Лора на батарейках (мечта каждого мужчины)20.04.2022 13:16

z2mxhpo6p-fvj0_newe3wwz5g7w.jpeg

Как-то мне понадобилось разработать систему автоматизации для загородного хозяйства — для меня это дело привычное, там вроде бы нет ничего сложного — центральный модуль, удалённые датчики и актуаторы, какой-то алгоритм управления и т. д., всё как обычно. Поскольку речь шла о загородном хозяйстве с его значительными расстояниями между объектами, то первым кандидатом на обеспечение беспроводной связи в системе стала всеми горячо любимая и широко используемая технология LoRa.

Всё вроде бы шло по плану, но при ближайшем рассмотрении вдруг возникла проблема в самом неожиданном месте — для различных беспроводных датчиков понадобились батарейные LoRa модули — и вдруг оказалось, что нормальных батарейных долгоживущих модулей, которые могли бы обеспечить автономную работу LoRa сенсоров в течение нескольких лет, просто нет в продаже.

Можно было бы сделать свои батарейные LoRa модули (благо прототипы есть и прекрасно работают), но не хотелось тратить время на изобретение велосипеда, а просто купить что-то готовое, и я заказал с Aliexpress несколько плат-кандидатов для тестирования.

Одна из таких плат — LoRa Radio Node, отчёт о её разборе (по косточкам) и тестировании я и предлагаю вашему вниманию.

Сначала о самой плате


vbvdpyiq2mmpbgylhbukbm35u2e.jpeg

Сама идея разработчиков LoRa Radio Node правильная — они попытались создать универсальный батарейный (аккумуляторный) LoRa модуль, и во многом им это удалось. Подключили необходимые датчики (или актуаторы), залили прошивку, вставили аккумулятор формата 14500 — и LoRa нода для вашей системы готова.

Просто, быстро и не нужно ничего изобретать и паять — купили нужное количество плат LoRa Radio Node и раскидали их по вашему объекту. В общем, всё это так и работает, но есть нюансы, о которых мы и поговорим далее.

Достоинства и недостатки


В общем, на первый взгляд, плата LoRa Radio Node производит благоприятное впечатление, перечислю её достоинства, которые сразу бросаются в глаза:

  • Правильная концепция (один из вариантов правильной концепции) — LoRa модуль + ATmega328 в варианте клона Arduino Pro Mini, правильные для батарейного сенсора параметры 8 МГц и 3,3 В, плюс прошитый Arduino-загрузчик.
  • Достаточно компактный дизайн и крепёжные отверстия в плате.
  • Разъём для программирования через USB-UART переходник.
  • Отдельный разъём для питания 3,7–12 В.
  • 3 разных варианта запитки платы — от аккумулятора, через разъём питания и через пины USB-UART переходника.
  • Возможность подключения дополнительных компонентов по SPI и I2C интерфейсам и отдельные разъёмы для них.
  • Отдельные разъёмы с питанием для подключения дополнительных компонентов к цифровым и аналоговым пинам микроконтроллера.
  • Выносная антенна для LoRa модуля.
  • Специальный разъём и возможность перекоммутации выводов LoRa модуля DIO1, DIO2, DIO3, DIO5 на пины D5, D6, D7, D8.
  • Правильная коммутация на плате выводов LoRa модуля DIO0, RESET, NSS на выводы D2, D9, D10.
  • Кнопка перезапуска RESET на плате.


Как вы видите, достоинств у этой платы множество, разработчикам удалось обойти все подводные камни и в кои веки всё сделать правильно. Теперь перечислю (условные) недостатки и спорные моменты:

  • Светодиод на плате, подключённый к выводу D13. С одной стороны, светодиод потребляет энергию (крайне ценную в случае питания от батареи), с другой стороны, это потребление небольшое в импульсном режиме, а светодиод удобно использовать для индикации активности платы.
  • В качестве преобразователя питающего напряжения использован чип SPX3819 с минимальным током потребления по даташиту 90 мкА, что очень много для батарейного сенсора (подробнее мы поговорим об этом ниже).
  • Собственно запитка платы от аккумулятора 14500 (3,7 В). Это решение нельзя назвать ни плохим, ни хорошим — это просто один из возможных вариантов запитки подобных сенсоров. Просто тут нужно учитывать свойства самих аккумуляторов и, например, не выставлять подобные сенсоры на 20-градусный мороз.


