Cum să realizăm un gateway LoRaWAN

Acoperirea rețelelor LoRaWAN la noi în țară este destul de scăzută (atât a rețelelor comerciale cât și a rețelei TTN). Din acest motiv, pentru a testa un sistem IoT LoRaWAN (ca cel descris în „Cum să realiză un sistem IoT LoRaWAN”) uneori este necesară realizarea unui sistem gateway LoRaWAN propriu. Sistemele profesionale de acest tip sunt destul de scumpe reprezentând o variantă de lux, a se vedea studiul comparativ a celor de la LorIoT.

O altă variantă este construirea unui sistem gateway propriu utilizând o placă de dezvoltare de genul Raspberry Pi. Problema în acest caz este generată de complexitatea modulației radio LoRa – sistemele gateway fiind sisteme care ascultă frecvențe radio multiple simultan (sunt denumite și concentratoare). Din acest motiv un modul radio LoRa obișnuit nu poate echipa un sistem gateway LoRaWAN fiind necesar un modul de tip concetrator, de exemplu: iC880A – LoRaWAN Concentrator 868MHz – modul cel mai adesea folosit în sisteme gateway LoRaWAN bazate pe Raspberry Pi.

2

Pentru mai multe detalii despre cum puteți construi un sistem gateway LoRaWAN bazat pe un modul de tip concentrator puteți consulta și materialele:

Chiar dacă prețul unui modul concentrator este mai mic decât a unui gateway profesional construirea unui astfel de sistem implică totuși un buget destul de mare.

Singura alternativă, accesibilă ca buget, este realizarea unui sistem gateway LoRaWAN de tipul One Channel (sau Single Channel). Adică vom un utiliza un modul radio LoRa obișnuit împreună cu o placă de tipul Raspberry Pi pentru realizarea unui sistem gateway. Dezavantajul unui astfel de gateway este faptul că ascultă pe o singură frecvență radio neputând comunica simultan cu mai multe sisteme IoT LoRaWAN. Acest tip de sisteme sunt considerate sisteme de tip ”forwarder” (Single Channel Forwarder) neavând o funcționalitate gateway LoRaWAN completă. Totuși, un astfel de sistem poate fi utilizat în locații izolate (fără acoperire LoRaWAN) pentru a testa comunicația LoRaWAN. Rețeaua TTN permite accesul acestor sisteme în rețea dar nu încurajează și nu asigură suport pentru ele fiind considerate compatibile dar neconforme cu specificațiile LoRaWAN.

Pentru implementare vom utiliza o placă de dezvoltare Raspberry Pi 3 și un hat LoRa/GPS. Testele au fost realizate sub Raspbian 9 (stretch) Lite, kernel 4.9.41-v7+.

Placa Raspberry Pi trebuie să aibă protocolul SPI activat (cu ajutorul utilitarului raspi-config) și pachetul wiringpi instalat.

$sudo raspi-config

4

$sudo apt-get update

$sudo apt-get install wiringpi

Pentru a implementa funcționalitatea de redirecționare a comunicației LoRa către platforma TTN vom utiliza software-ul single_chan_pkt_fwd.

$ wget https://github.com/tftelkamp/single_chan_pkt_fwd/archive/master.zip

$ unzip master.zip

$ cd single_chan_pkt_fwd-master

$ nano main.cpp

În fișierul main.cpp vom personaliza următoarele linii:

int ssPin = 6;

int dio0  = 7;

int RST   = 0;

sf_t sf = SF7;

uint32_t  freq = 868100000;

// opțional, dacă dorim să declarăm

// poziția și altitudinea sistemului

float lat=…;

float lon=…;

int   alt=…;

static char platform[24] = “Single Channel Gateway”;

static char email[40] = “…”;

static char description[64] = “…”;

#define SERVER1 “52.169.76.203”

#define PORT 1700

Salvăm (CTRL+O, CTRL+X), compilăm programul și îl lansăm în execuție:

$ make

$ sudo ./single_chan_pkt_fwd

5

Următorul pas necesită înregistrarea sistemului gateway în cadrul platformei TTN. În momentul înregistrării sistemului gateway este foarte important să bifăm opțiunea ”I’m using the legacy packet forwarder” (nu se poate modifica ulterior) și să copiem Gateway ID din consola ssh în consola de înregistrare.

6

După terminare înregistrării vom putea observa în consola TTN conexiunea dintre sistem și platforma TTN (Gateway Overview):

7

Pentru a face ca programul single_chan_pkt_fwd să ruleze automat la repornirea sistemului de operare adăugăm următoarea linie în fișierul /etc/rc.local (înainte de linia cu exit 0):

sudo /home/pi/single_chan_pkt_fwd-master/single_chan_pkt_fwd &

presupunând că am salvat și realizat compilarea în directorul utilizatorului pi.

Pentru mai multe informații legate de realizarea unui gateway LoRaWAN TTN Single Channel se pot consulta și următoarele materiale:

Cum să realizăm un sistem IoT LoRaWAN

În cadrul proiectului ”LoRa meets Robofun IoT” am văzut cum putem realiza un sistem IoT utilizând comunicația radio LoRa. Utilizând module radio LoRa putem transmite date la mare distanță dar pentru implementarea unui sistem IoT este necesară implementarea atât a modulului de achiziție (sau acționare) cât și a sistemului de tip gateway ce face legătura cu rețeaua Internet și cu serviciile cloud IoT. Specificațiile LoRaWAN permit implementare unor rețele radio LoRa standardizate astfel încât sistemele gateway să permită conectarea dispozitivelor IoT după un set de reguli larg acceptate. Realizarea unui sistem IoT LoRaWAN presupune realizare unui sistem de achiziție / acționare care respectă acest set de reguli și se conectează la o infrastructură de gateway-uri deja existentă (nu mai este nevoie să realizăm și să operăm sistemul gateway). Există mai multe rețele de gateway-uri LoRaWAN dar în cadrul acestui proiect vom arăta cum putem realiza un sistem ce folosește rețeaua TTN (The Things Network). Accesul în rețeaua TTN este gratuit deoarece se bazează pe gateway-uri particulare partajate între utilizatorii rețelei. Tot ce trebuie să faceți este să verificați dacă vă aflați în aria de acoperire a unui sistem gateway TTN.

