Cree el prototipo de un nodo de detección inalámbrico y depúrelo rápidamente usando una sola plataforma

Desde la automatización de fábrica y HVAC hasta la electrónica automotriz, médica y de consumo, los desarrolladores de dispositivos de detección conectados inalámbricamente enfrentan desafíos de iteración rápida y rentable constantes y de regulación, interoperabilidad y rendimiento cada vez más grandes. Si bien a menudo es tentador diseñar un producto de detección inalámbrico desde cero para diferenciarlo con respecto al rendimiento y al tamaño, es más rápido y rentable usar kits disponibles para la venta que se diseñaron a fin de crear prototipos de aplicaciones y desarrollarlas rápidamente y que establecieron ecosistemas para el soporte y la escalabilidad.

Texas Instruments ofrece una de estas plataformas: el kit de SensorTag LaunchPad LPSTK-CC1352R. El kit combina un microcontrolador inalámbrico (CC1352R), sensores, múltiples interfaces inalámbricas, rendimiento relativamente alto y bajo consumo de energía, todo en un factor de forma pequeño y compacto con un vasto y bien probado ecosistema de soporte de herramientas y software.

Este artículo describe la naturaleza evolutiva del diseño y la creación de prototipos de productos de detección inalámbricos y presenta el kit de SensorTag CC1352R y cómo comenzar a usarlo.

¿Por qué usar un kit de creación de prototipos de sensores inalámbricos?

Los dispositivos de detección inalámbricos presentan un problema complicado para los diseñadores. Mínimamente tienen que tener una duración razonable de uno a diez años en el campo antes de que las baterías deban reemplazarse para minimizar el mantenimiento. También deben contar con cierto nivel de análisis y procesamiento a bordo, ya que la realización de estas tareas lo más cerca posible del borde de la red del IoT (Internet de las cosas) reduce la cantidad de datos que deben intercambiarse, lo que a su vez reduce el consumo de energía y hace un mejor uso del ancho de banda inalámbrico disponible.

El ancho de banda inalámbrico presenta sus propios problemas, ya que los diseñadores tienen que elegir alguna de las múltiples pilas inalámbricas disponibles; como Bluetooth, Thread y Zigbee, que operan a frecuencias de subgigahercios (GHz) o 2.45 GHz. Cada una tiene sus propias ventajas y desventajas con respecto a cómo usan el ancho de banda, la potencia y los recursos de procesamiento disponibles. Elegir alguna de ellas requiere un análisis cuidadoso de los requisitos de la aplicación con respecto a las velocidades de datos, al rango, al número de nodos previstos, a la topología de la red, a los requisitos de latencia, al ciclo de trabajo, al consumo de energía, a la sobrecarga del protocolo de red, a la interoperabilidad y a los requisitos reglamentarios.

Es relativamente fácil elegir la interfaz correcta para una nueva implementación "pura"; sin embargo, en las aplicaciones del IIoT (Internet de las cosas industrial), a menudo se implementan varias redes inalámbricas, por lo que el diseñador debe decidir si se conecta directamente a otros nodos usando la misma interfaz o si usa otra que pueda ser mejor para la aplicación y luego conecta la vieja a la nueva a través de una puerta de enlace.

Estos son todos los árboles de decisiones relacionados con la aplicación de los que los diseñadores se tienen que ocupar, pero cuando se trata de crear prototipos y desarrollar una idea, rara vez vale la pena diseñar una interfaz desde cero y luego elegir sensores y un procesador asociado, sin mencionar la inversión de tiempo y recursos para el desarrollo y la integración de software. Es cierto que los diseños "personalizados" pueden ofrecer beneficios para volúmenes de producción ultra altos para diseños de mercado masivo. Sin embargo, en muchos casos, los ingenieros que diseñan un nodo para la línea de producción de su propia fábrica solo necesitan unos pocos nodos a fin de obtener datos de algunos motores, un cierto punto en la línea de producción o un termómetro, por lo que los volúmenes altos no son un requisito de diseño. En tales casos, un kit prefabricado es perfecto.

