Платформа для разработки Heltec Cube cell - Arduino+LoRaWAN. Как сделать беспроводной датчик температуры с расстоянием связи в несколько километров.

С появлением у меня собственного LoRaWAN-шлюза, мне захотелось немного глубже окунуться в данную технологию и расширить свою коллекцию устройств с поддержкой LoRa. На рынке представлено большое число платформ для разработки с поддержкой LoRa, как в виде отдельных плат расширения форм-фактора Arduino, так и с интегрированными на одной плате трансивером и управляющим микроконтроллером. Я активно слежу за развитием подобных платформ. Несколько моделей подобных устройств разработаны компанией Heltec Automation. У меня уже давно в корзине лежала плата Heltec Lora node (HTCC-AB01) из линейки Cube Cell, наконец я её приобрел и спешу поделиться своими впечатлениями.

Производитель выделяет следующие особенности серии Cube cell:
— Идеальная совместимость с Arduino!
— Сертификация CE и FCC;
— Основаны на микросхемах ASR605x (ASR6501, ASR6502), в которые уже интегрированы MCU серии PSoC® 4000 (ARM® Cortex® M0 + Core) и трансивер SX1262;
— Поддержка LoRaWAN 1.0.2;
— Конструкция со сверхнизким энергопотреблением, 3,5 мкА в глубоком сне;
— Бортовая система управления солнечной энергией, может напрямую подключаться к солнечной панели 5,5 ~ 7 В;
— Встроенный интерфейс батареи SH1.25-2, интегрированная система управления литиевой батареей (управление зарядкой и разрядкой, защита от перезарядки, определение заряда батареи, автоматическое переключение питания USB / батареи);
— Интерфейс Micro USB с полной защитой от электростатического разряда, защитой от короткого замыкания, радиочастотным экраном и другими мерами защиты;
— Встроенный чип CP2102 USB для последовательного порта, удобный для загрузки программ, печати отладочной информации;
— Хорошее соответствие зависимости и большое расстояние связи.
Технические характеристики

Характеристики энергопотребления

Распиновка платы HTCC-AB01

Ключевым моментом в выборе данной платформы для меня стала поддержка средой Arduino IDE. Документацию по добавлению поддержки в Arduino IDE и большое количество примеров можно найти на официальном github.

На Aliexpress есть официальный магазин компании Heltec, но цены там несколько выше, чем в сторонних магазинах. В линейке Cube Cell ещё есть платформы с интегрированным Oled-дисплеем и с GPS-модулем. Можно приобрести отдельно модуль Cube cell и интегрировать его в собственную разработку. Есть варианты на 433, или на 868/915 МГц.

Плата поставляется в пластиковом боксе.

В комплекте сама плата и пара штырьковых гребенок. К сожалению в комплекте нет антенны, хотя у других продавцов она была.

Плата действительно миниатюрная, её размеры всего 40x23 мм.


При подключении к ПК, драйвера для USB-UART конвертера устанавливаются автоматически.
Для добавления поддержки данной платформы в Arduino IDE нужно всего пара действий: добавить источник загрузки пакетов поддержки и в менеджере плат непосредственно найти и установить пакет поддержки для Cube Cell. После выбора нужной платы в менеджере, можно открыть соответствующие примеры программ. Здесь может возникнуть небольшая проблема: у меня были установлены библиотеки «Lora» и «Onewire» и одноименные разделы примеров для Cube Cell не были добавлены. Решение проблемы: удалить библиотеки «Lora» и «Onewire» и переустановить поддержку платформы Cube Cell.

Для подключения узла к Thethingsnetwork необходимо в первую очередь зарегистрировать учетную запись.
Далее необходимо в консоли добавить приложение и зарегистрировать в нем устройство. Необходимо выбрать метод активации устройства OTAA или ABR. В моем случае выбран ОТАА. Будут сгенерированы 3 ключа: devEui, appEui, appKey, доступные в описании устройства, необходимые для подключения устройства к сети.

