Миниатюрный LoRaWAN-модуль RFM6501W — уникальное решение для «Интернета вещей»

Наше время можно с уверенностью назвать беспроводным раем — вокруг нас постоянно циркулируют огромные потоки радиоданных. Их генерируют сети сотовых операторов, множество Wi-Fi-точек, наземные и спутниковые системы магистральной связи и, наконец, различные локальные беспроводные системы (радиоудлинители, брелоки сигнализаций, индустриальные и бытовые системы мониторинга и управления).

При таком изобилии радиоизлучающей аппаратуры требуется жесткий контроль и регулирование использования радиочастотного спектра для обеспечения надежного функционирования критически важных систем связи в условиях высокой загруженности эфира. Регулирование подразумевает различные виды лицензирования радиопередающих устройств, доступных поставщикам платных услуг, и определяет стоимость каждой конкретной телекоммуникационной услуги в зависимости от используемой бизнес-модели. Исключение составляют маломощные (обычно 25–100 мВт) системы, поддерживающие связь на небольших расстояниях без каких-либо гарантий ее стабильности. Именно поэтому индустриальные решения телеметрии и телеуправления отдают, как правило, на откуп сотовым операторам, обеспечивающим инфраструктуру, позволяющую поддерживать связь с тысячами и даже миллионами устройств. Данное направление непрерывно развивается и совершенствуется, постоянно появляются новые технологии (например, NB-IoT на базе сотовых LTE-сетей). Но всегда имеются альтернативные решения, позволяющие при необходимости организовать линии связи средней дальности (несколько километров), создавая таким образом возможность мониторинга устройств в собственной независимой радиосети.

Одно из таких открытых решений — технология LoRaWAN, разрешающая строить сети типа «звезда», состоящие из множества низкопотребляющих устройств, раcположенных в зоне обслуживания шлюза [1]. Физически сеть базируется на модуляции LoRa — это вариант расширения спектра путем линейно-частотной модуляции (ЛЧМ), что позволяет без особых требований к аппаратуре получить высокий бюджет канала за счет пропорционального снижения скорости передачи данных [2].

На базе модуляции LoRa существуют и другие интересные решения, в частности Mesh-сети, покрывающие значительные зоны обслуживания без использования центральных шлюзов. Сети такого типа имеют еще меньшую пропускную способность и оптимальны в системах телеметрии при редких передачах (например, раз в сутки) незначительного объема данных (десятки байт). Основной особенностью подобных приложений являются жесткие требования к энергопотреблению клиентских устройств, часто имеющих батарейное питание. Экономия достигается за счет удержания устройств в режиме сна большую часть времени и строгой синхронизации сеансов передачи центральным сервером, управляющим сетью.

Для разработки клиентских LoRa-устройств существуют различные радиотрансиверы, но все они базируются на чипах от компании Semtech [3] — владельца авторских прав на LoRa-модуляцию. Для обеспечения компактности стандартные LoRa-трансиверы часто корпусируются вместе с управляющими микроконтроллерами, что позволяет достичь малых габаритов при высокой функциональности. Кроме того, для удобства разработчиков чипсеты часто поставляются в виде изделий-полуфабрикатов, или модулей. В них, как правило, включены необходимые стабилизаторы питания, настроены высокочастотные цепи согласования и переключения, а также предусмотрен кварцевый генератор, обеспечивающий трансивер опорной частотой нужной точности и стабильности.

К числу таких решений относится и новый модуль от компании HopeRF — RFM6501W [4], отличающийся от аналогичных устройств в первую очередь размерами — всего 16×16 мм (рис. 1), при этом выводы у него расположены по периферии с шагом 2 мм, что значительно упрощает монтаж. Модуль выпускается в трех модификациях в зависимости от частотного диапазона: 470, 868 и 915 МГц. Чувствительность приемника зависит от параметров канала и может достигать рекордного значения –137 дБм при факторе расширения спектра SF = 12 и ширине полосы пропускания BW = 125 кГц. Мощность передатчика управляется программно и в тестовом режиме может достигать +22 дБм (при этом потребляемый ток составит 107 мА). При напряжении питания 2,4–3,7 В потребляемый ток в режиме непрерывного приема составляет 9 мА, а в различных режимах сна может быть снижен до нескольких микроампер.

Рис. 1. Внешний вид LoRaWAN-модуля RFM6501W

Модуль управляется AT-командами через UART, что достаточно удобно для разработчиков [5]. Предусмотрена возможность подключения I²C-устройств (например, внешней памяти и различных датчиков). Кроме того, имеются цифровые линии общего назначения и вход быстрого 12-битного АЦП.

Стандартная заводская прошивка обеспечивает работу модуля в качестве клиентского устройства в LoRaWAN-сети и поддерживает режимы A (периодическая передача по таймеру с последующим коротким окном приема), B (периодически открываемое окно приема) и C (постоянный прием).

RFM6501W имеет уникальный идентификатор для регистрации в общественных LoRaWAN-сетях и поддержки режимов регистрации OTAA и ABP. Также доступны тестовые команды, предназначенные для проведения радиочастотных испытаний, например при сертификации изделия.

Более широкие возможности открываются при разработке собственного встроенного программного обеспечения, что позволяет использовать внутренний контроллер для обработки пользовательских данных, а также организовать работу «точка-точка» и Mesh-сети.

Рис. 2. Система на кристалле ASR6501

Модуль RFM6501W базируется на SoC ASR6501, производимой компанией ASR Microelectronics [6] по технологии Stacked SiP с использованием корпуса QFN-48 размерами 6×6×0,9 мм (рис. 2). В данном корпусе размещены кристаллы трансивера SX1262 и микроконтроллера Cypress PSoC4100s Plus (рис. 3).

