Prototipare ed eseguire rapidamente il debug di un nodo di rilevamento wireless con un'unica piattaforma

Dall'HVAC all'automazione di fabbrica, ai settori automotive, medicale e dell'elettronica consumer, gli sviluppatori di dispositivi di rilevamento connessi in modalità wireless sono sempre sotto pressione per trovare rapidamente prodotti dai costi contenuti, rispondendo al tempo stesso alle sempre crescenti sfide normative, di interoperabilità e di prestazioni. Anche se spesso si è tentati di progettare un sensore wireless partendo da zero per differenziarlo in termini di prestazioni e dimensioni, è più veloce ed economico utilizzare kit pronti all'uso, progettati per velocizzare prototipazione e sviluppo, con consolidati ecosistemi per il supporto e la scalabilità.

Una di queste piattaforme è il kit LaunchPad SensorTag LPSTK-CC1352R di Texas Instruments. Il kit combina un microcontroller wireless (CC1352R), sensori, diverse interfacce wireless, prestazioni relativamente elevate e basso consumo energetico, in un fattore di forma compatto con un vasto e ben collaudato ecosistema di supporto software e strumenti.

Questo articolo descrive la natura evolutiva della progettazione e della prototipazione dei sensori wireless, introduce il kit SensorTag CC1352R e spiega come utilizzarlo.

Perché utilizzare un kit di prototipazione di sensori wireless?

I sensori wireless pongono un problema insidioso ai progettisti. Per ridurre al minimo la manutenzione, devono realisticamente durare almeno da uno a 10 anni sul campo prima che si renda necessario sostituirne le batterie. Devono anche possedere una certa capacità integrata di elaborazione e di analisi, poiché se queste funzioni avvengono il più vicino possibile all'edge di Internet delle cose (IoT) si riduce la quantità di dati da scambiare, riducendo di conseguenza il consumo energetico e sfruttando meglio la larghezza di banda wireless disponibile.

La larghezza di banda wireless presenta problemi specifici, in quanto i progettisti devono scegliere tra più stack wireless, tra cui Bluetooth, Thread e Zigbee che operano a frequenze sub-Gigahertz o a 2,45 GHz. Ogni soluzione ha i suoi vantaggi e svantaggi relativamente all'uso della larghezza di banda disponibile, della potenza e delle risorse di elaborazione. La scelta richiede un'attenta analisi dei requisiti dell'applicazione in termini di velocità dei dati, portata, numero di nodi previsti, topologia della rete, requisiti di latenza, ciclo di lavoro, consumo energetico, overhead del protocollo di connettività di rete, interoperabilità e requisiti normativi.

Scegliere l'interfaccia giusta per una nuova implementazione è relativamente facile. Ma spesso accade che nelle applicazioni Industrial IoT (IIoT) siano già presenti reti wireless distribuite, per cui il progettista deve decidere se connettersi direttamente ad altri nodi utilizzando la stessa interfaccia, oppure utilizzarne un'altra che potrebbe essere più idonea per l'applicazione, e poi connettere la vecchia alla nuova attraverso un gateway.

Sono tutti alberi decisionali legati alle applicazioni che i progettisti devono affrontare; ma quando si tratta di prototipare e sviluppare un'idea, raramente vale la pena progettare un'interfaccia da zero e poi scegliere un processore e i relativi sensori, per non parlare dell'investimento di tempo e risorse per lo sviluppo e l'integrazione del software. È vero che sviluppare un proprio progetto può avere vantaggi in caso di volumi di produzione molto elevati per prodotti destinati al mercato di massa. In molti casi, però, agli ingegneri che progettano un nodo per la linea di produzione della propria azienda servono solo alcuni nodi per ottenere i dati da alcuni motori, in un certo punto di una linea di produzione o da un termometro, quindi i volumi elevati non sono un requisito di progettazione. In questi casi, un kit già pronto è perfetto.

