Prototyper et déboguer rapidement un nœud de détection sans fil grâce à une seule plateforme

Des systèmes CVC et de l'automatisation industrielle à l'automobile, au domaine médical et à l'électronique grand public, les développeurs de dispositifs de détection connectés sans fil sont continuellement mis au défi d'itérer leurs opérations rapidement et de manière rentable, tout en répondant aux exigences de réglementation, d'interopérabilité et de performances qui n'ont de cesse d'évoluer. Même s'il est souvent tentant de concevoir un produit de capteurs sans fil de A à Z pour qu'il se différencie par ses performances et sa taille, il est plus rapide et plus rentable d'utiliser des kits prêts à l'emploi conçus pour un prototypage et un développement rapides, et qui créent des écosystèmes pour la prise en charge et l'évolutivité.

Parmi ces plateformes, citons le kit LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag de Texas Instruments. Ce kit associe un microcontrôleur sans fil (CC1352R), des capteurs, plusieurs interfaces sans fil, des performances relativement élevées et une basse consommation énergétique, et ce dans un format compact avec un vaste écosystème éprouvé de logiciels et d'outils pris en charge.

Cet article décrit la nature évolutive de la conception et du prototypage de produits de capteurs sans fil, et présente le kit CC1352R SensorTag et la manière de l'utiliser.

Pourquoi utiliser un kit de prototypage de capteurs sans fil ?

Les dispositifs de capteurs sans fil présentent un problème délicat pour les concepteurs. Ils doivent pouvoir durer de façon réaliste entre un et dix ans sur le terrain avant que leurs batteries nécessitent un remplacement, afin de réduire la maintenance. Ils doivent également être capables d'effectuer un traitement et une analyse embarqués, car le fait de réaliser ces opérations au plus près de la périphérie du réseau Internet des objets (IoT) permet de réduire la quantité de données à échanger, ce qui réduit alors la consommation énergétique et permet une meilleure utilisation de la largeur de bande sans fil disponible.

La largeur de bande sans fil présente ses propres problèmes, car les concepteurs doivent choisir entre plusieurs piles sans fil, notamment Bluetooth, Thread et Zigbee, fonctionnant à des fréquences sub-gigahertz (GHz) ou de 2,45 GHz. Chaque pile présente ses propres avantages et inconvénients en ce qui concerne sa façon d'utiliser la largeur de bande, la puissance et les ressources de traitement disponibles. Pour faire un choix, il convient d'analyser minutieusement les exigences de l'application en ce qui concerne les débits de données, la portée, le nombre de nœuds attendu, la topologie du réseau, les exigences de latence, le rapport cyclique, la consommation énergétique, la surcharge du protocole réseau, l'interopérabilité et les exigences réglementaires.

Il est relativement facile de choisir la bonne interface pour un déploiement « vierge ». Toutefois, il arrive souvent dans les applications Internet industriel des objets (IIoT) que des réseaux sans fil soient déjà déployés et que le concepteur doive décider s'il les connecte directement à d'autres nœuds au moyen de la même interface, ou s'il utilise une autre interface plus adaptée à l'application, qu'il utilisera ensuite pour y connecter l'ancienne via une passerelle.

Ce sont là tous les arbres de décision sur lesquels les concepteurs doivent travailler pour leur application. Mais lorsqu'il s'agit de prototyper et de développer une idée, il est rarement utile de concevoir une interface de A à Z puis de choisir le processeur et les capteurs associés, sans parler de l'investissement en temps et en ressources pour le développement et l'intégration de logiciels. Il est vrai que les conceptions « uniques et personnalisées » peuvent présenter des avantages pour les volumes de production ultra élevés destinés aux conceptions grand public. Cependant, dans de nombreux cas, les ingénieurs qui conçoivent un nœud pour leur propre ligne de production en usine n'ont besoin que de quelques nœuds pour récupérer les données de certains moteurs, d'un point donné sur une ligne de production ou d'un thermomètre. Les volumes élevés ne constituent donc pas une exigence de conception. Dans de tels cas, un kit prêt à l'emploi est idéal.

