Schnelles Prototyping und Debugging eines drahtlosen Sensorknotens mit einer einzigen Plattform

Von der HLK (Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik) und Fabrikautomatisierung bis hin zur Automobil-, Medizin- und Unterhaltungselektronik - die Entwickler drahtlos verbundener Sensorgeräte sind ständig gefordert, Entwicklungszyklen schnell und kosteneffizient zu wiederholen und gleichzeitig den ständig wachsenden Herausforderungen in Bezug auf Vorschriften, Interoperabilität und Leistung gerecht zu werden. Während es oft verlockend ist, ein Produkt mit drahtlosen Sensoren von Grund auf neu zu entwickeln, um es in Bezug auf Leistung und Größe zu differenzieren, ist es schneller und kostengünstiger, Standard-Kits zu verwenden, die für die schnelle Prototyperstellung und Entwicklung konzipiert sind und die ein Ökosystem für Unterstützung und Skalierbarkeit eingerichtet haben.

Eine solche Plattform ist das LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag Kit von Texas Instruments. Das Kit kombiniert einen drahtlosen Mikrocontroller (CC1352R), Sensoren, mehrere drahtlose Schnittstellen, eine relativ hohe Leistung und einen niedrigen Stromverbrauch - alles in einem kleinen, kompakten Formfaktor mit einem umfangreichen und bewährten Ökosystem von Software- und Tool-Unterstützung.

Dieser Artikel beschreibt die sich entwickelnde Natur des Designs und der Prototyperstellung von Funksensorprodukten und stellt das SensorTag-Kit CC1352R und die ersten Schritte damit vor.

Warum ein Prototyping-Kit für drahtlose Sensoren verwenden?

Drahtlose Sensorgeräte stellen ein kniffliges Problem für Designer dar. Sie müssen realistischerweise mindestens ein bis 10 Jahre im Feld halten können, bevor ihre Batterien ersetzt werden müssen, um die Wartung zu minimieren. Sie müssen auch eine gewisse Verarbeitung und Analyse an Bord ermöglichen, da dies so nahe wie möglich am Rand des Internet der Dinge (IoT) Netzwerks geschieht, was die Menge der auszutauschenden Daten reduziert, was wiederum den Stromverbrauch verringert und die verfügbare drahtlose Bandbreite besser nutzt.

Die drahtlose Bandbreite hat ihre eigenen Probleme, da die Entwickler zwischen mehreren drahtlosen Stacks wählen müssen, darunter Bluetooth, Thread und Zigbee, die mit Sub-Gigahertz-Frequenzen (GHz) oder 2,45 GHz arbeiten. Jede hat ihre eigenen Vor- und Nachteile in Bezug auf die Nutzung der verfügbaren Bandbreite, Leistung und Verarbeitungsressourcen. Die Auswahl unter diesen erfordert eine sorgfältige Analyse der Anwendungsanforderungen in Bezug auf Datenraten, Reichweite, Anzahl der erwarteten Knoten, Netzwerktopologie, Latenzanforderungen, Arbeitszyklus, Stromverbrauch, Netzwerkprotokoll-Overhead, Interoperabilität und behördliche Anforderungen.

Es ist relativ einfach, die richtige Schnittstelle für den Einsatz in einem neuen Bereich zu wählen; bei industriellen IoT-Anwendungen (IIoT) ist es jedoch oft der Fall, dass bereits drahtlose Netzwerke im Einsatz sind, so dass der Entwickler entscheiden muss, ob er sich direkt mit anderen Knoten über dieselbe Schnittstelle verbinden oder eine andere Schnittstelle verwenden will, die für die Anwendung besser geeignet ist, und dann die alte mit der neuen über ein Gateway verbinden will.

Dies sind alles anwendungsbezogene Entscheidungsbäume, die die Designer durcharbeiten müssen; aber wenn es um das Prototyping und die Entwicklung einer Idee geht, lohnt es sich selten, eine Schnittstelle von Grund auf neu zu entwerfen und dann einen zugehörigen Prozessor und Sensoren auszuwählen, ganz zu schweigen von der Investition in Zeit und Ressourcen für die Softwareentwicklung und -integration. Es stimmt, dass die Eigenentwicklung Vorteile für extrem hohe Produktionsvolumen von Designs für den Massenmarkt haben kann. In vielen Fällen benötigen Ingenieure, die einen Knoten für ihre eigene Fertigungsstraße entwerfen, jedoch nur wenige Knoten, um Daten von einigen Motoren, einem bestimmten Punkt auf einer Fertigungsstraße oder einem Thermometer zu erhalten - hohe Stückzahlen sind also keine Konstruktionsanforderung. In solchen Fällen ist ein vorgefertigter Bausatz perfekt.