Pentru sistemul IoT vom utiliza o placă de dezvoltare Arduino Uno și un shield Dragino LoRa echipat cu un modul radio LoRa în frecvență de 868MHz. Pentru partea de achiziție vom exemplifica măsurarea temperaturii utilizând un senzor brick conectat la pinul analogic A0 al plăcii de dezvoltare.

3

Pentru implementarea comunicației LoRaWAN vom utiliza biblioteca Arduino-LMIC. Testele au fost realizate utilizând Arduino IDE 1.8.3 și versiunea 1.5.0+arduino-1 a bibliotecii. Programul pleacă de la exemplul ttn-abp al bibliotecii în care vom efectua o serie de mici modificări. În primul rând trebuie să înregistrăm sistemul pe platforma TTN pentru a obține datele de autentificare în rețea:

static const PROGMEM u1_t NWKSKEY[16] = { … };

static const u1_t PROGMEM APPSKEY[16] = { … };

static const u4_t DEVADDR = … ;

Înregistrarea presupune crearea unui cont de utilizator, definirea unei aplicații (Applications) și, în cadrul aplicației, definirea unui dispozitiv (Device). În secțiunea se setări (Settings) a noului dispozitiv trebuie aleasă metoda ABP de activare și debifată opțiunea Frame Counter Checks. Tot în cadrul acestei secțiuni se regăsesc datele de autentificare în rețeua TTN. Pentru mai multe detalii legate de definirea aplicației și dispozitivului în rețeua TTN se poate consulta și materialul „LoRaWAN IoT with Arduino Uno, Dragino v1.3 & TheThingsNetwork”.

4

Tot în secțiunea de inițializare a exemplului se va șterge declarația mesajului mydata (se va defini din nou în program sub o altă formă) și se va modifica intervalul de postare a mesajelor (postarea la 1 minut este destul de agresivă pentru politica de utilizare a rețelei TTN).

const unsigned TX_INTERVAL = 3600;

Shield-ul Dragino LoRa necesită următoarea modificare în structura de definire a pinilor utilizați:

const lmic_pinmap lmic_pins = {

    .nss = 10,

    .rxtx = LMIC_UNUSED_PIN,

    .rst = 9,

    .dio = {2, 6, 7},

};

Ultima modificare adusă exemplului ttn-abp este rescrierea procedurii do_send pentru a trasmite valoare achiziționată de la brick-ul de temperatură în locul mesajului text predefinit. După cum se poate observa se va transmite valoarea returnată de funcția analogRead, prelucrarea numerică pentru a obține valoarea temperaturii se va face în sistemul cloud TTN.

void do_send(osjob_t* j){

    static uint8_t mydata[2];

    int reading = analogRead(A0);

    mydata[0] = highByte(reading);

    mydata[1] = lowByte(reading);

    if (LMIC.opmode & OP_TXRXPEND) {

        Serial.println(F(“OP_TXRXPEND, not sending”));

    } else {

        LMIC_setTxData2(1, mydata, sizeof(mydata), 0);

        Serial.println(F(“Packet queued”));

    }

}

După punerea în funcțiune a sistemului, și dacă vă aflați în aria de acoperire a unui gateway TTN, în consola TTN vor începe să apară valorile transmise de acesta (secțiunea Application Data). După cum se poate observa datele transmise sunt sub forma unui șir de valori în hexazecimal (2 octeți – 16 biți).

5

Pentru a transforma datele primite într-o formă mai ușor de înțeles se va scrie o funcție de decodare (în secțiunea Payload Formats / decoder). Această funcție va avea și rolul de a calcula temperatura echivalentă valorii achiziționate. După implementarea acestei funcții vom putea vedea în secțiunea de Application Data valoarea efectivă a temperaturii.

function Decoder(bytes, port) {

  var decoded = (((((bytes[0]<<8)|bytes[1])*5.0)/1024.0)-0.5)*100;

  return { value:decoded };

}

6

Atenție!!! Platforma TTN nu este o platformă IoT – nu stochează datele preluate de la sistemele LoRaWAN. Datele se pot observa în consolă doar dacă sunt transmise atunci când consola este deschisă. Platforma TTN permite în schimb transmiterea datelor primite prin rețeaua LoRaWAN către alte platforme online inclusiv platforme IoT. În secțiunea Integrations se pot defini diverse mecanisme automate de redirectare a datelor către sisteme precum Cayenne, OpenSensors sau IFTTT. Vom explica în cele ce urmează cum putem transmite datele către serviciul IFTTT care ne va trimite apoi valoarea temperaturii prin email. Bineînțeles, multitudinea de opțiuni oferite de platforma IFTTT permite redirectarea datelor către un serviciu IoT, postarea pe o rețea de socializare sau interacțiunea directă cu alte dispozitive IoT.

Definirea mecanismului automat de trimitere a datelor către serviciului IFTTT presupune adăugarea unui integrator de tipul IFTTT Maker (add integration / secțiunea Integrations). Conexiunea între cele două servicii (TTN și IFTTT) se realizează pe baza Event Name (trebuie să fie identic cu numele declanșatorului IFTTT) și Key (cheie de autentificare oferită de obiectul IFTTT Webhooks).

7

În cadrul platformei IFTTT se va realiza o regulă ce va avea declanșator serviciul Webhooks (Event Name trebuie să fie identic cu cel definit în platforma TTN) și ca efect transmiterea unui email.

8

La fiecare valoare a temperaturii transmisă de sistemul nostru vom primi un email de forma:

9

Pentru mai multe variante de realizare a unui sistem IoT LoRaWAN se pot consulta și următoarele materiale:

LoRa meets Robofun IoT

Modulele radio LoRa oferă posibilitatea de a transmite date la distanță mare (sute de metri sau chiar kilometri) utilizând module electronice de cost redus și cu un consum de energie scăzut. Acest lucru constituie o metodă eficientă pentru a extinde aria de acoperire pentru rețelele IoT fără fir. Chiar dacă semnalul WiFi are o acoperire limitată fiind influențat de puterea dispozitivelor de tip AP și de mediul în care operează (câmp deschis, locuințe sau birouri) există posibilitatea să extindem aria de acoperire radio a unei rețele IoT prin intermediul comunicațiilor ISM iar soluțiile LoRa oferă o variantă foarte bună cost / arie de acoperire.

