S2-LP - efektywna komunikacja bezprzewodowa dla IoT

Rys. 1. Uproszczony schemat blokowy układu S2-LP

Proponowany układ kierowany jest do aplikacji automatyki budynkowej i domowej, sieci sensorów przemysłowych, bezprzewodowych systemów alarmowych, nowoczesnej infrastruktury miejskiej (synchronizacja świateł, systemy informacji parkingowej, kontrola natężenia ruchu pojazdów).

S2-LP pracuje w zakresie częstotliwości leżących poniżej 1 GHz i wykorzystuje wąskie pasmo, co zapewnia efektywną gospodarkę widmem.

Domyślnie układ pracuje na jednej z częstotliwości dostępnych w pasmach ISM: 433, 868 i 920 MHz, ale może zostać zaprogramowany na inne wartości mieszczące się w paśmie 430-470 MHz oraz 860-920 MHz, przy odstępie międzykanałowym 12,5/25 kHz.

Elastyczność działania dotyczy też modulacji - w zależności od wymaganej przepustowości można korzystać z 2(G) FSK, 4(G)FSK, a także modulacji amplitudy OOK oraz ASK, co zapewnia transfery od 0,3 do nawet 500 kbps. Można też ustawić pracę CW. S2-LP może pracować w topologii punkt-punkt, gwiazdy oraz sieci typu mesh, co zapewnia dużą uniwersalność.

Pobór prądu wynosi jedynie 7 mA w trybie odbioru i 10 mA przy nadawaniu z mocą 10 dBm (10 mW). W trybie standy pobór prądu spada do 350 nA, dzięki czemu bateria zasilająca jest w stanie zapewnić zasilanie nawet przez 10 lat. Maksymalna moc nadajnika wynosi +16 dBm (40 mW).

Czułość odbiornika jest bardzo wysoka, co pozwala osiągnąć duży zasięg przy małej mocy nadajnika, a także daje szansę na miniaturyzację aplikacji, co zwykle wymaga użycia anten chipowych o małym zysku energetycznym. Jak podaje producent, jest to -130 dBm, czyli 0,07 μV. Innymi słowy, budżet energetyczny łącza dla omawianego transceivera wynosi aż 140 dBm.

S2-LP to rozwiązanie elastyczne, które może zostać zaprogramowane do pracy z jednym z kilku popularnych standardów przemysłowych komunikacji bezprzewodowej w paśmie poniżej 1 GHz: Sigfox, Wireless M-Bus i 6LowPAN, a także IEEE 802.15.4g, który jest kierowany w stronę urządzeń inteligentnego domu.

Rozwiązanie to ma status Sigfoxready, co oznacza, że producent oferuje do niego precertyfikowany zestaw projektowy pozwalający na prototypowanie bez dodatkowego nakładu pracy. Dostępny jest także Soft ware Development Kit (SDK) kompatybilny z mikrokontrolerami STM32 i zestawami projektowymi zawierającymi te układy.

Duża funkcjonalność

Układ transceivera charakteryzuje się dużą funkcjonalnością. Jest RSSI oraz wbudowany detektor rozładowanej baterii, bufory danych dla nadajnika i odbiornika FIFO o wielkości 128 bajtów, zapewniające łatwą obsługę przez mikrokontroler. S2-LP automatycznie obsługuje powtarzanie pakietów z błędami i potwierdza prawidłowe dane. Warto dodać, że długość pakietów transmitowanych danych może być zaprogramowana oraz że możliwa jest praca ze zmienną wielkością ramki, w zależności od obciążenia transmisji.

Wybudzanie układu ze stanu uśpienia odbywa się za pomocą zdarzeń zewnętrznych lub okresowo za pomocą wewnętrznego timera. Syntezer częstotliwości charakteryzuje się krótkim czasem startu i ustalenia stabilnej częstotliwości, co sprzyja oszczędzaniu energii. Obsługuje on dodatkowo funkcję zapewniającą kompensację różnic częstotliwości między nadajnikiem w jednym urządzeniu a odbiornikiem w drugim - AFC (Automatic Frequency Compensation).

