC
Peer-to-Peer
2.4k~25.6kbps
30~120mA@5V
~100m
nRF24
~350
CZK
• Ebay
+ Velký dosah (vysoká spotřeba)
+ Jednoduché ovládání
- Nízká rychlost
- Vysoká cena
Tera Term
16
TeraTerm download
Popis ovládání
17
Komunikace pomocí sběrnice UART Learning AVR – C serial communication
Ovládání modulu pomocí AT commandů (příklady) AT+RETRY=xx - změna počtu opakovaných poslání
AT+FREQ? - vypíše frekvenci, na které vysílá/přijímá
AT+ID=xxxx - změna ID modulu
AT+ID=6969 - konkrétní změna ID
Moje použití modulu v LTG
18
’R’
“1523A” ID = 6969 -> 1234
ID = 6969
ID = 1234 -> 6969
ID = 6969
ID = 6969 ID = 1234
’R’
Zdroje
19
http://www.elektrorevue.cz/clanky/02070/str6.htm
https://rayoffreakingsunshine.files.wordpress.com/2012/05/7206138-a-cartoon-sun-with-
an-angry-expression1.jpg
https://jazzroc.files.wordpress.com/2008/11/spectrum1.gif?w=700
http://www.gme.cz/img/cache/doc/520/055/tsop31236-datasheet-1.pdf
http://www.gme.cz/ir-prijimace-vysilace
http://www.gme.cz/products/search?term=IR+LED
http://www.notebookcheck.net/uploads/tx_nbc2/samsung-ativ-smart-pc-xe500t1c-a01fr-
3.jpg
Úvod
20
• ISM – industrial – scientist – medical
• 433MHz, 868MHz, 915MHz
• Jednoduchá implementace (relativně)
• Široká oblast využití
• Senzorická síť
• Dálkové ovládání
• „Velký dosah“ – desítky až stovky metrů
• Prostupnost překážkou
• Nízká spotřeba energie
• Přenosová rychlost: desítky kbps
• Levné řešení
• Již od 30Kč
Základní aspekty při výběru
21
• Nosná frekvence
• 433MHz
• lepší prostupnost v zastavěné oblasti
• více zarušené pásmo (bezdrátové domovní zvonky)
• větší anténa
• 868MHz • horší prostupnost překážkou
• méně zarušené pásmo
• menší anténa
• Modulace
• ASK / FM-OOK – extrémně levné x nespolehlivé (náchylné na rušení)
• FSK – spolehlivější přenos - větší dosah
• GFSK – menší vyzářené rušení
ASK / OOK moduly
22
• HOPE RF
• RFM85W • AM transmitter
• RFM83W • AM reciever
• Aurel
• TX-SAW-MID
• AC-RX
• Většinou neobsahují buffer
(přímo modulovaný výstup)
jednoduše pomocí UART
Přímá
AM
Star
0.3 - 10kbps
do 16mA@5V
~ desítky m
ISM 433MHz (HOPE RF)
~30 KCZ
RFM01 / RFM02
24
RFM02 RFM01
• Jednosměrná komunikace
• vysílač → přijímač
• Nemožnost kontroly doručení (ACK)
• Vysílač neobsahuje buffer pro
odeslaná data
• Nutné řídit rychlost přenosu
• Přibližně 10 nastavujících registrů
SPI
FSK
P2P, star
1k~115 kbps
~ desítky m
ISM Band
~70 CZK
RFM12B
25
• Obousměrná komunikace
• 2 x 16bitový FIFO buffer
• Oblíbené moduly
• množství materiálů na internetu
SPI
FSK
star, mesh
0.6k~256 kbps
~ desítky m
ISM Band
~100 CZK
RFM12 RFM12
RFM12B
26
• 17 nastavitelných registrů
• aplikace usnadňující nastavení
• Filtrace nevalidních dat
• synchronizační klíč
• VDI – valid data indicator
• Řízení na úrovni rámců
• data jsou zapsána do FIFO
• rychlost přenosu řídí modul
• zpracování po bytech
• Aplikační ukázky na MCU od výrobce modulu
RFM22 (+20dbm) / RFM23(+13dbm)
27
• Obousměrná komunikace
• Komplexní řešení
• 2x 64Bytový zásobník
• Automatická hlavička
• Synchronizační klíč
• Rozpoznání určení rámce
• CRC (kontrolní součet)
• Vhodné pro složitější síť
• Množství vestavěných funkcí
• Frequency hopping, teploměr, GPIO
• Náročnější nastavení
• 128 registrů (komunikace SPI)
SPI
FSK, GFSK, OOK
star, mesh
0.123k~256 kbps
~ stovky m
ISM Band
~140 CZK
Další možnosti
28
• Xbee-PRO-868
• Mesh
• Velký dosah
• Vyřešena transportní vrstva
• LoRa moduly (RFM95W)
• Velký dosah
• nízká přenosová rychlost
AT commands
ZigBee (LoRa)
Mesh, Star
24kbps
In: ~ stovky m
Out: ~ jednotky km
ISM ZigBee
~23 USD
SPI
FSK, OOK, LoRa
Mesh, Star
37.5kbps (LoRa)
In: ~ stovky m
Out: ~ jednotky km
ISM Band
~400 KCZ
Aplikační tipy
29
• Opatrně s přenosovou rychlostí
• nižší citlivost přijímače = menší dosah!