Pentru a implementa o soluție LoRa în vederea extinderii ariei de acoperire IoT vom implementa un sistem gateway ce va realiza transferul datelor provenite de la modulele IoT către un sistem specific IoT și anume Robofun IoT. Modulul gateway propus se bazează pe placa de dezvoltare NodeMCU ce oferă conectivitate WiFi și un modul LoRa RFM96W în bandă de 433MHz. Conexiuniile între placa de dezvoltare și modulul radio sunt prezentate în diagrama următoare:

2.png

Modulul radio RFM96W se interconectează cu placa de dezvoltare prin intermediul magistralei SPI:

  • Pinul SCK al modulului se conectează la pinul D5 (GPIO14 – HSCLK);
  • Pinul MISO se conectează la pinul D6 (GPIO12 – HMISO);
  • Pinul MOSI se conectează la pinul D7 (GPIO13 – HMOSI);
  • Pinul CS se conectează la pinul D2;
  • Pinul RST se conectează la pinul D3;
  • Pinul G0 (INT) se conectează la pinul D1;
  • Vin și GND la pinii 3.3V și GND ai plăcii de dezvoltare.

Pentru ca placa să poată transmite prin Internet datele către serviciul Robofun IoT este necesară înregistrarea gratuită pe platformă:

3

După înregistrare și conectare este necesară definirea (Adauga senzor) a trei senzori: Temperatura, Umiditate și Nivel baterie, pentru a putea transmite datele primite de la sistemul IoT către platforma online. După definirea fiecărui senzor este necesar să copiem cheia de autentificare (Token) pentru a fi utilizată în program.

4

5

Programul a fost dezvoltat și testat utilizând Arduino IDE 1.8.3 (pentru instalarea plăcii NodeMCU sub Arduino IDE se poate vedea materialul „Quick Start to Nodemcu (ESP8266) on Arduino IDE”), extensia esp8266 versiunea 2.3.0 și biblioteca RadioHead 1.7.9. În cadrul programului trebuie personalizate datele de conectare la rețeaua WiFi (ssid și password) precum și cheile de autentificare pentru cele trei canale IoT (SENSOR_TOKEN1, SENSOR_TOKEN2 și SENSOR_TOKEN3).

#include <SPI.h>

#include <RH_RF95.h>

#include <ESP8266WiFi.h>

#include <ESP8266HTTPClient.h>

const char* ssid = “…”;

const char* password = “…”;

#define RFM95_CS D2

#define RFM95_RST D3

#define RFM95_INT D1

#define RF95_FREQ 434.0

RH_RF95 rf95(RFM95_CS, RFM95_INT);

#define LED D0

void setup() {

  pinMode(LED, OUTPUT);

  digitalWrite(LED,HIGH);    

  pinMode(RFM95_RST, OUTPUT);

  digitalWrite(RFM95_RST, HIGH);

  Serial.begin(9600);

  delay(100);

  Serial.println();

  Serial.println();

  Serial.println(“Gateway Module starting…”);

  Serial.print(“Connecting to “);

  Serial.println(ssid);

  WiFi.begin(ssid, password);

  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {

      delay(500);

      Serial.print(“.”);

    }

    Serial.println(“”);

    Serial.println(“WiFi connected”);

  digitalWrite(RFM95_RST, LOW);

  delay(10);

  digitalWrite(RFM95_RST, HIGH);

  delay(10);

  while (!rf95.init()) {

    Serial.println(“LoRa radio init failed”);

    while (1);

  }

  Serial.println(“LoRa radio init OK!”);

  if (!rf95.setFrequency(RF95_FREQ)) {

    Serial.println(“setFrequency failed”);

    while (1);

  }

  Serial.print(“Set Freq to: “);

  Serial.println(RF95_FREQ);

}

typedef struct {float temperature; float humidity;

float bat_voltage;} ParametriiRX;

ParametriiRX parametrii;

Ledul de pe placa de dezvoltare (conectat pe pinul D0) se va aprinde pe perioada recepției de mesaje LoRa. Toate datele primite prin intermediul LoRa vor fi postate pe platforma Robofun IoT. Sistemul va raporta și în consola serială toate mesajele recepționate.

6

void loop() {

  if (rf95.available())  {

    uint8_t buf[RH_RF95_MAX_MESSAGE_LEN];

    uint8_t len = sizeof(buf);

    if (rf95.recv(buf, &len)){

      digitalWrite(LED, LOW);

      RH_RF95::printBuffer(“Received: “, buf, len);

      parametrii = *(ParametriiRX*)buf;

      Serial.print(“Temperature: “);

      Serial.println(parametrii.temperature);

      Serial.print(“Humidity: “);

      Serial.println(parametrii.humidity);

      Serial.print(“Battery Voltage: “);

      Serial.println(parametrii.bat_voltage);

      Serial.print(“RSSI: “);

      Serial.println(rf95.lastRssi(), DEC);

      digitalWrite(LED, HIGH);

      String SENSOR_TOKEN1=”…”;

      String SENSOR_TOKEN2=”…”;

      String SENSOR_TOKEN3=”…”;

      HTTPClient http;