Qualora fossero richiesti volumi più elevati, sono disponibili moduli RF di serie, pre-certificati e conformi alle normative. Essendo dotati di un ricco supporto firmware e software, questi moduli possono accelerare la prototipazione e mantenere bassi i costi di sviluppo e di implementazione. In questi casi, i progettisti devono assemblare il processore della piattaforma richiesto, i sensori e i relativi elementi software per ogni sensore e blocco aggiuntivo.

Questo non è un problema se sanno già quale interfaccia wireless utilizzare. Ma se sono ancora nella fase di valutazione di vari progetti per più applicazioni, con interfacce wireless legacy e spesso non interoperabili, serve un approccio più integrato e flessibile alla prototipazione e allo sviluppo di sensori wireless.

SensorTag: una completa piattaforma di prototipazione di sensori wireless

È preferibile trovare una piattaforma di serie che comprenda gli elementi fondamentali di un nodo di rilevamento ed elaborazione abilitato in modalità wireless - con i sensori, il software e l'ecosistema a supporto di un progettista - e che consenta comunque l'esplorazione e la differenziazione a livelli superiori dello stack di sviluppo del software. Questo è quanto offre Texas Instruments (TI) con il suo kit LaunchPad SensorTag LPSTK-CC1352R (Figura 1).

Figura 1: Il kit LaunchPad SensorTag LPSTK-CC1352R ha tutto l'occorrente per prototipare e sviluppare un'applicazione di sensori wireless. (Immagine per gentile concessione di DigiKey, basata su materiale di Texas Instruments)

Il kit è basato sul microcontroller wireless multibanda (MCU) CC1352R di TI, a cui sono stati aggiunti sensori ambientali e di movimento e software, il tutto in un involucro rimovibile con un'antenna snodabile esterna sub-1 GHz, un cavo a due fili femmina-femmina, un cavo a nastro piatto da 10 pin per una connessione JTAG e una guida rapida. Non inclusi nel kit, ma consigliati sono il kit di sviluppo Launchpad con MCU wireless CC1352R SimpleLink Multi-Band LAUNCHXL-CC1352R1 di TI e due batterie AAA, anche se SensorTag può funzionare con una batteria a bottone CR2032 usando uno speciale portabatterie che può essere montato sul retro della scheda.

Il cuore del kit SensorTag è rappresentato dall'MCU wireless multibanda CC1352R (Figura 2). Fa parte della piattaforma di MCU SimpleLink di TI, progettata per fornire tutti gli elementi necessari per una topologia collegata sicura e a bassa potenza.

Figura 2: Il microcontroller wireless multibanda CC1352R di TI è conforme alla certificazione FCC, CE e IC per il funzionamento dual-band a 2,4 GHz e sub-1 GHz e rappresenta il cuore del kit LaunchPad SensorTag LPSTK-CC1352R. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Il microcontroller CC1352R è certificato FCC, CE e Industry Canada (IC) per il funzionamento dual-band a 2,4 GHz e sub-1 GHz, che comprende Bluetooth Low Energy (BLE), Thread, Zigbee, reti PAN (Personal Area Network) wireless a bassa potenza abilitate IPv6 (6LoWPAN) e altri protocolli proprietari basati su strato fisico (PHY) IEEE 802.15.4g, tra cui SimpleLink TI 15.4-Stack (sub-1 GHz e 2,4 GHz) di TI. Utilizzando un Dynamic Multiprotocol Manager (DMM), è in grado di eseguire più protocolli contemporaneamente.

Il ricevitore della radio ha una sensibilità di -121 dBm (decibel riferiti a 1 milliwatt) in modalità lungo raggio SimpleLink; -110 dBm a 50 kbps; -105 dBm per Bluetooth a 125 kbps (con un PHY codificato LE). La potenza massima di trasmissione è di +14 dBm nelle bande sub-GHz, dove assorbe 24,9 mA, e di +5 dBm a 2,4 GHz, dove assorbe 9,6 mA. La corrente di standby del dispositivo è di soli 0,85 µA, con pieno mantenimento dei dati in RAM. È anche pronto per IIoT con una corrente di standby di 11 µA a 105 °C. Un progettista può sperimentare varie modalità di standby e frequenze di campionamento convertitore analogico/digitale (ADC) per trovare la configurazione ottimale che assicuri un basso consumo. L'ADC, ad esempio, può essere impostato per campionare a 1 Hz, nel qual caso il sistema assorbirà 1 µA.