Si des volumes plus importants sont susceptibles d'être requis, il existe des modules RF prêts à l'emploi, pré-certifiés et conformes aux réglementations. Ils peuvent accélérer le prototypage et maintenir des coûts de développement et de déploiement raisonnables, grâce à leur vaste prise en charge de micrologiciels et de logiciels. Dans ces cas, les concepteurs doivent toujours rassembler le processeur de la plateforme, les capteurs et les éléments logiciels associés requis pour chaque capteur et bloc supplémentaire.

Ce n'est pas un problème lorsque le concepteur sait déjà quelle interface sans fil il doit utiliser. Néanmoins, lorsqu'il en est encore à considérer plusieurs conceptions pour plusieurs applications, avec des interfaces sans fil existantes et souvent non interopérables, il convient d'adopter une approche plus flexible et plus intégrée du prototypage et du développement de capteurs sans fil.

SensorTag : une plateforme complète de prototypage de capteurs sans fil

Une meilleure approche consiste à trouver une plateforme prête à l'emploi qui intègre les principaux éléments d'un nœud de détection et de traitement sans fil (avec les capteurs, les logiciels et l'écosystème dont le concepteur a besoin), tout en permettant l'exploration et la différenciation à des couches supérieures de la pile de développement logicielle. C'est ce que propose Texas Instruments (TI) avec son kit LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag (Figure 1).

Figure 1 : Le kit LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag possède tout ce dont un concepteur a besoin pour prototyper et développer une application de capteur sans fil. (Source de l'image : DigiKey, d'après un document de Texas Instruments)

Ce kit est basé sur le microcontrôleur (MCU) sans fil multibande CC1352R de TI, auquel ont été ajoutés des capteurs environnementaux, des détecteurs de mouvement et des logiciels, le tout dans un boîtier amovible avec une antenne articulée externe sub-1 GHz, un câble femelle-femelle à deux fils, un câble plat à 10 broches pour une connexion JTAG et un guide de démarrage rapide. D'autres éléments ne sont pas inclus, mais recommandés pour compléter le kit : le kit de développement LaunchPad de microcontrôleur sans fil CC1352R multibande SimpleLink LAUNCHXL-CC1352R1 de TI, ainsi que deux piles AAA, bien que le SensorTag puisse aussi fonctionner avec une pile bouton CR2032 au moyen d'un support de piles spécial qui peut se fixer à l'arrière de la carte.

Au cœur du kit SensorTag se trouve le microcontrôleur sans fil multibande CC1352R (Figure 2). Il fait partie de la plateforme de microcontrôleur SimpleLink de TI, qui est conçue pour fournir tous les éléments pour une topologie connectée sécurisée et basse consommation.

Figure 2 : Le microcontrôleur sans fil multibande CC1352R de TI est conforme aux certifications FCC, CE et IC pour un fonctionnement double bande à 2,4 GHz et sub-1 GHz. Il constitue le cœur du kit LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag. (Source de l'image : Texas Instruments)

Le microcontrôleur CC1352R est certifié FCC, CE et Industry Canada (IC) pour un fonctionnement double bande à 2,4 GHz et sub-1 GHz, qui englobe Bluetooth Low Energy (BLE), Thread, Zigbee, les réseaux personnels sans fil basse consommation IPv6 (6LoWPAN) et d'autres protocoles propriétaires basés sur une couche physique (PHY) IEEE 802.15.4g, notamment SimpleLink TI 15.4-Stack de TI (sub-1 GHz et 2,4 GHz). Grâce à un gestionnaire multiprotocole dynamique (DMM), il est capable d'exécuter plusieurs protocoles en même temps.

Le récepteur radio affiche une sensibilité de -121 dBm (décibels référencés à 1 milliwatt [mW]) en mode longue portée SimpleLink, de -110 dBm à 50 kilobits/s (kbps), et de -105 dBm pour Bluetooth à 125 kbps (avec PHY codée LE). La puissance de transmission maximale est de +14 dBm dans les bandes sub-GHz, où il consomme 24,9 milliampères (mA), et de +5 dBm à 2,4 GHz, où il consomme 9,6 mA. Le courant de veille du dispositif est notable à 0,85 microampère (µA), avec une rétention RAM complète. Il est également compatible avec l'IIoT, avec un courant de veille de 11 µA à 105°C. Un concepteur peut jouer avec plusieurs modes veille et fréquences d'échantillonnage de convertisseur analogique-numérique (CAN) pour atteindre une basse consommation. Le CAN peut par exemple être réglé pour échantillonner à 1 hertz (Hz), fréquence à laquelle le système consomme 1 µA.