      String data = String(“http://iot.robofun.ro/api/v1/senzor/&#8221;) + SENSOR_TOKEN1 + “/input?value=” + String(parametrii.temperature, DEC);

      http.begin(data);

      int httpCode = http.GET();

      http.end();

      data = String(“http://iot.robofun.ro/api/v1/senzor/&#8221;) + SENSOR_TOKEN2 + “/input?value=” + String(parametrii.humidity, DEC);

      http.begin(data);

      httpCode = http.GET();

      http.end();

      data = String(“http://iot.robofun.ro/api/v1/senzor/&#8221;) + SENSOR_TOKEN3 +  “/input?value=” + String(parametrii.bat_voltage, DEC);

      http.begin(data);

      httpCode = http.GET();

      http.end();    }

    else    {

      Serial.println(“Receive failed”);    }

  }

}

Modulul LoRa ce va beneficia de extinderea ariei de comunicație (se poate afla la sute de metri, sau chiar kilometri în spațiu deschis, de aria de acoperire WiFi) se bazează pe placa de dezvoltare Feather M0 RFM95 433MHz LoRa – placă ce combină puterea unui microcontroler ARM Cortex-M0+ ATSAMD21 (la fel ca și plăcile Arduino M0/Zero) cu conectivitatea unui modul radio LoRa. Placa de dezvoltare va transmite către modulul gateway date preluate de la un senzor digital I2C de temperatură și umiditate Si7021 precum și nivelul bateriei proprii (unul dintre avantajele majore ale plăcilor Feather este posibilitatea de alimentare mobilă de la un acumulator LiPo de 3.7V).

Pentru mai multe informații legate de utilizarea plăcii Feather M0 RFM95 puteți consulta și materialul: „Adafruit Feather M0 Radio with LoRa Radio Module”.

Schema de interconectare între senzor și placa de dezvoltare este specifică unei magistrale I2C (pinii SDA și SCL conectați între senzor și placa de dezvoltare, alimentarea senzorului se va face la 3.3V):

7

Programul a fost dezvoltat și testat utilizând Arduino IDE 1.8.3, extensia Adafruit SAMD Boards 1.0.19 și bibliotecile RadioHead 1.7.9, Adafruit Si7021.

Decomentarea directivei debug va permite observarea funcționării modulului în consola serială.

//#define debug

7.5

#include <SPI.h>

#include <RH_RF95.h>

#define VBATPIN A7

#include <Adafruit_Si7021.h>

Adafruit_Si7021 sensor = Adafruit_Si7021();

#define RFM95_CS 8

#define RFM95_RST 4

#define RFM95_INT 3

#define RF95_FREQ 434.0

RH_RF95 rf95(RFM95_CS, RFM95_INT);

void setup() {

  pinMode(RFM95_RST, OUTPUT);

  digitalWrite(RFM95_RST, HIGH);

  sensor.begin();

  #ifdef debug

    while (!Serial);

    Serial.begin(9600);

    delay(100);

    Serial.println(“LoRa Sensor Module starting…”);

  #endif

  digitalWrite(RFM95_RST, LOW);

  delay(10);

  digitalWrite(RFM95_RST, HIGH);

  delay(10);

  while (!rf95.init()) {

    #ifdef debug

      Serial.println(“LoRa radio init failed”);

    #endif

    while (1);

  }

  #ifdef debug

    Serial.println(“LoRa radio init OK!”);

  #endif

  if (!rf95.setFrequency(RF95_FREQ)) {

    #ifdef debug

      Serial.println(“setFrequency failed”);

    #endif

    while (1);

  }

  #ifdef debug

    Serial.print(“Set Freq to: “);

    Serial.println(RF95_FREQ);

  #endif

  rf95.setTxPower(23, false);

}

typedef struct {float temperature; float humidity;

float bat_voltage;} ParametriiTX;

ParametriiTX parametrii;

void loop() {

  float voltage = analogRead(VBATPIN);

  voltage *= 2;   

  voltage *= 3.3;

  voltage /= 1024;

  parametrii.bat_voltage = voltage;

  parametrii.temperature = sensor.readTemperature();

  parametrii.humidity = sensor.readHumidity();

  #ifdef debug

    Serial.print(“Sample OK: “);

    Serial.print(parametrii.temperature);

   Serial.print(” *C, “);

    Serial.print(parametrii.humidity);

    Serial.println(” %”);

    Serial.print(“VBat: ” ); Serial.println(voltage);

    Serial.println(“Sending to Gateway Module”);

    Serial.println(“Sending…”); delay(10);

  #endif

  RH_RF95::printBuffer(“Sending: “, (uint8_t*)&parametrii, sizeof parametrii);

  #ifdef debug

    Serial.println(“Sending…”); delay(10);

  #endif

  rf95.send((uint8_t *)&parametrii, sizeof parametrii);

  #ifdef debug

    Serial.print(“Waiting for packet to complete…”);

delay(10);

  #endif

  rf95.waitPacketSent();

  #ifdef debug

    Serial.println(“done.”); delay(10);

  #endif

  delay(100);

  rf95.sleep();

  delay(60000);

}

După programarea și punerea în funcțiune a celor două sisteme se pot observa datele înregistrate în cadrul platformei Robofun IoT (capturile de ecran de mai jos reprezintă date înregistrate de sistemul de test pentru temperatură și umiditate).

8

9

Bineînțeles, sistemul LoRa poate deservi atât sisteme de achiziție (temperatură, umiditate, presiunea în diverse conducte, consumul de energie electrică, nivelul radiației solare etc.) dar și sisteme de acționare (chiar dacă nu a fost exemplificată această parte este posibil să comandăm de la distanță diverse mecanisme de închidere / deschidere, motoare etc).

Faceți cunoștință cu LoRa

Termenul de LoRa (sau tehnologie LoRa) se referă la o categorie de comunicații radio caracterizate de distanță mare de transmisie (Long Range) cu un consum mic de energie (Low Power). Spre deosebire de tehnologiile de transmisie radio digitale clasice, tehnologiile LoRa au capabilitatea de a comunica date la distanțe de câțiva kilometri sau chiar zeci de kilometri având aplicabilitate extraordinară în rețele de senzori wireless (fără fir), internetul obiectelor (IoT) și crearea de rețele de dispozitive inteligente. În spatele termenului de LoRa se află de fapt o multitudine de tehnologii proprietar sau deschise, similare ca funcționalitate dar total incompatibile ca implementare – domeniul de comunicații digitale radio la distanțe mari fiind la momentul actual într-o fază de pionierat în care stabilitatea oferită de standardizare și metode de interconectare tehnologică sunt un deziderat destul de îndepărtat. Alți termeni utilizați pentru a referi rețelele radio digitale cu raza mare de transmisie sunt: LoRaWAN (LoRa Wide Area Network), LPWAN (Low Power Wide Area Network), 6LowPAN (IPv6 Low-power Personal Area Network), LPN (Low Power Network) – unii dintre acești termeni sunt înregistrați ca mărci aparținând unor anumite companii sau consorții fiind folosiți pentru a identifica o anumită tehnologie LoRa (chiar și termenul de LoRa este marcă înregistrată a companiei Semtech).