• používat SPI modul MCU, ne Bit-Bang
• Jednodušší implementace
• Příklad struktury paketu
• Typická implementace v MCU
Aplikační tipy
30
• Možnost kombinace modulů
• např.: RFM02 → RFM12B → RFM01
• Jakou anténu
• ebay.com
• Modul s anténou na DPS
• při nejhorším „kusdrát“ ½ nebo ¼ λ
• Užitečné: logický analyzer (když něco nefunguje, hodí
se k odladění potíží.)
• Nefunguje?
• shodné nosné frekvence
• shodná přenosová rychlost
• synchron pattern
• Chce to trpělivost
Shrnutí
31
• HOPE RF
• http://www.hoperf.com/
• dostupné materiály (aplikační ukázky na MCU)
• oblíbenost – dostatek informací v komunitách
• nízká cena - distributor www.tme.eu
• Nevýhody • Náročná robustní implementace
• Nutnost řešit situaci kolizí v případě použití více než 2 modulů
• Užitečné
• RFM12 kalkulátor: http://tools.jeelabs.org/rfm12b.html
Bluetooth SPP (HC-05/06)
32
SPP = Serial Port Profile
HC-05: Master i Slave (přepínatelný)
HC-06: Slave nebo Master varianty
• Ebay • Dokumentace:
• Arduino-Info
• Pinguino
• Ukázky AT příkazů
• Podrobnější údaje
Klony:
• SPP-C (~50 CZK), postaveno na Beken BK3211
AT příkazy
PC, Smartphone
Peer-to-Peer
4.8k~1.3 Mbps
~10m
Bluetooth Classic
~90 CZK
Realisticky spis tak tech 115600 Kbps, zbytek muze limitovat MCU
Pozor na HC-06,tam jsou pevné Master nebo Slave varianty, cena je přibližně stejná
Párování – buďto na pevnou MAC adresu, nebo otevřené na aktuálně dostupné slave moduly v okolí
3.3V – pozor na Arduinu
Bluetooth LE (HM-10)
34
Simulovaný UART mezi moduly,
GATT do Androidu a iOS, iBeacon
Spousta variant: HM-1~HM11
Duální moduly (BT SPP + BT LE):
HM-12, HM-13
• Ebay • Dokumentace:
• Datasheet
• BLE central, cba@mit
• Seed WIKI
• Provoz s Arduinem
• Spojení s Androidem
• Jako iBeacon
• Demo
AT příkazy
PC, Smartphone
P2P, Beacon
9.6~230.4 kbps
~10m
Bluetooth Smart
~80 CZK
Postavené na TI CC2540/CC2541
GATT – generic Attribute profile, mnohem spolehlivejsi
implementace nez SPP (na Androidu i iOS)
Central i Peripheral role
10 GPIO, dají se dálkově ovládat
Sleep mode 400 uA
LoRa (DRF1278, E13)
35
433, 868, 915 MHz varianty
SX 1278F, HopeRF RFM98W
Spořeba ve spánku 0.2 uA
• Ebay, E13 • Dokumentace:
• What is LoRa
• Semtech Datasheets
• LoRaWan
• Tutorial
SPI, UART
Jen LoRa
P2P, Star
~1 kbps
13-120 [email protected]
kilometry
LoRa
>230 CZK
Malá data na velkou vzdálenost.
Za 230 (9 USD) se dá sehnat SPI bez RF konektoru a vyšších vrstev stacku
– implementačně nejnáročnější.
Za 18 USD už s UARTem, RF konektorem a vyššími vrstvami (LoRaWan)
LoRa – původně Cycleo, nyní Semtech, chirp spread spectrum – trik na
zvýšení citlivosti přijímače i při použití levných součástek.
