Esaminiamo in dettaglio il TR-52, un modulo transceiver di IQRF basato su microcontrollore on board molto completo e dotato di tutto ciò che necessita allo sviluppatore. Estremamente versatile, si rende utile in numerose applicazioni e trova uno dei suoi punti di forza nel consumo davvero contenuto.
Il modulo che stiamo per esaminare è una famiglia di transceiver dotata di microcontrollore on-board, un sistema operativo e alcune periferiche. Esso lavora alle frequenze operative di 868 Mhz e 916 Mhz per le quali non è richiesta alcuna licenza. È immediatamente pronto all’uso e non necessita di componenti aggiuntivi esterni per il funzionamento. In questo modo le realizzazioni possono essere sviluppate molto velocemente e contenute in spazi davvero esigui. Dispone inoltre di tutto ciò che necessita allo sviluppatore e assieme al sistema operativo integrato troviamo una EEPROM seriale e altro, al fine di ridurre i tempi e i costi di progettazione.
Un punto di forza è il consumo estremamente basso, che consente l’utilizzo di batterie per un lungo periodo di tempo. Il suo campo di utilizzo è estremamente vasto e la sua grande versatilità consente di adottarlo in numerosissime applicazioni, tra le quali ricordiamo:
- applicazioni di acquisizione remota di dati;
- controllo di accessi a distanza;
- controlli senza fili di dispositivi e periferiche;
- telemetria;
- quant’altro possa prevedere una connessione wireless per qualsiasi applicazione.
I consumi
Il progettista può realizzare dispositivi alimentati da batterie e accumulatori grazie al bassissimo consumo che caratterizza la famiglia di questi transceiver. Infatti in qualsiasi situazione operativa il dispositivo richiede una corrente molto esigua all’alimentazione. In dettaglio ecco i consumi tipici, nelle varie modalità di lavoro:
- in modalità sleep o stand-by consuma solo 2 uA (microampère);
- in trasmissione consuma tipicamente una corrente compresa tra 14 mA e 24 mA;
- in ricezione STD consuma 13 mA;
- in ricezione LP consuma 400 uA;
- in ricezione XLP consuma solo 35
Caratteristiche
Le caratteristiche avanzate fanno del TR-52B (figura 1) un prodotto unico e completo, capace di soddisfare qualsiasi esigenza nelle applicazioni wireless. Eccone alcune peculiarità di rilievo:
- possibilità di installazione di una antenna on-board;
- possibilità di innestare un connettore d’antenna coassiale (figure 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13);
- formato della scheda SIM a basso costo e basso profilo;
- presenza di almeno 6 porte di I/O e almeno 2 analogiche (A/D);
- presenza di due diodi LED;
- sensore di temperatura on-board e monitoraggio della batteria;
- interfaccia SPI;
- consumo estremamente ridotto;
- microcontrollore dotato di flash memory estesa ed EEPROM;
- banda operativa selezionabile tra 868 Mhz e 916 Mhz;
- modulazione FSK;
- velocità di trasmissione selezionabile;
- tensione di alimentazione: da 3,1 a 5,3 V;
- temperatura di esercizio per i modelli standard: da 0 °C a +70 °C;
- temperatura di esercizio per i modelli industriali: da –40 °C a +85 °C (su richiesta);
- sensibilità: –110 dBm a 868 Mhz e 1,2 kb/s, –109 dBm a 916 Mhz e 1,2 kb/s;
- potenza RF: fino a 5 dBm;
- distanza di trasmissione: fino a 700 m a 1,2 kb/s e fino a 500 m a 19,2 kb/s (secondo l’inclinazione del modulo e gli ostacoli presenti);
- conversione A/D a 10 bit;
- precisione del sensore di temperatura: 0,5° C;
- misure: 25,0 mm x 14,9 mm x 3,0 mm.
Come affermato in precedenza, il TR-52B contiene al suo interno svariati dispositivi. Dalla figura si può evincere l’organizzazione logica di questi, nonché il relativo collegamento. In generale il TR-52B dispone di:
- microcontrollore PIC16F886–I/ML di Microchip;
- modulo a radiofrequenza TRC102 di RF Monolithics (RFM);
- regolatore LDO MCP1700 di Microchip;
- sensore di temperatura MCP9700A di Microchip;
- EEPROM 24AA16/MC di Microchip.
Figura 1: alcuni modelli della famiglia TR-52B.
Piedinatura
In figura 2 e in figura 6 si può osservare la piedinatura.
- C1: collegato alle porte RA0/AN0 per porta digitale o ingresso analogico;
- C2: collegato alla porta digitale RC2 (con S1 aperto) oppure all’uscita LDO di 3 V (con S1 chiuso);
- C3: piedino di alimentazione;
- C4: massa;
- C5: collegato a RA5, -SS, AN4 (ingresso analogico), RC6, Uart TX, RB4, AN4 e AN11 (ingressi analogici);
- C6: collegato a RC3, SCK (ingresso clock SPI), SCL (clock I2C);
- C7: collegato a RC4, SDI (dati SPI), SDA (dati I2C);
- C8: collegato a RC5, RC7, RX Uart, SDO (uscita SPI);
- X5: ingresso antenna;
- X6: massa per antenna a dipolo;
- P1-P6: per programmazione di fabbrica;
- S1: switch
- S2: switch
Figura 2: pinout del TR-52B.