Il processore al cuore di CC1352R si basa su un core Arm® Cortex®-M4F a 48 MHz supportato da 352 kB di flash programmabile nel sistema, 256 kB di ROM per protocolli e funzioni libreria e 8 kB di SRAM cache. Supporta aggiornamenti via etere (OTA) ed è dotato di un acceleratore AES 128 e AES 256.

Ottimizzato per un basso numero di componenti in distinta base

Uno dei problemi che i progettisti di front-end RF devono affrontare è il numero di componenti passivi discreti aggiuntivi richiesti per il filtraggio, l'adattamento di impedenza e altre funzioni. Questi componenti fanno lievitare i costi e complicano il layout. Per semplificare l'implementazione di CC1352R, TI ha collaborato con Johanson Technology per sviluppare un contenitore personalizzato di componenti passivi integrati (IPC) di 1x1,25x2 mm che ha ridotto il numero dei componenti da 23 a tre (Figura 3).

Figura 3: TI ha sviluppato congiuntamente a Johanson Technology un IPC che semplificasse l'implementazione del suo CC1352R. Grazie a questa collaborazione, il numero dei componenti passivi richiesti è sceso da 23 ad appena tre. (Immagine per gentile concessione di DigiKey, da materiale di Johanson Technology)

Se, a parte i quattro sensori in dotazione con il kit SensorTag, ne servono altri o di diverso tipo, li si può aggiungere rapidamente utilizzando i moduli innestabili BoosterPack LaunchPad di TI. I quattro sensori inclusi nel kit SensorTag sono:

• Il sensore di temperatura e umidità HDC2080 di TI
• Il sensore di luce ambiente OPT3001 di TI
• L'interruttore a effetto Hall DRV5032 di TI
• L'accelerometro ADXL362 di TI

Vengono mostrati il layout e le connessioni con i sensori (Figura 4).

Figura 4: Il kit SensorTag ha in dotazione sensori per umidità, temperatura, luce ambiente, accelerazione e ad effetto Hall. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

I connettori sono compatibili con LaunchPad in modo da collegare facilmente, oltre ai sensori, anche periferiche BoosterPack come i display LCD o circuiti personalizzati.

Per iniziare con il kit LaunchPad SensorTag LPSTK-CC1352R

Per iniziare con il kit LaunchPad SensorTag LPSTK-CC1352R, scaricare il kit di sviluppo software (SDK) SimpleLink CC13x2 e CC26x2. Questa versione è validata solo per i dispositivi Rev. E, quindi per quelli Rev. C o precedenti, utilizzare v2.30.00.xx. Una volta scaricato, andare in SimpleLink Academy dove sono disponibili istruzioni ed esempi passo-passo.

Per ottenere rapidamente i dati campione, il kit è pre-programmato con un progetto Bluetooth 5 (BLE5) chiamato Multi-Sensor che si collega tramite una connessione BLE a smartphone e tablet in cui sia stata caricata l'applicazione SimpleLink Starter per iOS o per Android. Usando questa connessione iniziale, i progettisti possono iniziare a guardare i dati del sensore, commutare i LED, leggere lo stato dei pulsanti e aggiornare il firmware usando le funzionalità OTA Download (OAD) (Figura 5). A questo punto, possono anche inviare i dati al cloud dal dispositivo mobile.