Si se requieren volúmenes más altos, los ingenieros disponen de módulos de RF disponibles para la venta precertificados que cumplen con las normativas. Estos pueden acelerar la creación de prototipos y mantener bajos los costos de desarrollo e implementación, ya que están disponibles con un rico soporte de firmware y software. En estos casos, los diseñadores aún tienen que juntar el procesador de plataforma requerido, los sensores y los elementos de software asociados para cada sensor y bloque adicional.

Esto está bien cuando el diseñador ya sabe qué interfaz inalámbrica debe usar. Sin embargo, cuando todavía se encuentra en la etapa de consideración para múltiples diseños en múltiples aplicaciones, con interfaces inalámbricas heredadas y a menudo no interoperables, se requiere un enfoque más integrado y flexible para la creación de prototipos de sensores inalámbricos y su desarrollo.

SensorTag: una plataforma integral de creación de prototipos de sensores inalámbricos

Un mejor enfoque es encontrar una plataforma disponible para la venta que integre los elementos centrales de un nodo de detección y procesamiento habilitado inalámbricamente, con los sensores, el software y el ecosistema para apoyar a un diseñador, y a la vez permita la exploración y la diferenciación en capas superiores de la pila de desarrollo de software. Esto es lo que ofrece TI (Texas Instruments) con su kit de SensorTag LaunchPad LPSTK-CC1352R (Figura 1).

Figura 1: el kit de SensorTag LaunchPad LPSTK-CC1352R cuenta con todo lo que un diseñador necesita para crear prototipos una aplicación de detección inalámbrica y desarrollarla. (Fuente de la imagen: DigiKey, según material de Texas Instruments)

El kit se basa en el MCU (microcontrolador) inalámbrico multibanda CC1352R de TI, que dio lugar a la incorporación de software y sensores ambientales y de movimiento, todo en un gabinete extraíble con una antena giratoria externa de 1 subgigahercio, un cable hembra a hembra de dos alambres, un cable cinta plano de 10 clavijas para una conexión JTAG y una guía de inicio rápido. Si bien no están incluidos, se recomiendan para trabajar con el kit de TI de desarrollo LaunchPad de MCU inalámbrico multibanda CC1352R SimpleLink LAUNCHXL-CC1352R1 y dos baterías AAA, aunque el SensorTag también puede funcionar con una batería tipo botón CR2032 usando un soporte de batería especial que se puede conectar a la parte posterior de la placa.

El corazón del kit de SensorTag es el MCU inalámbrico multibanda CC1352R (Figura 2). Forma parte de la plataforma de MCU SimpleLink de TI, que se diseñó para proporcionar todos los componentes básicos para una topología conectada segura y de baja energía.

Figura 2: el microcontrolador inalámbrico multibanda CC1352R de TI cumple con las certificaciones FCC, CE e IC para operación de doble banda a 2.4 GHz y 1 subgigahercio y es el corazón del kit de SensorTag LaunchPad LPSTK-CC1352R. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El microcontrolador CC1352R cumple con las certificaciones FCC, CE e IC (Industry Canada) para la operación de doble banda a 2.4 GHz y 1 subgigahercio, que incluye BLE (Bluetooth de bajo consumo), Thread, Zigbee, redes de áreas personales inalámbricas de baja energía habilitadas para IPv6 de objetos inteligentes (6LoWPAN) y otros protocolos patentados basados en la capa física (PHY) IEEE 802.15.4g, como SimpleLink TI 15.4-Stack de TI (1 subgigahercio y 2.4 GHz). Se pueden ejecutar múltiples protocolos al mismo tiempo usando un DMM (administrador de multiprotocolo dinámico).

