Задания

1. Пульт для светильника. На стороне приемника , включенный в цепь питания светильника (осторожно, 220 Вольт!). На стороне передатчика: . Написать программы для приемника и передатчика, которые по нажатию кнопки будут включать удаленное реле. При повторном нажатии кнопки реле будет выключаться.
2. Уличный термометр с радиоканалом. На стороне передатчика разместить . Предусмотреть автономное питание от батареек. На стороне приемника: . Написать программы для приемника и передатчика, которые позволят выводить показания температуры с удаленного датчика на дисплее.

Заключение

Рано или поздно, в создаваемых проектах появится необходимость дистанционного управления. Одним из самых бюджетных решений является использование радиоприемника и радиопередатчика. Простейший пример их использования вы найдете в данной статье, а дальше все зависит только от ваших нужд и фантазии.

В первую очередь берем 2 платы Arduino и подключаем к ним приемник и передатчик, как показано на рисунке:

Компоненты для повторения (купить в Китае):

Перед тем как преступить к работе, нужно указать, что для полноценной работы, к модулям необходимо припаять антенну. Рекомендуемая длина антенны для передатчиков с частотой 433 МГц равна 17 см.

Библиотека необходимая для работы с модулем VirtualWire

Её необходимо распаковать и добавить в папку "libraries" в папке с Arduino IDE. Не забывайте перезагрузить среду, если на момент добавления IDEшка была открыта.

Пример программного кода

#include void setup (void ) { vw_set_ptt_inverted(true ); // Необходимо для DR3100 vw_setup(2000); // Устанавливаем скорость передачи (бит/с) } void loop (void ) { int number = 123; char symbol = "c" ; String strMsg = "z " ; strMsg += symbol; strMsg += " " ; strMsg += number; strMsg += " " ; char msg; strMsg.toCharArray(msg, 255); Serial .println (msg); vw_send((uint8_t *)msg, strlen(msg)); vw_wait_tx(); // Ждем пока передача будет окончена delay (200); }

Разберем этот код для полного понимания.

Во первых мы формируем строку strMsg. Используем тип String, т.к. с ним проще работать (можно конкатенировать его с числами, используя оператор "+").

Поскольку все передатчики работают в одном диапазоне частот, то каждый приемник будет принимать информацию с каждого передатчика находящегося в зоне досягаемости. Для того, чтобы отсеять лишние символы в простейшем случае можно просто предварить команды каким-то специальным символом. В нашем случае это символ "z".

После этого преобразовываем тип String к стандартному массиву символов при помощи метода toCharArray и передаем его в команду vw_send .

Наш код будет отправлять строку "z c 123".

Перейдем к коду приемника:

Пример программного кода

// Тестировалось на Arduino IDE 1.0.1 #include void setup () { Serial .begin (9600); vw_set_ptt_inverted(true ); // Необходимо для DR3100 vw_setup(2000); // Задаем скорость приема vw_rx_start(); // Начинаем мониторинг эфира } void loop () { uint8_t buf; // Буфер для сообщения uint8_t buflen = VW_MAX_MESSAGE_LEN; // Длина буфера if (vw_get_message(buf, &buflen)) // Если принято сообщение { // Начинаем разбор int i; // Если сообщение адресовано не нам, выходим if (buf != "z" ) { return ; } char command = buf; // Команда находится на индексе 2 // Числовой параметр начинается с индекса 4 i = 4; int number = 0; // Поскольку передача идет посимвольно, то нужно преобразовать набор символов в число while (buf[i] != " " ) { number *= 10; number += buf[i] - "0" ; i++; } Serial .print (command); Serial .print (" " ); Serial .println (number); } }

Сообщение будет считано в буфер buf, который нужно разобрать.

В первую очередь проверяем наличие служебного символа "z", затем считываем код команды и затем преобразовываем строковое представление параметра в число.

Информация получена и разобрана, что делать дальше зависит от конкретной задачи.

В данной статье рассмотрен простейший вариант общения. В идеале нужно задуматься о кодировании передаваемой информации, т.к. её будут получать не только ваши приемники.

P.S. Работая с данными модулями, мы наткнулись на один не приятный подводный камень, а именно конфликт, невозможность работы с библиотекой "servo.h".

Радио модули: передатчик (FS1000A) и приёмник (MX-RM-5V) - предназначены для передачи данных по радиоканалу, на нелицензируемой частоте 433,920 МГц, лежащей в диапазоне LPD433 (Low Power Device) предназначенном для маломощных устройств.