Le processeur au centre du CC1352R est basé sur un cœur Arm® Cortex®-M4F de 48 mégahertz (MHz) soutenu par 352 Ko de mémoire Flash programmable en système, 256 Ko de ROM pour les protocoles et les fonctions de bibliothèque, et 8 Ko de SRAM de cache. Il prend en charge les mises à niveau sans fil (OTA) et présente un accélérateur AES 128 et AES 256.

Optimisation pour une nomenclature réduite

L'un des problèmes que les concepteurs de circuits d'entrée RF rencontrent est le nombre de composants passifs discrets supplémentaires requis pour le filtrage, l'adaptation d'impédance et d'autres fonctions. Ceux-ci alourdissent la nomenclature et compliquent la configuration. Pour simplifier l'implémentation du CC1352R, TI a collaboré avec Johanson Technology afin de développer un boîtier de composants passifs intégrés (IPC) personnalisé de 1 mm x 1,25 mm x 2 mm qui a réduit le nombre de composants de 23 à 3 (Figure 3).

Figure 3 : En collaborant avec Johanson Technology, TI a développé un IPC afin de simplifier l'implémentation du CC1352R de TI, ce qui a réduit le nombre de composants requis de 23 à 3. (Source de l'image : DigiKey, d'après un document de Johanson Technology)

Même si quatre capteurs sont fournis avec le kit SensorTag, si davantage de capteurs ou des capteurs différents sont nécessaires, il est possible de les ajouter rapidement grâce aux modules plug-in BoosterPack LaunchPad de TI. Les quatre capteurs inclus dans le kit SensorTag sont les suivants :

• Le capteur d'humidité et de température HDC2080 de TI
• Le capteur de lumière ambiante OPT3001 de TI
• Le commutateur à effet Hall DRV5032 de TI
• L'accéléromètre ADXL362 de TI

La configuration et les connexions vers les capteurs sont illustrées (Figure 4).

Figure 4 : Le kit SensorTag est fourni avec des capteurs d'humidité et de température, de lumière ambiante, d'accélération et à effet Hall. (Source de l'image : Texas Instruments)

Les connecteurs sont compatibles avec LaunchPad, de sorte qu'en plus des capteurs, il est possible de connecter des périphériques BoosterPack comme des écrans LCD ou même des circuits personnalisés.

Premiers pas avec le kit LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag

Pour démarrer avec le kit LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag, téléchargez le kit de développement logiciel (SDK) SimpleLink CC13x2 et CC26x2. Cette version est validée pour les dispositifs Rev. E uniquement. Pour les dispositifs Rev. C ou antérieurs, utilisez la version v2.30.00.xx. Une fois le kit téléchargé, accédez à SimpleLink Academy où vous trouverez des instructions détaillées et des exemples.

Pour obtenir des données d'échantillonnage rapidement, le kit est préprogrammé avec un projet Bluetooth 5 (BLE5) appelé Multi-Sensor, qui se connecte au moyen d'une connexion BLE aux smartphones et tablettes qui disposent de l'application SimpleLink Starter pour iOS et Android. En utilisant cette connexion initiale, les concepteurs peuvent commencer à consulter des données de capteur, activer/désactiver des LED, lire le statut des boutons et mettre à jour le micrologiciel à l'aide des capacités de téléchargement sans fil (OAD) (Figure 5). À ce stade, les concepteurs peuvent aussi envoyer des données vers le cloud depuis leur dispositif mobile.

Figure 5 : Les concepteurs peuvent commencer l'expérimentation avec le kit LaunchPad SensorTag via une connexion BLE vers un smartphone ou une tablette avec l'application SimpleLink Starter pour les plateformes iOS et Android. (Source de l'image : Texas Instruments)

Outre le BLE, le LPSTK propose deux autres exemples : l'un utilise le LPSTK en tant que commutateur d'éclairage Zigbee ; l'autre l'utilise en tant que nœud de capteurs dans un réseau 802.15.4. Les trois projets d'exemple sont disponibles dans le SDK comme suit :