Il connettore d’antenna
Attualmente esistono quattro modelli del TR-52B (figura 3), a seconda della tipologia del connettore d’antenna utilizzato: TR-52B, TR-52BK, TR-52BC e TR-52BA.
TR-52B
Questo modello (figura 4 e figura 5) prevede semplicemente un foro sul quale l’operatore può saldare direttamente l’antenna o uno spezzone di filo. In questo caso il numero di saldature o brasature da effettuare è limitato, e occorre prestare attenzione a non danneggiare il modulo.
TR-52BK
Questo modello prevede, per il collegamento d’antenna, una presa a frusta (¼ whip) KON-AN-03.
TR-52BC
Questo modello prevede, per il collegamento d’antenna, una presa mini-coassiale per AN-05-C oppure CAB-U.FL.
TR-52BA
Questo modello prevede un’antenna direttamente stampata su PCB. Per questo motivo la lunghezza complessiva del modulo è leggermente maggiore. Al fine di semplificare la creazione delle applicazioni al progettista, la IQRF mette a disposizione alcuni esempi e note operative di carattere generale. Essi sono stati sviluppati per soddisfare le esigenze più disparate e sono realizzate con molta chiarezza. Gli esempi forniti sono perfettamente funzionanti e realizzati in linguaggio C e includono il file HEX da caricare direttamente sul microcontrollore.
Figura 3: schema interno del TR-52B.
Monitoraggio temperatura e tensione di una batteria via RF
In questo esempio (vedere listato 1) si implementa il controllo a distanza della temperatura e dello stato della batteria (vedi figura 14). L’autonomia del circuito è molto elevata. Le caratteristiche salienti dell’implementazione sono le seguenti:
- il TR-52B opera per la maggior parte del tempo in sleep mode, permettendo in tal modo un notevole risparmio della batteria con i suoi 3,5 microampère di assorbimento;
- i dati della temperatura e della tensione sono spediti a ogni segnale di “risveglio” del watchdog;
- i dati possono essere visualizzati in un terminale IDE.
Figura 4: schema interno dettagliato del TR-52B.
Applicazioni con reti Mesh
La particolarità delle reti Mesh (vedi figura 15) è quella di prevedere un collegamento a maglia (e non ad albero). La struttura dunque è simile al collegamento Internet. I transceiver possono comunicare tra loro, inviare pacchetti in routing ed estendere quindi la copertura digitale. Un’altra caratteristiche del collegamento Mesh è quella di implementare un cammino alternativo, nel senso che se un pacchetto non riesce a raggiungere un nodo utilizza un altro percorso, tra quelli disponibili. Si cerca comunque di ottimizzare il percorso, scegliendo il minor numero possibile di nodi. Sfruttando questa tecnologia è possibile trasmettere con una potenza irrisoria, dal momento che il sistema permette di evitare gli ostacoli.
Figura 5: le componenti interne del TR-52B.
Figura 6: pinout del TR-52B (visto da sotto).
Figura 7: connettore d’antenna passante nel modello TR-52B.
Figura 8: connettore d’antenna a frusta nel modello TR-52BK.
Figura 9: connettore d’antenna mini coassiale nel modello TR-52BC.
Figura 10: l’antenna stampata sul PCB nel modello TR-52BA.
Il protocollo IQMesh
Questo protocollo è stato creato nel 2005 come base di partenza per far comunicare i sistemi IQRF. L’aspetto interessante è quello di realizzare processi indipendenti in due o più reti wireless. I pacchetti vengono in pratica ricevuti da qualsiasi rete. In una singola rete può essere presente un dispositivo che funziona da “Coordinatore” e fino a 65.000 nodi. Le applicazioni, in questo caso, diventano estremamente importanti e possono, a grandi linee, riassumersi come segue:
- servizi di multimedia;
- applicazioni di IPTV (Internet Protocol Television);
- applicazioni in WiMax;
- comunicazioni in broadband;
- comunicazioni in stato di emergenza o in caso di disastro, poiché la rete funziona sempre, scegliendo percorsi alternativi;
- telemedicina e salute.
Figura 11: i quattro modelli con diverso tipo di connettore d’antenna.
Figura 12: il connettore d’antenna KONU. FL-R-SMT.
Figura 13: il connettore d’antenna KON-AN-03.
Figura 14: monitoraggio temperatura e tensione di una batteria via RF.
Figura 15: principio di una rete Mesh.
Noto grande interesse nelle frequenza 868 Mhz e 916 Mhz. M iero avvicinato un po’ per curiosità al mondo LoRa ma vedo, anche con questo articolo che non è una unica proposta. Acadrà un po’ come Wi-Fi e Hyperlan che ad un certo punto un consorzio para-commerciale stabilirà uno standard di fatto in questi range?
Sono convinto che un sistema domotico basato su dispositivi di questo tipo potrebbe rivoluzionare in maniera significativa un impianto elettrico. Immaginiamo questo dispositivo al posto del classico interrutore (singolo o più d’uno), quello all’altezza della maniglia delle porte e che controlla gli interruttori (pulsanti); un altro nella presa che la comanda e misura l’assorbimento dei dispositivi collegati (e riconosciuti con Rfid attaccati al filo); uno nel lampadario/punto luce. Rete mesh tra i dispositivi, Raspberry (o arduino) come supervisore e gateway verso tablet usato come user interface. Potente, economico, flessibile e facilmente scalabile.
Cosa ne pensate?