Теперь давайте поподробнее поговорим об устройстве платы LoRa Radio Node.

Технические характеристики


Основные технические характеристики платы LoRa Radio Node:

  • Микроконтроллер ATmega328P 8 МГц 3,3В;
  • LoRa модуль: RFM96 868 МГц;
  • Разъём для программирования через USB-UART переходник;
  • Разъёмы SPI и I2C (2 шт.);
  • Разъёмы для подключения дополнительных компонентов (4 шт.);
  • Разъём для подключения питания 3,7–12 В;
  • Питание: аккумулятор 14500 (3,7 В);
  • Размеры: 40×60 мм.


В общем, есть всё необходимое для подобных контроллеров, это тот редкий случай, когда и пожелать больше нечего, если только какую-то экзотику типа вачдога, но это только для каких-то особых случаев.

Внешний вид


Фото платы LoRa Radio Node «в сборе», со вставленным аккумулятором 14500. Всё сделано аккуратно и логично для базы LoRa ноды — осталось только подключить сенсоры, залить прошивку и установить плату в какой-нибудь корпус.

2b9asms1pg-9yzasptoehp3jsz8.jpeg

Схемотехника


Теперь давайте разберёмся со схемотехникой LoRa Radio Node. Для начала вид платы сверху.

mhdloptafmpsvkhflie6anj_ro4.jpeg

Вид снизу. Никаких установленных деталей, только достаточно подробные пояснения и маркировка выводов.

bonivatb4cqcfxkgant_thqlltg.jpeg

▍ Подсистема питания


Подсистема питания выполнена на специализированном (LDO 500 мА) регуляторе напряжения SPX3819 с выходным напряжением 3,3 В и током покоя по даташиту 90 мкА. Питаться контроллер может от встроенного аккумулятора или от источника питания 3,7–12 В, подключаемого к разъёму J2.

xpklzdkhpvlrsaimcxmbr8yfilo.png

В принципе, это неплохое решение для питания контроллера от батареи, но заявленные 90 мкА — это очень много для устройства, которое должно питаться от аккумулятора годами (подробнее о реальном потреблении платы LoRa Radio Node и её тестировании мы поговорим ниже).

▍ Разъём для программирования


Разъём для подключения USB-UART переходника и программирования LoRa Radio Node. Через этот же разъём можно запитывать плату от USB-UART переходника. С запиткой и программированием контроллера через этот разъём никаких проблем выявлено не было.

uje78hsmrx2ltr7xall9ezcd4aq.png

▍ Микроконтроллер


В качестве ядра использован микроконтроллер ATmega328P в конфигурации 8 МГц и 3,3В и прошитым Arduino-загрузчиком, фактически это Arduino Pro Mini. Такое решение является правильным выбором для построения долгоживущего батарейного сенсора.

34rrccrqu84l1hvhxdqz-e16hjo.png

Обвязка MCU и его распиновка в целом тоже не вызывают никаких нареканий. Разве что есть несколько неиспользуемых GPIO, которые тоже можно было бы вывести в разъёмы для подключения дополнительных компонентов.

▍ LoRa модуль


Для обеспечения беспроводной LoRa связи использован модуль HOPERF RFM96 с выносной подключаемой антенной. Для нас здесь важным является то, что этот модуль является совместимым с Arduino LoRa библиотекой (см. ниже) и выводы DIO0, RESET, NSS подключены к D2, D9, D10. В этом варианте даже не требуется переопределять стандартные пины в коде скетчей.

vxdpflkcfngsfegxtmibnh6mbvc.png

Также стоит отметить, что разработчики LoRa Radio Node сделали специальный разъём J3 и дали возможность свободной перекоммутации выводов DIO1, DIO2, DIO3, DIO5 на пины D5, D6, D7, D8 микроконтроллера.