Характеристики передатчика FS1000A

• Рабочая частота: 433.920 МГц (указывается на металлическом корпусе модуля);
• Дальность передачи: до 100 м (в зоне прямой видимости, без антенны);
• Выходная мощность: до 40 мВт;
• Напряжение питания: 3 ... 12 В;
• Ток потребления в режиме ожидания: 0 мА;
• Ток потребления в режиме передачи: 20 .. 30 мА;
• Рабочая температура: -10 ... 70 °C;
• Габариты: 19х19х8 мм;
• Вес: 2 г;

Характеристики приёмника MX-RM-5V

• Рабочая частота: 433.920 МГц (указывается в таблице на печатной плате, если это не шаблон 123456789);
• Тип модуляции: ASK - амплитудная манипуляция;
• Дальность приёма: до 100 м (в зоне прямой видимости, без антенны);
• Напряжение питания: 5В;
• Ток потребления: 4 мА;
• Габариты 30х14х17 мм;
• Вес: 4 г;

Подключение

Для удобства подключения к Arduino воспользуйтесь , или .

Передатчик подключается к любым выводам , а подключение приёмника зависит от типа используемой библиотеки:

• При использовании библиотек , RemoteSwitch, RCSwitch, приёмник подключается только к выводу использующему внешнее прерывание. Но данные библиотеки не используют аппаратные таймеры, а значит не ограничивают Вас в использовании ШИМ.
• При использовании библиотеки , приёмник подключается к любому выводу . Но библиотека использует первый аппаратный таймер, что накладывает ограничение на использование как данного таймера, так и его выводов ШИМ.

Питание

• К выводам Vcc и GND передатчика, подаётся напряжение 2 ... 12 В постоянного тока.
• К выводам Vcc и GND приёмника, подаётся напряжение 5 В постоянного тока.

Подробнее о модулях

• Передатчик использует цифровой вход для передачи сигнала с использованием амплитудной манипуляции ASK (Amplitude Shift Keying). Амплитудная манипуляция (ASK) отличается от амплитудной модуляции (AM - amplitude modulation) тем, что модулировать можно любой сигнал (как цифровой, так и аналоговый), а манипулировать только цифровым.
• Данные передаются по радиоканалу на расстоянии до 100 м в пределах прямой видимости (указано производителем)
• Расстояние уверенного приёма можно увеличить, если подключить антенны к передатчику и приёмнику.
• Приёмник имеет два, электрически соединённых, цифровых выхода (можно использовать любой). На выходе устанавливается уровень логической «1» при наличии несущей частоты в радиоканале и уровень логического «0» при её отсутствии.
• В приёмнике реализован блок автоматической регулировки усиления (AGC - Automatic Gain Control) благодаря которому увеличивается дальность приёма, но при отсутствии сигнала от передатчика, на выходе приёмника наблюдаются хаотичные чередования логических уровней.
• Приемник критичен даже к незначительным пульсациям на шине питания. Если таковые имеются, то приемник принимает их за информационный сигнал, усиливает и выводит на выход в виде логических уровней. Пульсации на шине питания могут вызывать такие устройства как: сервоприводы, LED индикаторы, устройства с собственными генераторами или использующие ШИМ и т.д.
• Влияние пульсаций на приёмник можно снизить несколькими способами, вот некоторые из них:
  • Использовать, для питания Arduino, внешний источник, а не шину USB. Так как напряжение на выходе многих внешних источников питания контролируется или сглаживается. В отличии от шины USB, где напряжение может существенно «проседать».
  • Установить на шине питания приёмника сглаживающий конденсатор.
  • Использовать отдельное стабилизированное питание для приёмника.
  • Использовать отдельное питание для устройств вносящих пульсации в шину питания.

Антенны

Первый усилитель любого приёмника и последний усилитель любого передатчика, это антенна. Самая простая антенна - штыревая (отрезок провода определённой длины). Длина антенны (как приёмника, так и передатчика), должна быть кратна четверти длины волны несущей частоты. То есть, штыревые антенны, бывают четвертьволновые (L/4), полуволновые (L/2) и равные длине волны (1L).

Новый приемопередатчик 433/868 МГц S2-LP производства STMicroelectronics – преемник известного SPIRIT1. Высокая чувствительность позволила увеличить дальность передачи, а повышенная избирательность, ультранизкое энергопотребление и гибкость настроек при сохранении цены и малых габаритах делают новую микросхему прекрасным бюджетным решением для медицины, сельского хозяйства, охраны природы и интеллектуальных городских систем .