Există foarte multe materiale care încearcă să clarifice asemănările / deosebirile și avantajele / dezavantajele oferite de fiecare tehnologie LoRa în parte, în acest sens vă recomandăm:

dar în cadrul materialului de față ne vom limita să prezentăm cele mai cunoscute tehnologii de transmisie radio la distanță mare la momentul actual precum și diverse dispozitive radio disponibile pe piață pentru implementarea acestor tehnologii (dispozitive aflate la un nivel decent de cost și complexitate pentru a le putea folosi în dezvoltarea unor sisteme proprii).

Tehnologii de transmisie radio la distanță mare  și dispozitive radio compatibile

LoRa –  Tehnologie radio ce utilizează benzi de frecvență radio ISM sub-Ghz pentru a transmite datele la distanțe mari cu un consum foarte mic de energie.

2

Este o tehnologie proprietar și este dezvoltată de compania Semtech. Specifică nivelul fizic de comunicație (modulația radio). Este implementată în circuitele integrate radio din seria SX1xxx produse de Semtech sau în circuitele RFM9x produse de HopeRF (care a cumpărat licența pentru nucleul radio LoRa). Cele două familii de circuite radio sunt compatibile deoarece implemetează același nucleu electronic de comunicație radio. Există mai multe plăci de dezvoltare și module de comunicație radio bazate pe circuitele din cele două familii:

  • Seeeduino LoRaWAN – placă de dezvoltare bazată pe un microcontroler ARM Cortex-M0+ ATSAMD21G18 (la fel ca și placa Arduino M0, placa este compatibilă cu mediul Arduino IDE) și un modul de comunicație radio RHF76-052 bazat pe circuitul SX1276 (compatibil LoRa).

3

  • Dragino LoRa Shield – shield Arduino bazat pe circuitul radio RFM98W (compatibil LoRa). Integrează un senzor de temperatură și indicator de baterie. Compatibil cu Arduino Uno, Leonardo, Mega.

4

  • Raspberry Pi LoRa/GPS HAT – shield (hat) pentru placa Raspberry Pi 2/3. Bazat pe un modul RFM92 (compatibil LoRa). Include un receptor GPS.

5

  • Adafruit Feather 32U4 / M0 RFM9x precum și shield-ul LoRa Radio Feather bazate pe module RFM9x și compatibile cu mediul Arduino IDE. Plăci de dezvoltare de mici dimensiuni, compacte și cu posibilitatea de alimentare de la un acumulator LiPo de 3.7V.

6

  • Modul radio Adafruit RFM96W ce permite utilizarea modului radio de la HopeRF împreună cu diverse plăci de dezvoltare inclusiv plăcile de dezvoltare Arduino.

7

LoRaWAN (LoRa Wide Area Network) – set de specificații deschise de tipul LPWAN (Low Power Wide Area Network) dezvoltate de consorțiul LoRa Alliance.

8

Completează tehnologia LoRA cu nivelul MAC. Chiar dacă este un set de specificații deschise la care contribuie o serie de companii importante (CISCO, IBM, ST, Renesas, ZTE, Microchip…) se bazează în totalitate pe nivelul fizic proprietar LoRa. Totuși, există o comunitate mare de utilizatori care și-au propus construirea unei rețelei globale LoRaWAN (The Thing Network) – în prezent puteți găsi acoperire TTN la noi în țară în București și Timișoara.

9

Sigfox – tehnologie LPWAN dezvoltată de compania franceză Sigfox. Utilizează modulație radio UNB (Ultra Narrow Band) și frecvențe radio ISM sub-GHz. Acoperire aproapre totală în circa 30 de țări.

10

Multiplii producători pentru circuite radio compatibile: Microchip, Texas Instruments, NXP sau ON Semiconductors și numeroase plăci de dezvoltare din care trebuie să menționăm placa de dezvoltare:

  • Arduino MKR FOX 1200 echipată cu un microcontroler ARM Cortex-M0+ SAMD21 (la fel ca și placa Arduino M0) și un circuit radio ATAB8520E (compatibil Sigfox).

11

6LowPAN (IPv6 Low-power Personal Area Network) este un set de specificații realizate de o comisie, cu același nume, a IETF (Internet Engineering Task Force). Specificațiile își propun extinderea seturilor de protocoale Internet pentru diferite metode de comunicație IoT (implementarea protocoalelor Internet în dispozitive specializate simple cu un consum redus de energie) și au influențat diverse tehnologii proprietar din domeniul LPWAN precum Thread dând naștere la diverse derivații funcționale pentru protocoalele radio existente precum IPv6 over BLE.

12

Controlere USB

Controlerele USB sunt circuite integrate ce permit interfațarea unui sistem electronic cu un port USB. Controlerele USB se pot configura dar nu pot executa un program (nu sunt programabile) putând efectua doar sarcini simple de conversie între diverse protocoale seriale sau paralele și comunicația USB. Aceste circuite pot înlocui un microcontroler într-un sistem simplu de achiziție, comandă sau comunicație scăzând prețul și complexitatea sistemului. Exemple de astfel de circuite:

  • Familia de circuite FTDI FT-X ce include convertoare USB-to-UART, USB-to-SPI sau USB-to-I2C. Circuitul FT232RL a echipat plăcile de dezvoltare Arduino Duemilanove (plăci Arduino de generație mai veche) pentru conversia USB-to-UART fiind înlocuite ulterior cu microcontrolerele ATmega16U2/8U2 pentru plăcile Arduino Uno și Arduino Mega. Modulele necesare programării plăcilor de dezvoltare Arduino Ethernet și Arduino Pro Mini se bazează pe același circuit FT232RL. Adafruit FT232H Breakout (imagine de mai jos) este un exemplu de modul capabil să ofere simultan conectivitate UART, I2C și SPI prin intermediul unei conexiuni USB.

