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

30~120mA@3.3V

10~100 m

nRF24L01

~20 CZK

• Ebay • Dokumentace:

• Info o protokolu a klonech

• Kompatibilni moduly

• Tutorial pro SPI verzi

Infračervená komunikace

8

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) ?

Rušení IR komunikace

11

• Elektromagnetické záření v IR pásmu

• Sluneční svit

• Žárovky

Použití IR komunikace

12

IR LED

TSOP4838

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

Zapojení

15

• Pozor na RDX – TDX

zapojení

• Napájení přímo z

ARDUINA

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

FSK moduly

23

HOPE RF

• Transmitter / Reciever

• RFM01 / RFM02

• Transceiver

• RFM12B

• RFM22/23

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

do 24mA@2.7V

~ 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

do 27mA@3.3V

~ 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

do 85mA@3.3V

~ 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

do 880mA@3.3V

In: ~ stovky m

Out: ~ jednotky km

ISM ZigBee

~23 USD

SPI

FSK, OOK, LoRa

Mesh, Star

37.5kbps (LoRa)

do 120mA@3.3V

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

8~50mA@3.3V

~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 SPP (HC-05/06)

33

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

5~15mA@3.3V

~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 mA@3.3V

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 mA@3.3V

~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.

ZigBee

37

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 A@3.3V

N/A

GSM

~300 CZK

Komunikace přes SMS

a Internet.

SigFox

39

Hudba budoucnosti?

UART

SigFox cloud

Network

12B / 140 za den

13-49 mA@3.3V

~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 ~ 500mA@3.3V

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 jnevrly@alps.cz

Navštivte nás na stánku ALPS během iKariéra veletrhu 11.4.

Sledujte nás @ALCZ_Design