Одним из наиболее динамично развивающихся сегментов современной электроники является Интернет вещей (IoT). Рынок IoT за 2016 год вырос на треть, а в 2017 году ожидается рост на 40%. Отраслевые эксперты предсказывают, что к 2020 году в мире будет насчитываться 20…50 млрд. устройств, подключенных к Интернету. Расширяется и сфера применения IoT: энергетика, промышленность, жилищно-коммунальное, сельское хозяйство, транспорт, медицина – вот лишь некоторые сегменты экономики, в которых активно развивается концепция Интернета вещей. В странах Евросоюза, Китае, Южной Корее и Индии уже известны примеры внедрения IoT на уровне целых городов, благодаря чему удается повысить эффективность управления транспортными потоками и расходом энергии.

Приемопередатчик S2-LP (S2-LP)

Концепция Интернета вещей во многих случаях подразумевает использование радио в качестве канала передачи информации. С увеличением количества передающих устройств растет и уровень электромагнитных помех, что в свою очередь приводит к ужесточению требований к параметрам избирательности радиочастотных приемопередатчиков (трансиверов) и малого уровня энергопотребления. В начале 2017 года компания STMicroelectronics выпустила новый приемопередатчик , обеспечивающий работу в субгигагерцевом диапазоне. Использование радиоканала с частотами до 1 ГГц позволяет добиться максимальной дальности передачи сигнала. Новая микросхема разработана для таких применений как автоматизация зданий, медицина, системы мониторинга для сельского хозяйства, автоматические парковки и интеллектуальные системы ЖКХ по сбору данных со счетчиков ресурсов. Данный приемопередатчик может работать в частотных диапазонах 430…470 МГц и 860…940 МГц. Помимо уже привычных типов модуляции 2-GFSK, OOK и ASK он также поддерживает модуляцию 4-GFSK/D-BPSK, а скорость передачи данных настраивается в диапазоне 0,3…500 кбит/с. S2-LP может работать в сетях LPWAN компании SigFox , а также имеет встроенный обработчик пакетов 802.15.4g. При своих миниатюрных габаритах (4×4 мм, корпус QFN24) данная микросхема обладает превосходными характеристиками: чувствительность до -130 дБм при скорости передачи данных 300 бит/с, выходная мощность на антенном разъеме – до 16 дБм. Кроме того, стоит отметить и отличные параметры энергопотребления: ток потребления 10 мА при выходной мощности 10 дБм в режиме низкого энергопотребления; 8 мА на приеме в режиме высокой производительности; 350 нА – в режиме ожидания.

По сравнению со своим предшественником, приемопередатчиком , у S2-LP повышена чувствительность, благодаря чему увеличивается дальность передачи сигнала. Высокая избирательность S2-LP позволяет создавать на его основе устройства, которые будут соответствовать требованиям стандартов EN300-220 и EN303-131 к устройствам категории 1. Впервые примененный усилитель класса E позволил достигнуть лучшего в отрасли энергопотребления в режиме передачи. Приемопередатчик S2-LP является одним из лучших по параметрам радио (в частности, чувствительности и избирательности приемного тракта, а также диапазону выходных частот и улучшенной фильтрации). Также он имеет ультрамалое потребление, что делает его оптимальным выбором для самых требовательных приложений.

Технические параметры S2-LP

Рассмотрим отдельные технические параметры S2-LP и сравним их с соответствующими параметрами SPIRIT1. У приемопередатчика S2-LP повышена чувствительность за счет уменьшения наведенных помех. Это стало возможным вследствие разнесения SMPS-блока и ВЧ-тракта на печатной плате (рисунок 1) и увеличению расстояния между выводами SMPS и ВЧ-частью микросхемы (рисунок 2). Также была изменена схема внутреннего питания для организации лучшей развязки отдельных напряжений.

Рис. 1. Взаимное расположение SMPS-блока и ВЧ -тракта на печатной плате у приемопередатчиков SPIRIT1 и S2-LP (SPIRIT2)

Сравнение чувствительности приемопередатчиков SPIRIT1 и S2-LP при модуляции 2-FSK приведено на рисунке 3. На нем мы видим, что среднее значение практического улучшения чувствительности приемопередатчика S2-LP по сравнению с таковой у микросхемы SPIRIT1 составляет 3 дБ в диапазоне скорости передачи данных 1,2…250 кбит/с. Микросхема S2-LP соответствует требованиям для работы в сети SigFox, где необходимо иметь чувствительность приемопередатчика не ниже -126 дБм при скорости передачи данных 600 бит/с.

В таблице 1 приведены ориентировочные значения дальности передачи сигнала приемопередатчиками SPIRIT1 и S2-LP при выходной мощности 10 дБм, скорости передачи данных 1,2 кбит/с и коэффициенте усиления антенны 0 дБи.