1

  • Seria de circuite Smart I/O a companiei Prolific conține diverse circuite (PL-2303xx) pentru conversia USB-to-UART, acestea fiind regăsite pe majoritatea clonelor de plăci Arduino sau pe diverse module ieftine de conversie USB-to-RS232 sau USB-to-UART.

2

  • Controlerul USB Microchip MCP2221 este un circuit cu facilități de configurare extrem de flexibile putând fi utilizat simultan pentru conversia USB-UART, USB-I2C, USB-parallel și chiar și pentru achiziția analogică prin intermediul conexiunii USB. Datorită prețului scăzut și al facilităților oferite vom utiliza acest controler pentru cele două exemple din cadrul lecției.

3

Controlerul USB MCP2221

Unul dintre avantajele controlerului MCP2221 este disponibilitatea în format THT (PDIP14) permițând astfel realizarea de montaje pe breadboard fără a fi nevoie de un modul de tip breakout, în plus circuitul nu necesită sursă de oscilație (cuarț) extern sau alte componente suplimentare (cu alte cuvinte este utilizabil la un cost minimal). Pinii circuitului au următoarele semnificații și funcționalități:

  • VDD, VSS (5V, GND) sunt pinii de alimentare a circuitului și trebuie conectați la pinii de alimentare a conexiunii USB;
  • D+, D- sunt pinii de comunicație USB, se conectează la pinii corespondenți ai conexiunii USB;
  • SCL, SDA sunt cele două linii de comunicație ale magistralei I2C;
  • /RST pin de resetare a circuitului;
  • Vusb pin de alimentare la 3.3V în cazul în care nu se dorește alimentarea oferită de conexiunea USB (nu se utilizează pinii VDD și VSS);
  • URx, UTx sunt pinii de comunicație UART;
  • GP0, GP1 – pini I/O de uz general; pot fi folosiți și ca pini de comandă pentru LED-urile de activitate RX, TX pentru comunicația serială; pinul GP1 poate fi folosit ca și pin de achiziție analogică sau ca linie de întrerupere externă.
  • GP2 – pin I/O de uz general; poate fi folosit ca pin de intrare analogică, pin de ieșire analogică sau pin de stare a conexiunii USB (USBCFG);
  • GP3 – pin I/O de uz general; poate fi folosit ca pin de intrare analogică, pin de ieșire analogică sau comandă pentru LED-ul de activitate magistrală I2C.

4

După cum se poate observa funcționalitatea oferită de controlerul USB MCP2221 este una diversă: convertor USB-to-UART, convertor USB-to-I2C, achiziție analogică prin USB, comandă digitală prin USB, comandă analogică prin USB. Pentru configurarea controlerului se utilizează programul MCP2221 Utility (captură de ecran de mai jos).

5

Prin intermediul acestui program se poate modifica:

  • Descriptorul USB al controlerului:
    • VID / PID ce identifică în mod unic dispozitivul USB și pe baza cărora sistemul de operare instalează driverele corecte – modificarea acestora conduce la probleme de instalare a driverelor implicite Microchip;
    • Curentul necesar funcționării dispozitivului (între 100mA și 500mA);
    • Dacă se alimentează din conexiunea USB sau se alimentează în mod autonom;
    • Informații descriptive (pot fi modificate fără probleme pentru personalizarea descrierii perifericului USB): descriere, producător, număr serial.
  • Funcționalitatea și configurația celor patru pini GPIO (GP0-GP3):
    • GP0: pin I/O (direcție, stare inițială), SSPND (USB state) sau LED_URx;
    • GP1: pin I/O (direcție, stare inițială), generator semnal de ceas (CLK_OUT), pin achiziție analogică (tensiune referință), linie de întrerupere externă (tip declanșare) sau LED_UTx;
    • GP2: pin I/O (direcție, stare inițială), USBCFG, pin de achiziție analogică (tensiune referință) sau pin de comandă analogică (tensiune referință);
    • GP3: pin I/O (direcție, stare inițială), LED_I2C, pin de achiziție analogică (tensiune referință) sau pin de comandă analogică (tensiune referință);

Datorită facilităților diverse oferite de controlerul MCP2221 se pot realiza proiecte embedded variate în care microcontrolerul să fie înlocuit de circuitul MCP2221. În cadrul acestei lecții vom exemplifica utilizarea circuitului MCP2221 prin două sisteme simple: un ceas USB și un termometru USB.

Sistem de tip Ceas USB

Controlerul MCP2221 este văzut de sistemul de operare ca două dispozitive USB distincte: un dispozitiv CDC prin care se realizează conversia USB-to-UART (un port serial) și un dispozitiv HID prin care se realizează comunicația cu restul de componente (pini I/O, magistrală I2C, pini analogici). Pentru proiectul Ceas USB ne vom folosi de facilitatea de convertor USB-to-UART a circuitului MCP2221 pentru a comanda afișarea orei pe un LCD grafic serial de rezoluție 128×64 pixeli. Schema de interconectare este foarte simplă:

6Pinii D+ și D- ai conexiunii USB vor fi conectați direct la controlerul USB. Pinii de alimentare ai conexiunii USB vor asigura funcționarea a controlerului și a ecranului LCD. Comunicația serială între controler și afișaj va fi unidirecțională și va folosi o singură linie: pinul 6 (UTx) al controlerului va fi conectat la pinul RX al afișajului.

7

Pentru ca sistemul să funcționeze, pe PC va rula un program ce va prelua ora de pe sistemul PC și va transmite comenzile de afișare pe portul serial către afișaj (controlerul USB va fi o componentă transparentă pentru program). Programul va necesita o parte de inițializare:

  • Dacă dispozitivul USB cu ID-ul xxxxxxx este conectat:
    • Identifică portul serial asociat cu dispozitivul USB cu ID-ul xxxxxxx;
    • Transmite pe portul serial comandă de ștergere a ecranului: 0x7C,0x00

și o buclă infinită în care:

  • Transmite pe portul serial comandă de poziționare pe X: 0x7C, 0x18, … și pe Y: 0x7C, 0x19, …;
  • Preia ora de pe sistemul PC și transmite ora pe portul serial.