После корректной установки поддержки можно проверять работу платформы. Для работы в сети LoRaWAN нужно задать несколько параметров в разделе «Инструменты». Настройки должны соответствовать настройкам устройства на TheThingsNetwork и региональным настройкам сети LoRaWAN. В моем случае настройки выглядят следующим образом:

В скетче необходимо изменить ключи devEui, appEui, appKey по-умолчанию на полученные при регистрации устройства в Thethingsnetwork. После компиляции скетча и прошивки устройства данные с устройства должны появиться в консоли на сайте Thethingsnetwork. Тут я столкнулся с небольшой проблемой: при работе от USB-порта данные успешно передавались, при попытке проверить передачу данных на небольшом удалении при питании самой платы от повербанка я наблюдал лишь попытки устройства зарегистрироваться в сети. Я грешил на настройки программы, но оказалось все куда проще: насколько я понимаю, повербанк отключает питание, если ток потребления очень низкий. При пробуждении устройства оно пытается зарегистрироваться в сети, далее отправляет пакет и переходит в режим сна, в этот момент повербанк отключает питание и цикл повторяется.

В этом обзоре не будет как такового теста дальности связи. Лишь отмечу, что прямая видимость решает, подробнее здесь. Большее внимание хотелось бы уделить практическому использованию технологии LoRaWAN на примере создания очередного беспроводного термометра, но радиусом действия в несколько километров. Пакет поддержки CubeCell для Arduino IDE содержит большое количество примеров с использованием различных датчиков. Я остановился на имеющемся у меня в наличии BMP180.

Thethingsnetwork не является платформой для хранения и визуализации данных, поэтому их необходимо передавать на сторонний сервис. Есть несколько встроенных интеграций. Я выбрал уже знакомую мне платформу Thingspeak. Данные в сети LoRaWAN передаются в двоичном виде, для передачи их на сервер Thingspeak необходима конвертация двоичных значений в читаемый (десятичный) формат. Это можно сделать непосредственно в консоли Thethingsnetwork. В форме payloads format необходимо написать код на JavaScript, который будет переводить двоичные данные в текстовый формат. В документации для CubeCell уже есть пример кода. В примере для BMP180 каждый пакет данных содержит 14 байт: по 4 байта для температуры, давления и альтитуды и 2 байта для напряжения аккумулятора. Мой код для декодирования данных и представления их в необходимом для передачи на Thingspeak JSON-формате выглядит следующим образом:

function Decoder(bytes, port) {

  function bytesToFloat(bytes) {
    //LSB Format (least significant byte first).
    var bits = bytes[3]<<24 | bytes[2]<<16 | bytes[1]<<8 | bytes[0];
    var sign = (bits>>>31 === 0) ? 1.0 : -1.0;
    var e = bits>>>23 & 0xff;
    var m = (e === 0) ? (bits & 0x7fffff)<<1 : (bits & 0x7fffff) | 0x800000;
    var f = sign * m * Math.pow(2, e - 150);
    return f;
  }  

  function bytesToShort(bytes) {
  var testShort = (bytes[0] << 8) | bytes[1];
  return testShort / 1000;
  }

  return {
    field1: bytesToFloat(bytes.slice(0, 4)),
    field1: bytesToFloat(bytes.slice(4, 8)),
    field1: bytesToFloat(bytes.slice(8, 12)),
    field2: bytesToShort(bytes.slice(12, 14))
  }; 
}

Для интеграции приложения сThingspeak необходимо указать произвольное название процесса и два обязательных параметра: идентификатор канала Thingspeak и API-ключ для записи, полученный при создании канала. После успешной интеграции данные передаваемые на Thethingsnetwork будут декодироваться и пересылаться на Thingspeak с минимальной задержкой.