Działa ona dla modulacji częstotliwości FSK i eliminuje składową stałą z sygnału zdemodulowanego. Nadajnik pozwala na pracę z częstotliwością nośną zmienianą skokowo (frequency hopping), co zapewnia większy zasięg i odporność komunikacji na zakłócenia.

Uniwersalność aplikacyjna

Rys. 2. Przykładowa aplikacja wskazuje na prostotę realizacji sprzętowej

Sercem S2-LP jest konfigurowalny programowo modem oraz procesor baseband pozwalający na programowanie parametrów pakietów danych. Jego działanie jest wspomagane przez sprzętowe bloki generowania sum kontrolnych CRC, korekcji błędów FEC i detektor SYNC. Dla uproszczenia konstrukcji oprogramowania zarządzającego transmisją, sprzętowo realizowane jest także potwierdzanie otrzymanych pakietów danych i automatyczna retransmisja pakietów z błędami.

Architektura odbiornika bazuje na superheterodynie pracującej z niską wartością częstotliwości pośredniej. Wejściowy sygnał jest wzmacniany w dwustopniowym wzmacniaczu niskoszumowym (LNA) o programowalnym wzmocnieniu, a dalej mnożony w mieszaczu kwadraturowym (I i Q) dla uzyskania częstotliwości pośredniej.

Razem bloki te tworzą tzw. front end odbiornika (RXFE). W dalszym kroku zdemodulowane sygnały I i Q są przetwarzanie przez przetwornik A/C na postać cyfrową i demodulowane za pomocą wewnętrznego mikrokontrolera, a na koniec zapisywane do bufora FIFO, skąd mogą być odczytywane za pomocą linii GPIO lub interfejsem SPI przez aplikację zewnętrzną.

Oba bloki korzystają z sygnałów generowanych przez syntezer DDS, który dostarcza częstotliwości nośnej dla nadajnika, sygnałów kwadraturowych dla mieszacza i taktujących dla bloków cyfrowych.

Front end jest objęty automatyczną regulacją wzmocnienia (AGC), która utrzymuje napięcie wejściowe przetwornika A/C w zadanym przedziale, zmieniając wzmocnienie części w.cz.

Wskaźnik RSSI dostarcza 1-bajtowej informacji na temat poziomu sygnału odbieranego. Zmiana o 1 odpowiada 1 dB różnicy, a 0 to -146 dBm. Pozwala to oceniać jakość łącza na danym odcinku i efektywnie zarządzać topologią sieci mesh. Kolejną użyteczną funkcjonalnością jest możliwość współpracy z kilkoma antenami.

Do układu można podłączyć dwie anteny poprzez zewnętrzny przełącznik elektroniczny. S2-LP może sterować przetłaczaniem anten na podstawie danych z RSSI odczytywanych w czasie transmisji preambuły pakietów i wybierać lepszy tor komunikacyjny. Taka opcja znacznie poprawia niezawodność działania toru transmisyjnego.

Dopasowanie do zasilania z baterii

Wewnętrzne obwody S2-LP są zasilane z wewnętrznego stabilizatora impulsowego (dla części cyfrowej) oraz liniowego typu LDO (dla obwodów analogowych) współpracującego na wejściu z baterią o napięciu 1,8-3,6 V. Sprawność konwersji wynosi 90%, a dodatkowo napięcie zasilające poszczególne obwody wewnętrzne nie jest zawsze takie samo. W zależności od realizowanej funkcji i żądanej wydajności może być zmieniane od 1,1 do 1,8 V.

S2-LP jest dostępny w obudowie QFN-24 o wymiarach 4×4 mm. Cena przy zamówieniach 1000 sztuk została ustalona na 1,15 dol. Zakres temperatur pracy od -40 do +85ºC pozwala na zastosowania przemysłowe. Komunikacja i programowanie działania jest realizowane za pomocą interfejsu 4-przewodowego SPI. Dostępne są też cztery linie GPIO o programowalnej funkcjonalności. Do pracy układ wymaga tylko kilkunastu elementów pasywnych stanowiących głównie układ dopasowania anteny.