Sistem de tip Termometru USB

Sistemul Termometru USB își propune citirea unui senzor de temperatură I2C conectat la controlerul MCP2221. Temperatura citită poate fi ulterior afișată pe ecranul PC-ului. Senzorul utilizat va fi TMP102 dar se poate utiliza orice alt senzor I2C sau analogic. Schema de interconectare a celor două componente este:

8

Deoarece senzorul TMP102 funcționează la 3.3V va fi alimentat prin intermediul pinului Vusb al controlerului MCP2221 (controlerul are inclus un regulator de tensiune 5V->3.3V – imagine de mai jos).

9

Liniile magistralei I2C (SCL și SDA) se vor conecta la pinii 10 și 9 ai controlerului. Din punct de vedere al programului ce va rula pe PC, comunicația cu magistrala I2C se va realiza prin intermediul unei biblioteci software puse la dispoziție de Microchip: MCP2221 DLL. Pentru a realiza achiziția de temperatură de la senzor este necesar să utilizăm următoarele funcții ale bibliotecii (directorul bibliotecii include exemple de utilizare pentru mai multe limbaje de programare):

  • DllInit() – pentru inițializarea comunicației;
  • GetConnectionStatus() – pentru a verifica dacă dispozitivul este conectat;
  • SelectDev(ID) – pentru a selecta dispozitivul;

ReadI2C() – ce va avea ca parametrii adresa senzorului I2C și numărul de octeți citiți.

Utilizarea bibliotecii LUFA

LUFA (Lightweight USB Framework for AVRs) este o bibliotecă ce implementează stiva USB pentru microcontrolerele Atmel AVR ce dețin un port hardware USB (AVR USB Controller) permițând implementarea de dispozitive USB variate: Android Accessory Host, Audio In Device, MIDI Device, Generic HID Device, Joystick Device, Keyboard Device, Printer Host, Virtual Serial Device etc. Biblioteca LUFA este componenta software care stă la baza funcționării majorității plăcilor Arduino: în cazul Arduino Uno / Arduino Mega biblioteca este utilizată de firmware-ul ce permite microcontrolerelor ATmega8U2/16U2 să realizeze comunicația USB-to-serial și să încarce programul în memoria microcontrolerului central; în cazul Arduino Leonardo / Arduino Micro, plăci echipate cu un microcontroler ATmega32U4, biblioteca este utilizată direct de bootloader-ul plăcii permițând atât comunicația USB-to-serial cât și încărcarea programului.

Plăcile de dezvoltare Arduino nu sunt singurele aplicații embedded ce utilizează biblioteca LUFA, mai jos sunt trecute în revistă câteva dintre multele proiecte bazate pe această bibliotecă:

The Smart Card Detective este un sistem ce permite interceptarea, înregistrarea și modificarea comunicației dintre un smartcard și un cititor de carduri (inclusiv de tip EMV).

1

RFM12B USB light – Stick un dispozitiv de comunicație pentru PC-uri bazat pe microcontrolerul ATmega32U4 și modulul radio FSK RFM12B.

The Finch este un robot educațional gândit pentru a fi folosit în explicarea timpurie a noțiunilor de programare, robotică, sisteme de automatizare.

AD9833-based USB Function Generator este un sistem programabil ce permite generarea unor semnale analogice.

FlySight este un sistem ce permite înregistrarea pe un card de memorie a coordonatelor GPS corelate cu viteza și accelerația pe 3 axe.

2

În cadrul materialului de față vă propunem detalierea a două sisteme bazate pe biblioteca LUFA: (1) transformarea unei plăci Arduino Uno într-un dispozitiv MIDI prin reprogramarea microcontrolerului 16U2 și (2) un cititor de carduri bazat pe microcontrolerul ATmega32U4.

Realizarea unui dispozitiv de tip MIDI

Dispozitivele MIDI sunt dispozitive digitale capabile să genereze sunete sau să transmită comenzi de generare a acelor sunete către alte dispozitive digitale (putem vorbi de un sintetizator sau de o claviatură conectată la un sistem de calcul ce rulează un software de sinteză a notelor). În cadrul proiectului nostru vom transforma o placă de dezvoltare Arduino Uno într-un dispozitiv ce se va conecta la PC prin intermediul unei conexiuni USB și va transmite comenzi specifice MIDI către un software specializat. Pentru a putea modifica comportamentul USB al plăcii (tipul de periferic USB văzut de sistemul de operare) este necesar să modificăm firmware-ul microcrontrolerului 16U2 (prezent pe Uno R3, versiunile anterioare se bazează pe microcontrolerul 8U2). Pentru a reprograma microcontrolerul 16U2 există două posibilități:

3

  • prin intermediul conexiunii USB utilizând un software de programare DFU;
  • utilizând portul ICSP al microcontrolerului 16U2/8U2 (imaginea de mai sus surprinde poziția portului ICSP la diverse variante de plăci Arduino Uno) utilizând un programator ISP (USBtiny – modalitate utilizată în explicațiile următoare – sau USBasp) sau o altă placă Arduino Uno pe post de programator ISP.

Firmware-ul microcontrolerului 16U2/8U2 va fi rescris cu Moco for LUFA, software ce va transforma placa Arduino Uno într-un dispozitiv MIDI – se va download-a arhiva MocoLUFA-110123.tgz și se va utiliza binarul MIDI.hex din directorul HEX. Binarul este compilat pentru microcontrolerul 8U2 dar poate fi utilizat și pentru 16U2 (va funcționa pe orice variantă de placă Arduino Uno). Utilizând utilitarul avrdude se va încărca binarul utilizând comanda (programator USBtinyISP, placă de dezvoltare Arduino Uno R3 echipată cu varianta 16U2):

avrdude -c usbtiny -p m16u2 -U flash:w:MIDI.hex

După încărcare noului firmware, la conectarea plăcii sistemul de operare o va identifica ca dispozitiv MIDI (captură de ecran pe pagina următoare) și va instala driverul implicit (nu este necesar un driver special).