• Multi-Sensor :
  • <simplelink_cc13x2_26x2_sdk install location>\examples\rtos\CC1352R1_LAUNCHXL\ble5stack\multi_sensor
• Nœud de capteurs DMM de TI :
  • \CC1352R1_LAUNCHXL\dmm\dmm_154sensor_remote_display_oad_lpstk_app
• Commutateur Zigbee :
  • \CC1352R1_LAUNCHXL\dmm\dmm_zed_switch_remote_display_oad_app

Pour compléter SimpleLink et l'application Starter, TI propose SysConfig, un outil d'interface utilisateur graphique (GUI) unifié pour activer, configurer et générer le code d'initialisation pour les différents composants du SDK SimpleLink, notamment les pilotes de TI et la configuration de la pile pour BLE, Zigbee, Thread et TI-15.4 (Figure 6).

Figure 6 : Pour compléter SimpleLink, SysConfig de TI est une collection facile à utiliser d'utilitaires graphiques pour configurer les broches, périphériques, radios, sous-systèmes et autres composants. (Source de l'image : Texas Instruments)

Comme avec toute conception de système, il est rare qu'aucun degré de débogage ne soit requis. Pour cette étape, le SensorTag est conçu pour être utilisé avec le débogueur embarqué XDS110 dans un kit de développement LaunchPad (dans ce cas, le LAUNCHXL-CC1352R mentionné précédemment), d'où l'inclusion d'un câble Arm JTAG à 10 broches et d'un câble UART à 2 fils. Une fois connectés, ceux-ci permettent le débogage intégral, la programmation et la communication UART. Pour connecter ces câbles, suivez les étapes ci-dessous :

• Déconnectez les cavaliers d'isolement sur le LaunchPad
• Connectez le câble Arm JTAG à 10 broches à l'embase OUT du XDS110 sur le LaunchPad SensorTag
• Connectez l'autre extrémité du câble Arm à 10 broches à l'embase JTAG sur le LaunchPad SensorTag
• Connectez le câble de raccordement à deux broches aux broches supérieures de RXD et TXD (fil gris vers RXD, fil blanc vers TXD)
• Connectez l'autre extrémité du câble de raccordement à deux broches aux broches 12/RX et 13/TX sur le LaunchPad SensorTag (gris vers 12/RX, blanc vers 13/TX)
• Connectez le LaunchPad à un PC ou un ordinateur portable

La configuration complète doit ressembler à ce qui est illustré à la Figure 7.

Figure 7 : Pour le débogage, le SensorTag doit être connecté au kit de développement LAUNCHXL-CC1352R LaunchPad au moyen du câble Arm JTAG à 10 broches et du câble UART à 2 broches, tous les deux inclus dans le kit SensorTag. (Source de l'image : Texas Instruments)

Il convient de noter qu'étant donné qu'une image en cours d'exécution ne peut pas se mettre à jour elle-même, une image OAD entrante doit être stockée à un emplacement temporaire lors de sa réception. Cet emplacement temporaire peut être réservé dans la mémoire Flash interne ou dans un composant externe. Dans tous les cas, une fois le téléchargement de l'image terminé, un gestionnaire d'image de démarrage (BIM), qui est en permanence sur le dispositif SensorTag, est utilisé pour déterminer si une nouvelle image est valide et si elle doit être chargée et exécutée (en fonction de son en-tête).

Le gestionnaire BIM est particulièrement utile, car il permet par exemple au concepteur de rétablir l'image d'origine après un téléchargement OAD. Pour ce faire, maintenez le BTN-1 (bouton de gauche) enfoncé à la mise sous tension ou lors d'une réinitialisation, et le gestionnaire BIM rétablira l'image d'origine (c'est-à-dire Multi-Sensor).

Conclusion

Même s'il existe de nombreuses interfaces sans fil parmi lesquelles choisir lors de l'implémentation d'un nœud de capteurs sans fil, les développeurs n'ont pas à consacrer du temps et des ressources au prototypage de chaque interface pour savoir laquelle fonctionne le mieux pour une application donnée. Au lieu de cela, grâce au kit LPSTK-CC1352R SensorTag et au matériel, aux logiciels et à l'écosystème LaunchPad associés, les concepteurs peuvent facilement et rapidement mélanger les interfaces, en utiliser une seule ou plusieurs simultanément, et ajouter et échanger des capteurs BoosterPack au besoin.