▍ Разъёмы


С разъёмами для подключения датчиков всё совсем хорошо — есть отдельный разъём ICSP, 2 разъёма I2C и отдельные разъёмы с питанием 3,3 В для двух цифровых и двух аналоговых пинов микроконтроллера — в таком варианте подключение дополнительных компонентов и датчиков к LoRa Radio Node не вызывает никаких проблем.

ywupzvsfkhkurwjldi3zg4xe44o.png

Распиновка


Ну и распиновка платы LoRa Radio Node. В целом всё правильно и логично, небольшие вопросы возникают только по поводу пинов A2, A3, A6, A7 — разработчики по какой-то причине забыли о них и не развели на плате.

gozxj6z41etgnp9mvbywo_kr9g4.png

Как я уже отметил выше, LoRa модуль подключён правильно и дана возможность свободной перекоммутации выводов DIO1, DIO2, DIO3, DIO5.

Программирование


Программирование LoRa Radio Node производится при помощи любого USB-UART переходника, в моём случае был использован популярный вариант FTDI (не забудьте только переключить напряжение на 3,3 В).

ovolxocsyrbtbqfd4js8xdggkem.jpeg

Если вы ранее имели дело с LoRa, то программирование LoRa Radio Node не вызывает никаких трудностей — сама плата и подключение LoRa модуля разведены правильно, поэтому и работа со стандартной LoRa библиотекой не вызывает никаких проблем.

Вот пример скетча посылки LoRa пакетов с данными (пример разрабатывался и тестировался в среде Arduino 1.8.5).

/*
  LoRa Radio Node sender
*/

#include 
#include 

long count = 0;

void setup() {
  Serial.begin(115200);

  Serial.println(F("Start LoRa Radio Node sender..."));

  if (!LoRa.begin(868E6)) {
    Serial.println(F("Starting LoRa failed!"));
    while(true);
  }
}

void loop() {
  Serial.print(F("Sending packet: ")); Serial.println(count);

  LoRa.beginPacket();
    LoRa.print(F("Sending packet: ")); LoRa.print(count);
  LoRa.endPacket();

  count++;

  delay(3000);
}


Вывод в Serial тестового скетча посылки LoRa данных платой LoRa Radio Node:

049jip1bgfghxubl8aod_r_vjfs.png

И контроль реальных посылок в эфир при помощи программы SDRSharp:

wolstyn3jccz2cyaeal8yb_xvvs.png

Всё работает так, как и ожидалось.

Расчёт потребления


Теперь давайте выясним, насколько LoRa Radio Node подходит для выполнения своих прямых обязанностей — работы в качестве батарейного (долгоживущего) LoRa сенсора.

Здесь нужно сказать несколько слов о том, что я понимаю под термином «батарейный долгоживущий сенсор». Очевидно, что если у вас сенсор, например, в теплице, будет через месяц пропадать из системы по причине разряда питающей батареи, то такая «автоматизация» вам быстро надоест — если у вас на объекте десяток или больше таких сенсоров, то вы вынуждены будете постоянно «бегать» и менять в них батарейки.

Поэтому «нормальным батарейным сенсором» я считаю сенсор, который может проработать в автономном режиме не менее года (чем больше — тем лучше). В крайнем случае более-менее приемлемым результатом можно считать срок автономной работы не менее полугода, но это уже экстремальный вариант на грани фола.

Дальнейшую оценку времени автономной работы LoRa Radio Node мы и будем производить, исходя из этих критериев: норма 12+ месяцев, минимально приемлемый результат 6+ месяцев.

Методика расчёта


Предупреждение. Все расчёты в этой статье примерные, их нельзя считать строго метрологически обоснованными — для этого применяется специальное оборудование и специальные методики. Мои расчёты исходя из потребления тока в различных режимах позволяют примерно и «теоретически» прикинуть время автономной работы сенсора.

Потребление батарейного сенсора складывается из двух составляющих: потребление в режиме «сна» и потребления в режиме передачи (приёма) сигналов. В данном случае и исходя из специфики беспроводного LoRa сенсора, мы не будем уделять внимание режиму приёма сигнала — наш сенсор будет работать в режиме периодических (или по событиям) посылок данных на «базу».

Примечание. Если у вас передающий батарейный сенсор, то это не значит, что он не может принимать данные и команды от «базы» — просто в этом случае вам придётся усложнить программное обеспечение и организовать окна приёма данных «по расписанию» или «по запросу».