El receptor de la radio tiene una sensibilidad de -121 dBm (decibelios referenciados a 1 milivatio [mW]) en el modo de largo alcance de SimpleLink; -110 dBm a 50 kilobits/s (kbps); y -105 dBm para Bluetooth a 125 kbps (con una PHY con código LE). La potencia de transmisión máxima es de +14 dBm en las bandas de subgigahercio, donde consume 24.9 miliamperios (mA) y +5 dBm a 2.4 GHz, donde consume 9.6 mA. La corriente en reposo del dispositivo se nota a 0.85 microamperios (µA), con retención total de RAM. También está preparado para el IIoT con una corriente en reposo de 11 µA a 105 °C. Un diseñador puede jugar con varios modos de reposo y frecuencias de muestreo de ADC (convertidor analógico a digital) para optimizar la baja energía. El ADC puede, por ejemplo, configurarse para tomar muestras a 1 hertz (Hz), momento en el cual el sistema extrae 1 µA.

El procesador en el corazón del CC1352R se basa en un núcleo Cortex®-M4F de 48 megahercios (MHz) de Arm® compatible con 352 Kbytes de flash programable en el sistema, 256 Kbytes de ROM para protocolos y funciones de biblioteca y 8 Kbytes de caché SRAM. Admite actualizaciones OTA (por aire) y tiene un acelerador AES 128 y AES 256.

Optimizado para una BOM baja

Uno de los problemas que enfrentan los diseñadores de Front End de RF es la cantidad de componentes pasivos discretos adicionales que se requieren para el filtrado, la coincidencia de impedancia y otras funciones. Estos aumentan la BOM y complican el diseño. Para simplificar la implementación del CC1352R, TI trabajó con Johanson Technology para desarrollar un IPC (paquete de componentes pasivos integrados) personalizado con una medida de 1 x 1.25 x 2 milímetros (mm) que redujo el conteo de componentes de 23 a 3 (Figura 3).

Figura 3: junto con Johanson Technology, TI desarrolló un IPC para simplificar la implementación del CC1352R de TI que redujo el requisito de componentes pasivos de 23 a 3. (Fuente de la imagen: DigiKey, del material de Johanson Technology)

Si bien el kit de SensorTag está disponible con cuatro sensores, si se requieren sensores adicionales o diferentes, se pueden elegir y agregar rápidamente usando los módulos enchufables BoosterPack LaunchPad de TI. Los cuatro sensores que se incluyen con el kit de SensorTag son los siguientes:

• El sensor de humedad y temperatura HDC2080 de TI
• El sensor de luz ambiental OPT3001 de TI
• El interruptor de efecto Hall DRV5032 de TI
• El acelerómetro ADXL362 de TI

Se muestran el diseño y las conexiones a los sensores (Figura 4).

Figura 4: el kit de SensorTag viene con sensores de humedad y temperatura, luz ambiental, aceleración y efecto Hall. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Los conectores son compatibles con LaunchPad para que, junto con sensores, periféricos BoosterPack (como pantallas LCD) o incluso circuitos personalizados, se puedan conectar fácilmente.

Introducción al kit de SensorTag LaunchPad LPSTK-CC1352R

Para comenzar a usar el kit de SensorTag LaunchPad LPSTK-CC1352R, descargue el SDK (kit de desarrollo de software) SimpleLink CC13x2 y CC26x2. Esta versión está validada solo para dispositivos Rev. E, por lo que para dispositivos Rev. C o anteriores, use v2.30.00.xx. Una vez descargado, vaya a la SimpleLink Academy donde hay instrucciones paso a paso y ejemplos.

Para obtener datos de muestra rápidamente, el kit está preprogramado con un proyecto BLE5 (Bluetooth 5) llamado Multi-Sensor que se conecta a través de una conexión BLE a teléfonos inteligentes y tabletas que tienen la aplicación SimpleLink Starter para iOS y Android. Al usar esta conexión inicial, los diseñadores pueden comenzar a mirar los datos del sensor, alternar los LED, leer el estado del botón y actualizar el firmware usando las capacidades de OAD (Descarga OTA) (Figura 5). En este punto, los diseñadores también pueden enviar datos a la nube desde el dispositivo móvil.