Одной из ключевых особенностей устройств с поддержкой LoRa является низкое энергопотребление, обеспечивающее продолжительное время работы от аккумулятора. Производителем платформы CubeCell заявлено потребление до 100 мА в активном режиме в зависимости от мощности передатчика и порядка 11 мкА в спящем режиме. В примере для BMP180 питание на датчик подается с пина Vext непосредственно в момент измерения давления и температуры, но при таком подключении датчик не передавал измеренные значения. Я подключил пин VCC датчика к пину VCC и датчик стал отдавать корректные значения, очевидно что в этом случае питание на датчик подается постоянно, что сказывается на токе потребления в спящем режиме. Я стал искать причину некорректной работы, вначале я подумал, что виной RGB-светодиод, который осуществляет индикацию подключения к LoRaWAN сети и который также подключен к пину Vext, я предположил, что где-то во внутренних функциях происходит включение и отключение питания светодиода. Отключить индикацию можно в меню инструменты Arduino IDE: LORAWAN_RGB DEACTIVE. Но это увы не помогло. Решение проблемы нашлось в вопросах на гитхаб: потребовалось всего лишь добавить небольшую задержку в 100 мс после подачи питания на датчик. Светодиод, тем не менее, лучше отключить в любом случае для экономии заряда аккумулятора. Замеры потребления производились мультиметром Aneng AN8009, точность измерений которого я не могу гарантировать. Отправка данных длится всего несколько миллисекунд и замерить потребляемый ток при этом не удается. В спящем же режиме, согласно проведенным замерам потребление вполне соответствует заявленному и составляет порядка 10.2 мкА.

Дополнительно для анализа потребления во времени я использовал датчик INA3221.

На графике можно увидеть два интервала работы: 1 с пиком потребления до 30 мА и длительностью 60 мс, 2 с пиком в 4 мА и длительностью около 30 мс. При таком потреблении аккумулятора емкостью около 1000 мА*ч должно хватить на несколько лет. Фактически после непрерывной работы передатчика в течение двух суток с отправкой данных каждые 15 секунд (что конечно же очень часто для реального использования) напряжение незначительно упало с с 4,09 до 4,08В. Стоит учитывать, что передатчик находился в непосредственной близости от шлюза, и время его работы и мощность были минимальны, при расстоянии передачи в несколько километров, потребление будет выше. В реальных условиях условиях, с учетом саморазряда и других факторов, время работы аккумулятора может значительно снизиться, если, конечно, не заряжать его в процессе работы.

И тут мы переходим к другой отличительной особенности платформы CubeCell HTC-AB01 — возможности использования солнечных панелей для зарядки аккумулятора. К платформе можно напрямую подключить панели с напряжением до 7В. У меня есть в наличии две панели с напряжением 5В и заявленной мощностью 1.2 Вт. В этом месяце дни выдались пасмурными и панели работали крайне неэффективно, по предыдущим замерам на ярком солнце максимальная мощность составляла порядка 0,7Вт (ток 140мА) таким образом за несколько часов работы на ярком солнце солнечная панель может зарядить аккумулятор небольшой емкости.

Плюс аккумулятора через мосфет соединяется с АЦП, при вызове функции getBatteryVoltage() производится замер напряжения на аккумуляторе, благодаря чему можно следить за активностью солнечных панелей. Для теста я закрепил две параллельно соединенные панели на оконное стекло. Нельзя назвать такой способ установки солнечных панелей эффективным, т.к. показали предыдущие замеры, максимальную эффективность они имеют на прямом солнце.Тем не менее, на графике напряжения на аккумуляторе можно увидеть как оно увеличилось с 4.08 до 4.12В.

Напряжение начинало увеличиваться едва светало за окном, даже если самого солнца не было видно. Во время тестирования передатчик проработал с подключенными солнечными панелями около четырёх суток и напряжение при этом не падало ниже 4.13В уже после захода солнца, таким образом можно сделать вывод, что нескольких часов работы солнечных панелей было достаточно чтобы зарядить аккумулятор. Отдельно стоит отметить, что на лоджии, где был расположен передатчик температура порой опускалась до -2, что должно было негативно сказаться на работе аккумулятора.

В видео несколько нагляднее и подробнее показан процесс интеграции TheThingsnetwork и Thingspeak.

Заключение

Резюмирую свои впечатления: платформа CubeCell HTCC-AB01, на мой взгляд, однозначно заслуживает внимания. Ключевыми особенностями платформы являются: низкое энергопотребление, поддержка солнечных панелей, поддержка работы в среде Arduino IDE. Отдельно стоит отметить довольно подробную документацию и большое количество примеров. Документация написана доступным языком и легко разобраться даже начинающему пользователю. Фактические характеристики дальности связи соответствую заявленным: даже с не очень эффективной антенной легко добиться дальности связи порядка 6 км при прямой видимости. Из минусов на ум приходит только комплектация поставки у данного продавца, а именно отсутствие в комплекте даже самой простой антенны и кабеля с разъемом для подключения аккумулятора.