Wenn höhere Stückzahlen erforderlich sind, sind serienmäßig hergestellte RF-Module erhältlich, die vorzertifiziert sind und die gesetzlichen Bestimmungen erfüllen. Diese können die Erstellung von Prototypen beschleunigen und die Kosten für die Entwicklung und Bereitstellung niedrig halten, da sie mit umfangreicher Firmware- und Software-Unterstützung ausgestattet sind. In diesen Fällen müssen die Designer noch den erforderlichen Plattformprozessor, die Sensoren und die zugehörigen Softwareelemente für jeden Sensor und Zusatzblock zusammensetzen.

Dies ist in Ordnung, wenn der Designer bereits weiß, welche drahtlose Schnittstelle er zu verwenden hat. Wenn man sich jedoch noch im Stadium der Planung für mehrere Designs in verschiedenen Anwendungen mit veralteten und oft nicht interoperablen drahtlosen Schnittstellen befindet, ist ein integrierter, flexiblerer Ansatz für die Prototypisierung und Entwicklung drahtloser Sensoren erforderlich.

SensorTag: Eine umfassende Plattform für das Prototyping drahtloser Sensoren

Ein besserer Ansatz besteht darin, eine Standardplattform zu finden, die die Kernelemente eines drahtlos arbeitenden Erfassungs- und Verarbeitungsknotens integriert - mit den Sensoren, der Software und dem Ökosystem zur Unterstützung eines Designers - und gleichzeitig die Erforschung und Differenzierung auf höheren Ebenen des Software-Entwicklungsstapels ermöglicht. Genau das bietet Texas Instruments (TI) mit seinem LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag Kit (Abbildung 1).

Abbildung 1: Das LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag-Kit enthält alles, was ein Designer für den Prototyp und die Entwicklung einer drahtlosen Sensoranwendung benötigt. (Bildquelle: DigiKey, basierend auf Material von Texas Instruments)

Der Bausatz basiert auf dem drahtlosen Multiband-Mikrocontroller (MCU) CC1352R von TI, um den herum Umgebungs- und Bewegungssensoren sowie Software hinzugefügt wurden - alles in einem abnehmbaren Gehäuse mit einer externen Schwenkantenne im Sub-1-GHz-Bereich, einem zweiadrigen Kabel von Buchse zu Buchse, einem 10-poligen Flachbandkabel für eine JTAG-Verbindung und einer Schnellstartanleitung. Nicht im Lieferumfang enthalten, aber als Ergänzung zum Kit empfohlen werden das LAUNCHXL-CC1352R1 SimpleLink Multi-Band CC1352R Wireless MCU Launchpad Development Kit von TI sowie zwei AAA-Batterien, wobei der SensorTag auch mit einer CR2032 Knopfzelle betrieben werden kann, und zwar mit Hilfe eines speziellen Batteriehalters, der an der Rückseite des Boards angebracht werden kann.

Das Herzstück des SensorTag-Kits ist die drahtlose Multi-Band-MCU CC1352R (Abbildung 2). Dies ist Teil der TI SimpleLink MCU-Plattform, die alle Bausteine für eine sichere, stromsparende Verbindungstopologie bietet.

Abbildung 2: Der drahtlose Multiband-Mikrocontroller CC1352R von TI erfüllt die FCC-, CE- und IC-Zertifizierung für den Dual-Band-Betrieb bei 2,4 GHz und unter 1 GHz und bildet das Herzstück des SensorTag-Kits LPSTK-CC1352R LaunchPad. (Bildquelle: Texas Instruments)

Der CC1352R-Mikrocontroller ist von der FCC, CE und Industry Canada (IC) für den Dual-Band-Betrieb bei 2,4 GHz und Sub 1 GHz zertifiziert, der Bluetooth Low Energy (BLE), Thread, Zigbee, IPv6-fähigen drahtlosen Personal Area Networks of Smart Objects (6LoWPAN) mit geringem Stromverbrauch und andere IEEE 802.15.4g Physical Layer (PHY)-basierte proprietäre Protokolle, einschließlich des SimpleLink TI 15.4-Stacks (Sub 1 GHz und 2,4 GHz) von TI, umfasst. Mit einem Dynamic Multiprotocol Manager (DMM) kann es mehrere Protokolle gleichzeitig ausführen.