Рис. 3. Блок-схема SoC ASR6501

Встроенный трансивер SX1262 [7] является продолжением линейки Semtech SX12xx и поддерживает типы модуляции LoRa и (G)FSK. В режиме LoRa скорость передачи данных составляет 0,018–62,5 кбит/с и определяет ширину рабочей полосы в пределах 7,8–500 кГц. Скорость передачи зависит от фактора расширения спектра, который может принимать значения SF5–SF12 (что, соответственно, вызывает уменьшение скорости передачи в 64–4096 раз). В режиме (G)FSK скорость передачи данных значительно выше и может быть задана в пределах 0,6–300 кбит/с. Максимальная выходная мощность составляет 22 дБм в непрерывном диапазоне частот 150–960 МГц.

Рис. 4. Блок­схема трансивера SX1261

Трансивер содержит входной широкополосный малошумящий усилитель приемника с АРУ и усилитель мощности передатчика, синтезатор частоты с шагом около 61 Гц, LoRa- и FSK-модемы и элементы стабилизации питания (DC/DC и LDO). Блок-схема трансивера показана на рис. 4. Как и младшие собратья (SX1272, SX1276), данный трансивер управляется доступом к регистрам через SPI-интерфейс. Внешние цепи обвязки должны обеспечивать действие встроенного стабилизатора питания. Это в первую очередь фильтрующие конденсаторы и RC-цепочки, определяющие параметры работы DC/DC-преобразователя. Для работы трансивера необходим внешний опорный генератор с частотой 32 МГц или соответствующий кварцевый резонатор. Вход приемника выполнен по асимметричной схеме, а выход передатчика — по симметричной, что предусматривает наличие высокочастотных цепей согласования и внешнего антенного коммутатора, управляемого трансивером (рис. 5). Данные цепи определяют рабочий диапазон частот трансивера и часто требуют индивидуальной настройки. К счастью, модуль RFM6501W уже содержит все необходимые частотно-зависимые элементы, предварительно настроенные производителем для работы во всей полосе частот одного из диапазонов (470, 868 или 915 МГц) в соответствии с вариантом исполнения.

Рис. 5. Антенные цепи, опорный генератор и питание трансивера SX1261

Встроенный микроконтроллер Cypress PSoC4100s Plus [8] сам по себе также является SoC и состоит из ядра Arm Cortex-M0+ CPU, работающего на частоте 48 МГц, 128 кбайт ПЗУ с кэшем чтения и 16 кбайт ОЗУ. Микроконтроллер использует восемь каналов DMA для обмена данными с периферией, представленной отдельными модулями, независимыми от ядра. В данный SoC интегрированы два операционных усилителя, два компаратора, 12-битный АЦП с производительностью 1 млн выб/с, два ЦАП, а также прецизионный емкостный сенсор, доступный на любом из выводов. Блок-схема микроконтроллера показана на рис. 6.

Рис. 6. Блок-схема микроконтроллера Cypress PSoC4100s Plus

Следует отметить, что все периферийные модули могут работать независимо от ядра, не потребляя при этом вычислительных ресурсов. Гибкая конфигурация и использование программируемой логики позволяют строить необходимые аппаратные модули на этапе разработки. Так, различные режимы мигания светодиодом могут быть реализованы исключительно аппаратно, без единой строчки программного кода.

Для удобной настройки периферийных модулей доступна среда PSoC Creator, позволяющая сконфигурировать периферию с использованием графического режима, наподобие CubeMX для STM (рис. 7). Программный проект может быть портирован в популярные среды разработки Keil или IAR, а также собран с помощью свободного программного обеспечения (ARM gcc). Имеется библиотека стандартных драйверов, реализующих высокоуровневый интерфейс для работы с различной периферией. Для разработчиков, желающих производить «тонкую» настройку, имеется подробное техническое описание управляющих регистров (TRM). Как и все микроконтроллеры на базе ядра ARM, Cypress PSoC4100s Plus поддерживает прошивку и отладку через SWD-интерфейс различными программаторами. Следует отметить, что в модуле RFM6501W сигналы SWDIO и SWCLK выведены на контакты, таким образом, можно программировать и отлаживать прошивку встроенного микроконтроллера.

Рис. 7. Интерфейс среды разработки PSoC Creator

Для управления встроенным трансивером и реализации различных сетевых протоколов, в том числе LoRaWAN, используется специально созданная ASR6501 EVK & SDK, код которой доступен на github [9].

Эта среда разработки поддерживает различные сетевые модели (LoRaWAN, Mesh и т. п.), адаптируется под различное оборудование (в данном случае под SoC ASR6502 и его микроконтроллер Cypress PSoC4100s Plus) и позволяет реализовать различные датчики в одном устройстве. SDK снабжена готовыми проектами-примерами, быстро адаптируемыми к требованиям конкретной задачи.

Таким образом, представленный LoRaWAN модуль RFM6501W от компании HopeRF — универсальное решение, которое разработчик может использовать в своих устройствах, управляя AT-командами через интерфейс UART, а при необходимости создать собственное встроенное программное обеспечение, реализующее автономное устройство. Также в продаже доступны сами чипы ASR6501, что позволяет проектировать миниатюрные LoRaWAN-решения при самостоятельной корректной реализации высокочастотных резонансных и коммутационных цепей, обеспечении стабильности питания и 32 МГц частоты опорного кварцевого генератора с точностью не хуже 10 PPM во всем рабочем диапазоне температур.