Примечание 2. Я специально не упоминал и, надеюсь, вам понятно, что мы не можем создать online LoRa сенсор на батарейках, поскольку LoRa модуль в режиме постоянного приёма очень быстро разрядит питающую батарею.

В качестве питающих батарей я буду использовать Li-ion аккумуляторы формата 14500 с типичной для таких аккумуляторов ёмкостью 900 мАч.

0amjtzfaiocw992qbejy2kkxzvs.jpeg

▍ Потребление в режиме сна


Я провёл специальные эксперименты по измерению тока потребления LoRa Radio Node в режиме сна (а это основной режим любого батарейного сенсора) — переводим микроконтроллер в режим сна, используя специальную LowPower библиотеку: 

LowPower.powerDown(SLEEP_FOREVER, ADC_OFF, BOD_OFF);


и переводим LoRa модуль тоже в режим сна: 

LoRa.sleep();


Замеряем ток потребления, который, оказывается, равен 78 мкА (0,078 мА). Делим ёмкость аккумулятора 900 мАч на ток потребления 0,078 мА и получаем (теоретические) 11538 часов работы сенсора от этого аккумулятора (480 дней или 16 месяцев).

Другими словами, если наш LoRa Radio Node сенсор ничего не будет делать и не будет ничего передавать в эфир, то на этом аккумуляторе он продержится 16 месяцев. Что уже не так много, остаётся только посчитать, насколько хватит ёмкости батареи при тех или иных режимах работы LoRa передатчика.

Примечание. Это приблизительный расчёт, который не учитывает множество факторов, например, саморазряд батареи, потерю ёмкости аккумулятором из-за колебаний температуры, переходные режимы и т. д.


▍ Потребление в режиме передачи


LoRa модуль в кооперации с микроконтроллером ATmega328 в режиме передачи может потреблять ток от 30 до 110 мА, в зависимости от режима. Среднее типовое значение для режима по умолчанию PA_OUTPUT_PA_BOOST_PIN = 17 составляет 80 мА, его мы и примем за основу для наших расчётов.

В качестве тестового блока данных возьмём 32 байта. При дефолтном Spreading факторе (7) передача этого блока в эфир занимает 74 мс.

Используя эти типовые параметры в качестве исходных, можно посчитать, что (с учётом потребления нашего контроллера в режиме сна) он сможет проработать 1 год при беспроводной активности (выходе в эфир с указанными параметрами) раз в 4 минуты (15 раз в час).

Изменяя Spreading фактор, длину пакета и мощность излучения и можно добиться как увеличения частоты сеансов связи, так и увеличения времени автономной работы (уменьшая количество сеансов связи). Здесь всё зависит от вашего IoT проекта — где-то достаточно 1-го сеанса в день, а где-то будет мало и 1-го пакета в минуту.

Выводы


В целом, LoRa Radio Node экзамен выдержал — на основе этой платы можно создать батарейный LoRa сенсор со временем автономной работы 1 год. При необходимости можно даже создать динамичную беспроводную LoRa ноду с сетевой активностью 1–4 пакета в минуту, но за это придётся расплатиться подбором параметров передачи данных и снижением времени автономной работы до 6-и месяцев (что не здорово, но может быть приемлемо в некоторых случаях).

Как выяснилось в процессе тестирования, «бутылочным горлышком» этой платы является чип преобразователя питания SPX3819, который потребляет ток 78–90 мкА, что мало приемлемо для такого контроллера. Трудно сказать, чем руководствовались китайцы, когда применяли этот чип в LoRa Radio Node, но я думаю, скорее всего, соображениями экономии.

Соответственно, здесь есть два решения — либо использовать эту плату «как есть», имея в виду, что сколько-нибудь активный LoRa сенсор со временем жизни больше года на ней построить нельзя, либо взять в руки паяльник и переделать питание этой платы на основе какого-нибудь более подходящего чипа с током потребления 5–20 мкА и меньше — это сразу добавит сенсору несколько лишних лет жизни при питании от батареи.

oug5kh6sjydt9llengsiebnp40w.png

© Habrahabr.ru