Der Empfänger des Funkgeräts hat eine Empfindlichkeit von -121 dBm (Dezibel bezogen auf 1 Milliwatt (mW)) im SimpleLink-Langstreckenmodus; -110 dBm bei 50 Kilobit/s (kbps) und -105 dBm für Bluetooth bei 125 kbps (mit einem LE-kodierten PHY). Die maximale Sendeleistung beträgt +14 dBm in den Sub-GHz-Bändern, wo er 24,9 Milliampere (mA) zieht, und +5 dBm bei 2,4 GHz, wo er 9,6 mA zieht. Der Standby-Strom des Bausteins beträgt bemerkenswerte 0,85 Mikroampere (µA) - bei voller RAM-Retention. Es ist auch IIoT-fähig mit einem Standby-Strom von 11 µA unter 105˚C. Ein Designer kann mit verschiedenen Standby-Modi und Analog-Digital-Wandler (ADC) Abtastraten spielen, um die Leistung zu optimieren. Der ADC kann z.B. auf eine Abtastung bei 1 Hertz (Hz) eingestellt werden, wobei das System dann 1 µA zieht.

Der Prozessor im Herzstück des CC1352R basiert auf einem 48 Megahertz (MHz) Arm® Cortex®-M4F-Kern, der von 352 KByte programmierbarem Flash, 256 KByte ROM für Protokolle und Bibliotheksfunktionen und 8 KByte SRAM-Cache unterstützt wird. Sie unterstützt Over-the-Air (OTA)-Upgrades und verfügt über einen AES 128- und AES 256-Beschleuniger.

Optimiert für niedrige Stücklisten

Eines der Probleme, mit denen HF-Frontend-Designer konfrontiert sind, ist die Anzahl zusätzlicher diskreter passiver Komponenten, die für Filterung, Impedanzanpassung und andere Funktionen erforderlich sind. Diese erhöhen die Stückliste und erschweren das Layout. Um die Implementierung des CC1352R zu vereinfachen, arbeitete TI mit Johanson Technology zusammen, um ein kundenspezifisches integriertes passives Komponentengehäuse (IPC) mit den Abmessungen 1 x 1,25 x 2 Millimeter (mm) zu entwickeln, das die Anzahl der Komponenten von 23 auf drei reduziert hat (Abbildung 3).

Abbildung 3: In Zusammenarbeit mit Johanson Technology entwickelte TI eine IPC, um die Implementierung der TI CC1352R zu vereinfachen, die die Anforderung an passive Komponenten von 23 auf drei reduzierte. (Bildquelle: DigiKey, aus Material von Johanson Technology)

Das SensorTag-Kit enthält zwar vier Sensoren, wenn jedoch mehr oder andere Sensoren benötigt werden, können diese mit Hilfe der BoosterPack LaunchPad-Steckmodule von TI ausgewählt und schnell hinzugefügt werden. Die vier Sensoren, die mit dem SensorTag-Kit geliefert werden, sind:

• Der Feuchtigkeits- und Temperatursensor TI HDC2080
• Der Umgebungslichtsensor TI OPT3001
• Der Halleffekt-Schalter TI DRV5032
• Der Beschleunigungsmesser TI ADXL362

Der Aufbau und die Anschlüsse an die Sensoren sind dargestellt (Abbildung 4).

Abbildung 4: Das SensorTag-Kit wird mit Sensoren für Feuchtigkeit und Temperatur, Umgebungslicht, Beschleunigung und Hall-Effekt geliefert. (Bildquelle: Texas Instruments)

Die Anschlüsse sind LaunchPad-kompatibel, so dass neben Sensoren auch BoosterPack-Peripheriegeräte wie LCD-Displays oder sogar kundenspezifische Schaltungen einfach angeschlossen werden können.

Erste Schritte mit dem LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag Kit

Um mit dem LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag Kit zu beginnen, laden Sie das SimpleLink CC13x2 und CC26x2 Software Development Kit (SDK) herunter. Diese Version ist nur für Geräte der Rev. E validiert, für Geräte der Rev. C oder früher verwenden Sie also v2.30.00.xx. Nach dem Herunterladen gehen Sie zur SimpleLink Academy, wo es Schritt-für-Schritt-Anweisungen und Beispiele gibt.

Um schnell Beispieldaten zu erhalten, ist das Kit mit einem Bluetooth 5 (BLE5)-Projekt namens Multi-Sensor vorprogrammiert, das über eine BLE-Verbindung mit Smartphones und Tablets verbunden wird, die über die SimpleLink Starter-App für iOS und Android verfügen. Mit dieser ersten Verbindung können Entwickler damit beginnen, Sensordaten zu betrachten, LEDs umzuschalten, den Tastenstatus zu lesen und die Firmware mit Hilfe von OTA-Download (OAD)-Funktionen zu aktualisieren (Abbildung 5). An diesem Punkt können Designer auch Daten vom mobilen Gerät in die Cloud pushen.