Figura 5: I progettisti possono iniziare a sperimentare il kit LaunchPad SensorTag tramite una connessione BLE a uno smartphone o tablet in cui sia stata caricata l'applicazione SimpleLink Starter per piattaforme iOS e Android. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Oltre a BLE, LPSTK ha altri due esempi: uno usa LPSTK come interruttore della luce Zigbee, l'altro lo usa come nodo sensore in una rete 802.15.4. Tutti e tre i progetti di esempio sono disponibili in SDK come segue:

• Multi-sensore:
  • <simplelink_cc13x2_26x2_sdk install location>\examples\rtos\CC1352R1_LAUNCHXL\ble5stack\multi_sensor
• Nodo sensore DMM di TI:
  • \CC1352R1_LAUNCHXL\dmm\dmm_154sensor_remote_display_oad_lpstk_app
• Interruttore Zigbee:
  • \CC1352R1_LAUNCHXL\dmm\dmm_zed_switch_remote_display_oad_app

A corredo di SimpleLink e dell'app Starter, TI offre SysConfig, un'interfaccia grafica utente (GUI) per abilitare, configurare e generare codice di inizializzazione per i vari componenti SDK SimpleLink, compresi i driver di TI e la configurazione dello stack per BLE, Zigbee, Thread e TI-15.4 (Figura 6).

Figura 6: SysConfig di TI, a corredo di SimpleLink, è una raccolta di utility grafiche di facile utilizzo per configurare pin, periferiche, radio, sottosistemi e altri componenti. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Come per qualsiasi progetto di sistema, è raro che non sia richiesto un certo grado di debugging. Per questa fase, SensorTag è stato progettato per l'uso con il debugger XDS110 integrato in un kit di sviluppo LaunchPad (in questo caso LAUNCHXL-CC1352R ricordato sopra), da qui l'inclusione di un cavo JTAG a 10 pin per Arm e un cavo UART a due fili. Una volta collegati, questi componenti permettono il debug completo, la programmazione e la comunicazione UART. Per collegare i cavi attenersi alla seguente procedura:

• Scollegare i ponticelli di isolamento su LaunchPad
• Collegare il cavo JTAG a 10 pin per Arm alla basetta XDS110 OUT su LaunchPad SensorTag
• Collegare l'altra estremità del cavo JTAG a 10 pin per Arm alla basetta su LaunchPad SensorTag
• Collegare il cavo ponticello a due pin ai pin superiori di RXD e TXD (filo grigio a RXD, filo bianco a TXD)
• Collegare l'altra estremità del ponticello a due pin ai pin 12/RX e 13/TX di LaunchPad SensorTag (grigio a 12/RX, bianco a 13/TX)
• Collegare LaunchPad a un PC o a un laptop

La configurazione finale dovrebbe assomigliare a quella mostrato nella Figura 7.

Figura 7: Per il debug, SensorTag deve essere collegato al kit di sviluppo LaunchPad LAUNCHXL-CC1352R utilizzando il cavo JTAG a 10 pin per Arm e il cavo UART a due pin, entrambi in dotazione con il kit SensorTag. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Va detto che, non potendo un'immagine in esecuzione aggiornarsi da sola, durante la fase di ricezione un'immagine OAD in entrata va memorizzata in una posizione temporanea. Questa posizione temporanea può essere riservata nella flash interna o fuori dal chip. In entrambi i casi, una volta completato il download dell'immagine, per stabilire (sulla base della sua intestazione) se è valida e se deve essere caricata ed eseguita, viene utilizzato un Boot Image Manager (BIM) che risiede permanentemente nel dispositivo SensorTag.

Il BIM è particolarmente utile, ad esempio, in quanto consente al progettista di tornare all'immagine originale già pronta dopo un OAD. A questo fine, tenere premuto BTN-1 (pulsante sinistro) all'accensione o durante un reset e il BIM tornerà all'immagine già pronta (cioè multi-sensore).

Conclusione

Anche se esiste un'ampia scelta di interfacce wireless quando si implementa un nodo sensore wireless, gli sviluppatori non devono dedicare tempo e risorse per prototipare ognuna di esse per scoprire quale funziona meglio per una data applicazione. Utilizzando il kit SensorTag LPSTK-CC1352R e l'hardware LaunchPad, il software e l'ecosistema associati, possono mescolare e abbinare rapidamente e facilmente le interfacce, utilizzare uno o più sensori BoosterPack contemporaneamente o aggiungerli e scambiarli a seconda delle necessità.