Таблица 1. Дальности связи SPIRIT1 и S2-LP

В современном мире параметр избирательности, то есть способности декодирования принимаемого сигнала в присутствии значительных помех на соседних частотах, играет важную роль, так как появляется все больше и больше устройств, работающих в диапазонах ISM, а также LTE-оборудование на смежных частотах. Различные стандарты разделяют устройства на категории по избирательности, а стандарты EN300-220 и EN303-131 предъявляют к устройствам категории 1 требование избирательности по соседнему каналу не менее 60 дБ при отстройке 2 МГц/10 МГц не менее 84 дБ. На сегодняшний день на рынке отсутствуют радиочастотные приемопередатчики, полностью соответствующие критериям категории 1 на частотах 433 и 868 МГц. Для устранения этого несоответствия приходится применять узкополосные ПАВ-фильтры, что негативно сказывается на стоимости изделия и его чувствительности (вносимые фильтром потери составляют ориентировочно 3 дБ). На малых скоростях передачи данных S2-LP соответствует требованиям категории 1, что позволяет избавиться от необходимости использования ПАВ-фильтра. По сравнению с микросхемой SPIRIT1 у приемопередатчика S2-LP улучшена фильтрация при отстройке 2 МГц (рисунок 4), а его канальный фильтр программируется вплоть до значения 6,25 кГц (у SPIRIT1 – до 12,5 кГц).

У приемопередатчика S2-LP предусмотрено несколько LDO для организации питания различных блоков. Гибкая система питания включает несколько режимов:

• BM (Boost Mode) – режим повышенной мощности, в котором на антенном разъеме возможно получить мощность +16 дБм;
• HPM (High Performance Mode) – режим высокой производительности, в котором задействуются внутренние LDO и достигается наилучшая изоляция вкупе с минимальными шумами и пульсацией SMPS;
• LPM (Low Power Mode) – режим малого энергопотребления, в котором все узлы питаются напрямую от SMPS в обход внутренних LDO, а также повышается КПД.

Все перечисленные режимы питания доступны на одной печатной плате с одним перечнем элементов. Выходное напряжение SMPS программируется с шагом 0,1 В в диапазоне 1,1…1,8 В.

В таблицах 2, 3 и 4 приведены типовые значения параметров микросхемы S2-LP в зависимости от выбранного режима питания.

Таблица 2. Типовые значения тока потребления приемопередатчиков SPIRIT1 и S2-LP в зависимости от режима питания при напряжении питания 3 В

Таблица 3. Типовые значения чувствительности приемопередатчика S2-LP для частот 433 МГц
и 868 МГц в зависимости от режима питания при скорости передачи данных 300 бит/с

Таблица 4. Типовые значения избирательности приемопередатчика S2-LP для различных отстроек
в зависимости от режима питания при скорости передачи данных 1200 бит/с

Как и у микросхемы SPIRIT1, у S2-LP есть режимы ожидания (Stand-by) и сна (Sleep A), однако у S2-LP есть и второй режим сна – Sleep B, в котором стало возможным сохранение данных в FIFO. В режимах же Stand-by и Sleep A ток потребления S2-LP значительно снижен по сравнению с его величиной у SPIRIT1, в чем можно убедиться, ознакомившись с данными таблицы 5.

Таблица 5. Типовые значения тока потребления SPIRIT1 и S2-LP

В приемопередатчике SPIRIT1 усилитель работал в классах AB и E, что являлось компромиссом между производительностью и энергопотреблением. В микросхеме S2-LP использован усилитель класса E, что позволяет максимизировать КПД и получить технически более совершенное решение. S2-LP является лучшим в своем классе трансивером по току потребления в режиме передачи (10 мА при 10 мВт).

Кроме того, S2-LP можно использовать с внешним интегральным балуном, который будет доступен в двух версиях: для диапазонов 433 МГц и 868 МГц.

При работе над программным обеспечением S2-LP были учтены замечания разработчиков к SPIRIT1. В частности, у S2-LP появился гибкий обработчик пакетов, благодаря чему поддерживаются преамбула большой длительности, синхрослово длиной до 64 бит (с точностью до бита), а также код Манчестера. Все это избавляет микроконтроллер от лишней обработки данных, что приводит к оптимизации энергопотребления на системном уровне.

S2-LP имеет встроенный обработчик пакетов стандарта 802.15.4g: декодирование физического уровня 802.15.4g, обработку полезной нагрузки 802.15.4g со 128-битным FIFO, возможность работы с двумя синхрословами, а также совместимый с 802.15.4g CRC. Все это упрощает реализацию стека 6LoWPAN.