4

Atenție!!! După modificarea firmware-urului microcontrolerului 16U2/8U2 placa Arduino Uno va funcționa doar ca dispozitiv MIDI, nu va mai fi posibilă utilizarea ca o placă de dezvoltare obișnuită – nu va mai fi posibilă reprogramarea acesteia. Pentru revenirea la funcționalitatea inițială se va reîncărca firmware-ul original al plăcii pe microcontrolerul 16U2/8U2 utilizând comanda (firmware-ul original se găsește în directorul de instalare al mediului Arduino IDE în subdirectorul hardware\arduino\avr\firmware\atmegaxxu2):

avrdude -c usbtiny -p m16u2 \

-U flash:w:Arduino-COMBINED-dfu-usbserial-atmega16u2-Uno-Rev3.hex

Din aceste motiv încărcarea programului pe placa Arduino trebuie făcută înainte de modificarea firmware-ului pentru microcontrolerul 16U2/8U2. Programul utilizat va trimite pe serială diverse note conform protocolului MIDI – exemplu preluat din [*]:

void setup() {

Serial.begin(31250);

}

void loop() {

for (int note = 0x1E; note < 0x5A; note ++) {

noteOn(0x90, note, 0x45);

delay(100);

noteOn(0x90, note, 0x00);

delay(100); }

}

void noteOn(int cmd, int pitch, int velocity) {

Serial.write(cmd);

Serial.write(pitch);

Serial.write(velocity);}

Pentru a verifica funcționarea dispozitivului MIDI se poate utiliza orice software specializat, de exemplu: MIDI-OX – utilitar MIDI gratuit. Captura de ecran următoare prezintă modul de configurare a dispozitivului MIDI și captura comenzilor emise de dispozitivul MIDI Arduino utilizând MIDI-OX.

5

 

Plăci de dezvoltare bazate pe microcontrolerul ATmega32U4

Următoarea generație de plăci de dezvoltare Arduino înlocuiește combinația de microcontroler AVR (ATmega328P – Arduino Uno/Ethernet/Mini/Nano sau ATmega2560 – Arduino Mega) și microcontroler AVR cu suport USB (ATmega16U2 sau ATmega8U2), utilizat pentru conversia USB-to-serial necesară programării, cu un singur microcontroler ce include atât performanțele necesare funcționării plăcii de dezvoltare cât și conectivitatea necesară conexiunii USB. Noua generație de plăci de dezvoltare Arduino utilizează microcontrolerul ATmega32U4 pentru realizarea ambelor sarcini, un exemplu de astfel de placă de dezvoltare este Arduino Leonardo – placă de dezvoltare cu formă și performanțe similare cu placa Arduino Uno dar care este echipată cu un singur microcontroler ATmega32U4 ce rulează atât bootloader-ul de încărcare USB cât și programul scris de utilizator. La fel ca și în cazul microcontrolerului ATmega16U2/8U2 (ce echipează Arduino Uno) firmware-ul ce rulează pe microcontrolerul ATmega32U4 se bazează pe biblioteca LUFA. Din acest motiv placa de dezvoltare Arduino Leonardo permite utilizatorului, spre deosebire de placa Arduino Uno, să scrie programe utilizând mediul Arduino IDE care să transforme placa de dezvoltare într-un dispozitiv de tip tastatură sau mouse fără a suprascrie firmware-ul original al plăcii (facilitatea de a se comporta ca un dispozitiv HID USB este deja inclusă în firmware).

Placa Arduino Leonardo nu este singura placă din familia Arduino care este echipată cu microcontrolerul ATmega32U4, alte exemple de astfel de plăci sunt: Arduino Micro, Arduino Yun, Arduino Robot, Arduino Esplora. O placă dezvoltare ce trebuie de asemenea menționată este Teensy 2.0 deoarece este una dintre cele mai mici plăci de dezvoltare bazate pe ATmega32U4 fiind alegerea cea mai bună pentru proiectele ce au constrângeri legate de dimensiune și din care placa de dezvoltare nu se mai recuperează. Un alt avantaj major al acestei plăci de dezvoltare este dat de componentele software suplimentare față de o placă de dezvoltare Arduino Leonardo dar compatibile cu mediul Arduino IDE. Pe baza acestei plăci vom prezenta realizarea dispozitivul următor.

7

 

Realizarea unui dispozitiv de tip Cititor de Carduri

Dispozitivul prezentat este bazat pe exemplul de la adresa. Plecând de la exemplul Mass Storage conținut în biblioteca LUFA, sistemul implementează un dispozitiv USB de citire a unui card de memorie SD (un card reader) combinând exemplul cu biblioteca de lucru cu un card de memorie. Schema de interconectare a componentelor este prezentată în imaginea alăturată. Pentru compilarea / recompilarea proiectului este necesară instalarea mediului WinAVR și se realizează prin comanda make all în consolă de comandă în directorul LowLevelMassStorage+SD al proiectului. Fișierul MassStorage.hex rezultat în urma compilării proiectului se încarcă în memoria microcontrolerului ATmega32U4 utilizând un programator ICSP (inclusiv o placă Arduino Uno pe post de programator ISP). După încărcarea noului firmware, placa de dezvoltare va fi văzută de sistemul de operare ca un dispozitiv de stocare și se vor putea efectua operațiile de bază cu cardul de memorie (citire, scriere, formatare).

8

Un proiect similar (o placă Teensy 2.0 programată să se comporte ca un dispozitiv de stocare) se găsește la adresa. Acest proiect utilizează exact același program ca și exemplul precedent dar explică în mod detaliat modul de conectare a unui adaptor SD (Teensy SD adaptor) și modul în care tot ansamblul de componente poate fi integrat într-o carcasă USB astfel încât să rezulte o formă finală elegantă (imagine alăturată). O idee interesantă lansată de acest proiect este posibilitatea de a realiza dispozitive mixte (HID+MassStorage) ce pot fi utilizate în lansarea unor atacuri informatice (un mouse sau o tastatură ce conține un virus în memoria internă – un troian hardware).

9