Figura 5: los diseñadores pueden comenzar a experimentar con el kit LaunchPad SensorTag a través de una conexión BLE a un teléfono inteligente o tableta cargados con la aplicación SimpleLink Starter para plataformas iOS y Android. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Junto con BLE, el LPSTK tiene dos ejemplos más: uno usa el LPSTK como un interruptor de luz Zigbee, el otro lo usa como un nodo de sensor en una red 802.15.4. Los tres proyectos de ejemplo están disponibles en el SDK de la siguiente manera:

• Multisensor:
  • <simplelink_cc13x2_26x2_sdk install location>\examples\rtos\CC1352R1_LAUNCHXL\ble5stack\multi_sensor
• Nodo de sensor DMM de TI:
  • \CC1352R1_LAUNCHXL\dmm\dmm_154sensor_remote_display_oad_lpstk_app
• Interruptor Zigbee:
  • \CC1352R1_LAUNCHXL\dmm\dmm_zed_switch_remote_display_oad_app

Para complementar al SimpleLink y la aplicación Starter, TI proporciona la SysConfig, una herramienta de GUI (interfaz gráfica de usuario) unificada para habilitar, configurar y generar un código de inicialización para los diversos componentes de SimpleLink SDK, incluidos los controladores de TI y la configuración de pila para BLE, Zigbee, Thread y TI-15.4 (Figura 6).

Figura 6: como complemento de SimpleLink, SysConfig de TI es una colección fácil de usar de utilidades gráficas para configurar pines, periféricos, radios, subsistemas y otros componentes. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Al igual que con cualquier diseño de sistema, es raro que no se requiera algún grado de depuración. Para esta etapa, el SensorTag está diseñado para usarse con el depurador XDS110 incorporado en un kit de desarrollo LaunchPad (en este caso, el LAUNCHXL-CC1352R mencionado anteriormente), de ahí la inclusión de un cable JTAG de 10 pines Arm y un cable de dos hilos UART. Una vez conectados, estos permiten la depuración completa, la programación y la comunicación UART. Para conectar los cables, siga los siguientes pasos:

• Desconecte los puentes de aislamiento en el LaunchPad
• Conecte el cable JTAG de 10 pines Arm a la cabecera XDS110 OUT en el LaunchPad SensorTag
• Conecte el otro extremo del cable de 10 pines Arm a la cabecera JTAG en el LaunchPad SensorTag
• Conecte el cable del puente de dos pines a los pines superiores de RXD y TXD (cable gris a RXD, cable blanco a TXD)
• Conecte el otro extremo del puente de dos pines a los pines 12/RX y 13/TX en el LaunchPad SensorTag (gris a 12/RX, blanco a 13/TX)
• Conecte el LaunchPad a una computadora de escritorio o portátil

La configuración completa debería parecerse a lo que se muestra en la Figura 7.

Figura 7: Para la depuración, el SensorTag debe conectarse al kit de desarrollo LAUNCHXL-CC1352R LaunchPad usando el cable JTAG de 10 pines Arm y el cable UART de dos pines, ambos suministrados en el kit SensorTag. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Vale la pena señalar que debido a que una imagen en ejecución no puede actualizarse, se debe almacenar una imagen OAD entrante en una ubicación temporal mientras se recibe. Esta ubicación temporal se puede reservar en flash interno o fuera del chip. En cualquier caso, una vez que se completa la descarga de la imagen, se utiliza un BIM (administrador de imágenes de arranque), que reside permanentemente en el dispositivo SensorTag, para determinar si una nueva imagen es válida y si debe cargarse y ejecutarse (en función de una cabecera de imagen).

El BIM es particularmente útil ya que le permite al diseñador volver a la imagen original después de un OAD. Para hacer esto, mantenga presionado BTN-1 (botón izquierdo) en el encendido o durante un reinicio y el BIM volverá a la imagen original (es decir, multisensor).

Conclusión

Si bien hay muchas interfaces inalámbricas para elegir al implementar un nodo de sensor inalámbrico, los desarrolladores no tienen que gastar tiempo y recursos en la creación de prototipos para cada interfaz para ver cuál funciona mejor para una aplicación determinada. En cambio, al usar el kit LPSTK-CC1352R SensorTag y el hardware, software y ecosistema LaunchPad asociados, los diseñadores pueden mezclar y combinar interfaces de manera rápida y fácil, usar una o más simultáneamente y agregar e intercambiar sensores BoosterPack según sea necesario.