Abbildung 5: Designer können mit dem LaunchPad SensorTag Kit über eine BLE-Verbindung zu einem Smartphone oder Tablet, das mit der SimpleLink Starter-App für iOS- und Android-Plattformen geladen ist, experimentieren. (Bildquelle: Texas Instruments)

Neben der BLE hat der LPSTK zwei weitere Beispiele: Der eine verwendet den LPSTK als Zigbee-Lichtschalter, der andere verwendet ihn als Sensorknoten in einem 802.15.4-Netzwerk. Alle drei Beispielprojekte sind im SDK wie folgt verfügbar:

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

Als Ergänzung zu SimpleLink und der Starter-App bietet TI die SysConfig, ein einheitliches GUI-Tool (Graphical User Interface) zur Aktivierung, Konfiguration und Generierung von Initialisierungscode für die verschiedenen SimpleLink-SDK-Komponenten, einschließlich TI-Treiber und Stack-Konfiguration für BLE, Zigbee, Thread und TI-15.4 (Abbildung 6).

Abbildung 6: Als Ergänzung zu SimpleLink bietet TI mit SysConfig eine einfach zu bedienende Sammlung von grafischen Hilfsprogrammen zur Konfiguration von Pins, Peripheriegeräten, Funkgeräten, Subsystemen und anderen Komponenten. (Bildquelle: Texas Instruments)

Wie bei jedem Systemdesign ist es selten, dass ein gewisser Grad an Fehlerbeseitigung nicht erforderlich ist. Für diese Phase ist der SensorTag für die Verwendung mit dem integrierten XDS110-Debugger in einem LaunchPad-Entwicklungskit (in diesem Fall das bereits erwähnte LAUNCHXL-CC1352R) vorgesehen, daher die Einbeziehung eines 10-poligen JTAG-Kabels und eines zweiadrigen UART-Kabels. Einmal angeschlossen, ermöglichen diese eine vollständige Debug-, Programmier- und UART-Kommunikation. Um die Kabel anzuschließen, folgen Sie den folgenden Schritten:

• Trennen Sie die Isolationsjumper auf dem LaunchPad
• Schließen Sie das 10-polige JTAG-Kabel Arm an den XDS110 OUT-Stecker am LaunchPad SensorTag an.
• Schließen Sie das andere Ende des 10-poligen Arm-Kabels an den JTAG-Stecker am LaunchPad SensorTag an.
• Schließen Sie das zweipolige Überbrückungskabel an die oberen Stifte von RXD und TXD an (graue Ader an RXD, weiße Ader an TXD)
• Verbinden Sie das andere Ende des zweipoligen Jumpers mit den Pins 12/RX und 13/TX des LaunchPad SensorTag (grau bis 12/RX, weiß bis 13/TX)
• Verbinden Sie das LaunchPad mit einem PC oder Laptop

Das vollständige Setup sollte in etwa so aussehen wie in Abbildung 7 dargestellt.

Abbildung 7: Zur Fehlersuche muss der SensorTag mit dem Entwicklungskit LAUNCHXL-CC1352R LaunchPad verbunden werden, wobei das 10-polige JTAG-Kabel Arm und das 2-polige UART-Kabel verwendet werden, die beide im SensorTag-Kit enthalten sind. (Bildquelle: Texas Instruments)

Da ein laufendes Image sich nicht selbst aktualisieren kann, muss ein eingehendes OAD-Image während des Empfangs an einem temporären Ort gespeichert werden. Dieser temporäre Speicherplatz kann im internen Flash oder außerhalb des Chips reserviert werden. In beiden Fällen wird nach Abschluss des Image-Downloads ein Boot Image Manager (BIM), der sich permanent auf dem SensorTag-Gerät befindet, verwendet, um zu bestimmen, ob ein neues Image gültig ist und ob es geladen und ausgeführt werden soll (basierend auf einem Image-Header).

Der BIM ist besonders nützlich, da er es dem Designer z.B. ermöglicht, nach einem OAD zum ursprünglichen Original-Image zurückzukehren. Dazu halten Sie BTN-1 (linke Taste) beim Einschalten oder während eines Resets gedrückt, und der BIM wechselt wieder zum Original-Image (d.h. zum Multi-Sensor-Image).

Fazit

Es gibt zwar viele drahtlose Schnittstellen, aus denen man bei der Implementierung eines drahtlosen Sensorknotens wählen kann, aber die Entwickler müssen nicht Zeit und Ressourcen für die Erstellung von Prototypen für jede Schnittstelle aufwenden, um zu sehen, welche für eine bestimmte Anwendung am besten funktioniert. Stattdessen können Designer mit dem LPSTK-CC1352R SensorTag Kit und der zugehörigen LaunchPad-Hardware, Software und dem Ökosystem schnell und einfach Schnittstellen mischen und anpassen, eine oder mehrere gleichzeitig verwenden und je nach Bedarf BoosterPack-Sensoren hinzufügen und austauschen.