Как уже упоминалось ранее, S2-LP поддерживает DUAL SYNC (то есть работу с двумя синхрословами). Вкратце работу в этом режиме можно описать следующим образом: микроконтроллер, управляющий S2-LP, попеременно задействует частоты 433 и 868 МГц до тех пор, пока не будет получен пакет с одним из синхрослов; при детектировании синхрослова происходит прием сигнала на частоте, соответствующей данному синхрослову. Благодаря быстрому обнаружению синхрослова снижаются ограничения на тайминги, что положительно влияет на быстродействие системы.

Как и у приемопередатчика SPIRIT1, у микросхемы S2-LP есть режим быстрого прекращения приема (Sniff Mode), однако в алгоритмах их работы есть различие. Вкратце логику работы этого режима у приемопередатчика SPIRIT1 можно описать следующим образом: находясь в режиме сна, приемопередатчик периодически пробуждается на короткое время для измерения уровня принимаемого сигнала (RSSI); если RSSI ниже порогового уровня, то приемопередатчик возвращается в режим сна; в противном случае приемопередатчик остается в режиме приема вплоть до конца пакета, после чего принимается решение о валидности принятых данных. Схематичная временная диаграмма работы SPIRIT1 в режиме Sniff Mode приведена на рисунке 5.

Приемопередатчик S2-LP дополнительно обрабатывает ложное обнаружение данных. Работает это следующим образом: как и в случае со SPIRIT1, S2-LP находится в режиме сна до тех пор, пока RSSI не превысит пороговое значение, после чего запускается новый таймер, в окне которого можно задействовать оценку качества сигнала; если один из индикаторов качества не соответствует ожиданиям, то прием сигнала мгновенно прекращается, а приемопередатчик снова переходит в режим сна. Таким образом, при ложном захвате нет необходимости ждать окончания пакета, что помогает добиться снижения тока потребления. Схематичная временная диаграмма работы S2-LP в режиме Sniff Mode приведена на рисунке 6.

Средства разработки

Для того чтобы разработчики смогли на практике оценить возможности приемопередатчика S2-LP, компания ST предлагает наборы для разработки на базе S2-LP – (для частот 868/915 МГц) и Steval-FKI433 (для частоты 433 МГц). Внешний вид набора Steval-FKI868 представлен на рисунке 7.

В обоих случаях элементы обвязки четко разделены по функциональным блокам, что является отличным примером расстановки элементов с участием S2-LP и позволяет разработчикам быстрее освоиться с логикой работы платы, а также – в будущем – легко перенести подобное расположение элементов на свою печатную плату. На рисунке 8 представлено увеличение области с элементами обвязки на плате Steval-FKI868, а на рисунке 9 – соответствующая трассировка печатной платы.

Как в Steval-FKI868, так и в Steval-FKI433 материнской платой является , содержащая на борту микроконтроллер , дебаггер-программатор ST-LINK/V2-1 с разъемом SWD, несколько вариантов питания, три светодиода, две кнопки и USB-порт. Осуществляется поддержка нескольких интегрированных сред разработки, таких как IAR™, ARM® Keil® и других.

В комплект поставки обоих наборов входит подробная документация, а также набор программного обеспечения STSW-S2LP-DK, в который входят:

• графическая оболочка S2-LP DK GUI для Windows, представляющая собой интерактивный интерфейс регистров S2-LP и предназначенная для удобного конфигурирования параметров РЧ и обработчика пакетов;
• библиотеки S2-LP и примеры кода;
• низкоуровневый API для сопряжения материнской платы с дочерней платой;
• драйвер HAL для ;
• драйверы для ПК (виртуальный USB + устройство хранения данных).

Заключение

Новый приемопередатчик S2-LP имеет ряд преимуществ, благодаря которым он может с успехом применяться в системах с повышенными требованиями к времени жизни батареи и дальности связи. Малый уровень энергопотребления позволяет приемопередатчику работать более 10 лет от дискового элемента . Высокая выходная мощность 16 дБм и чувствительность -130 дБм позволяют передавать данные на расстояние более 10 км. Разумеется, всегда существует компромисс между выходной мощностью и потреблением, между чувствительностью и скоростью передачи данных. Благодаря чрезвычайной гибкости настроек радио, разработчик с помощью S2-LP сможет создать радиолинк, максимально оптимизированный под конкретные задачи. Высокие радиочастотные характеристики нового трансивера не привели к повышению цены микросхемы, что позволяет использовать S2-LP даже в бюджетных приложениях.

Ремонт РЭА

Что такое электронный кошелек и как его создать

Новости

Наглядно-информационные формы взаимодействия с родителями в доу учебно-методический материал на тему

Тесты и обзоры

Черная пятница айтишника, или сказ о потере данных