PHY layer technology (FM modulovany burst), not full stack
Lora-Alliance – aliance pro WAN stack zalozeny na LoRa
Receiver sensivitivy ~-130dBm
Tx power 14~20dBm
ZigBee
36
868 a 2.4 GHz varianty
Extrémně nízké spotřeby ve spánku. • Ebay • Dokumentace:
• What is LoRa
• Semtech Datasheets
• LoRaWan
• Tutorial
UART
Jen ZigBee
P2P, Mesh
20-250 kbps
25-34 [email protected]
~100m
ZigBee
>200 CZK
Domácí automatizace. Nízké
rychlosti, velký dosah, mesh.
Založeny na TI CC2530, 2.4 GHz
868 MHz moduly na Ebayi moc nebývají.
GSM (SIM 900)
38
Kompletní GSM modem – můžete
používat i přenos hlasu.
Data – GPRS max 115200, TCP/IP,
HTTP a FTP spojení.
Spořeba ve spánku 1.5 mA
• Ebay • Dokumentace:
• Základní info
• Tutorial 1
• Tutorial 2
AT příkazy
GSM telefony
Network
SMS
0.5 – 2 [email protected]
N/A
GSM
~300 CZK
Komunikace přes SMS
a Internet.
SigFox
39
Hudba budoucnosti?
UART
SigFox cloud
Network
12B / 140 za den
13-49 [email protected]
~15 km
SigFox
1500 CZK
• Cooking-Hacks • Dokumentace:
• T-Mobile CZ – spuštění v ČR
• Informace 868/915 MHZ, Ultra Narrow Band
Extrémně velké buňky
SigFox si účtuje licence za použití SigFox cloud.
Wi-Fi (ESP 8266)
40
- Integrovaný 16bit RISC mikrokontrolér s:
- Integrovanými IPv4, TCP/UDP/HTTP/FTP
- Může na něm běžet uživatelská aplikace
(která má přístup na periferie – GPIO, I2S,…)
- RAM pro uživatele: <36kbyte
- Program se načítá z FLASH paměti, která je na
modulu, max. velikost 16Mbytes
• Ebay • Dokumentace:
• Espressif Developer Zone
• Espressif Datasheets
• Tutorial
SPI, UART
WiFi!
~10 Mbps
50 ~ [email protected]
desitky metru
WiFi TM 2.4GHz
>50 CZK
Star, P2P
ESP 8266
41
- Volitelná konfigurace: Aplikace běží přímo na ESP8266 nebo na host MCU
- Programovani:
Espressif SDK: (v ANSI C) pro rozběhnutí aplikace na ESP8266, nebo
Firmware podporující konfiguraci přes AT příkazy (defaultně přes UART)
NodeMCU SDK: Lua skripty běžící přímo na ESP8266 -> není potřeba žádné
další MCU, ESP8266 zvládne vše! (-> LuaLoader)
Spořeba ve spánku ~10 uA
Shieldy pro Arduino, ale pozor na napajeci napeti, ESP8266 zvládne jen 3.0 ~
3.6V, ne 5V
Různé moduly s ruznou konfiguraci GPIO na trhu, pozor při výběru ()
V nejnovějších FW už i podpora WiFi Direct
Spousta tutorialu:
• http://benlo.com/esp8266/esp8266Projects.html
• http://www.whatimade.today/loading-the-nodemcu-firmware-on-the-esp8266-
windows-guide/
• http://www.nodemcu.com/index_en.html
• http://www.nodemcu.com/docs/index/
Demo (stisk tlačítka pošle tweet)
42
HTTP
https://www.hackster.io/noelportugal/esp8266-ifttt-easy-button-888a87
Jen ESP8266 bez dalšího mikrokontroléru. 160 řádek kódu v Lua
Nebojte se cloudu!
43
Klíčové slovo – IoT (Internet of Things) Dnes existuje spousta cloud. služeb zdarma, ideálních pro kutily. Stačí umět posílat
HTTP GET příkaz!
Antény
44
PIFA ?
?
5-10mm
Ebay
Vždy dodržovat GND clearance – místečko
bez země.
U uzavřených, plechových krabic – nejlépe
anténu na pigtailu
U.FL konektor
ALPS praxe pro studenty
45
Baví vás elektronika, mikrokontroléry, rádio
nebo embedded Linux?
Pojďte k nám na praxi do designu!
Jde to během školy i během prázdnin,
pracují u nás studenti VUT FEKT, FIT, od 2. ročníku
až po diplomanty.
Kontaktujte Josefa Nevrlého na [email protected]
Navštivte nás na stánku ALPS během iKariéra veletrhu 11.4.
Sledujte nás @ALCZ_Design