AMBER PI

Stromsparende Funkanwendung auf 868 MHz für Raspberry Pi

| Autor/ Redakteur: Selina Schuler * / Hendrik Härter

Für die drahtlose Funkkommunikation auf 868 MHz bietet sich das AMBER PI zusammen mit einem Raspberry PI 3B an. Erste Gehversuche und Anwendungen sind mit den Sensoren für Temperatur, Luftdruck, relative Feuchte und Bewegung möglich.

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Das PROTO SPI ist eine Platine, die alle vier SPI-Leitungen, sowie VCC und GND in einem Via-Raster mit 2,54 mm enthält. Weitere Sensoren sind der LIS2DW12 als ein 3-Achsen-Beschleunigungssensor, der piezoresistive Drucksensor LPS22HB sowie der I²C-HTS221TR zum Messen von relativer Luftfeuchte und Temperatur.
Das PROTO SPI ist eine Platine, die alle vier SPI-Leitungen, sowie VCC und GND in einem Via-Raster mit 2,54 mm enthält. Weitere Sensoren sind der LIS2DW12 als ein 3-Achsen-Beschleunigungssensor, der piezoresistive Drucksensor LPS22HB sowie der I²C-HTS221TR zum Messen von relativer Luftfeuchte und Temperatur.
( Bild: Würth Elektronik )

Dezentrale Intelligenz, Cyber Physical Systems, Smart Home und Smart Factory – diese Begriffe werden mit dem Internet of Things (IoT) verbunden und sind aktuell allgegenwärtig. IoT bedeutet dabei nicht unbedingt die Vernetzung von Geräten unter Nutzung des Internetprotokolls. Wo Kabel stören und WLAN nicht praktikabel ist, kommen andere Funkstandards zum Einsatz.

Für Entwickler bieten sich Design-Kits für Funkanwendungen an. Dabei spielt der Raspberry Pi eine zentrale Rolle. Ob als Evaluationsboard de luxe oder sogar direkt als Anwendung: Mit dem AMBER-PI-Kit und einem Raspberry Pi haben Entwickler die Möglichkeit, schnell eine stromsparende Funkanwendung für den Sub-GHz-Frequenzen zu erarbeiten und zu testen. Das Raspberry Pi verfügt bekanntlich bereits über die integrierten Funktechniken WLAN und Bluetooth, um Geräte und Anwendungen mit beschränkter Reichweite zu vernetzen.

Funkverbindung mit einer Reichweite von bis zu 10 km

Die Würth-Elektronik-eiSos-Gruppe bietet mit dem AMBER PI eine komfortable Möglichkeit, das Raspberry Pi mit weitreichender Funkkommunikation auszustatten. Das Design-Kit enthält neben der Hardware die notwendige Software, um das Raspberry PI zu erweitern. Das Aufsteckboard eignet sich für alle Raspberry-Pi-Modelle, die über ein 40-Pin-Layout verfügen. Auf dem AMBER PI ist das Tarvos-III-Funkmodul verbaut, das die Funkkommunikation im Frequenzband von 868 MHz ermöglicht. Zudem verfügt es über zwei SPI- und zwei I²C-Schnittstellen, um die mitgelieferten Sensoren oder andere elektronische Komponenten anzubinden.

Das Tarvos-III-Funkmodul stellt den Hauptbestandteil für die Funkkommunikation dar und wird über das UART-Interface des Raspberry Pi angesprochen. Mit einem Stromverbrauch von 26 mA bei einer Sendeleistung von 14 dBm und einer Stromaufnahme von lediglich 0,2 µA im Schlafzustand ist es gerade bei batteriebetriebenen Anwendungen interessant. Mit dem Tarvos-III lässt sich per Funk über eine Distanz von 2000 m senden.

Zudem verfügt es über einen sogenannten Long Range Mode, der eine Funkverbindung mit einer Reichweite von bis zu 10 km ermöglicht. Aber selbst bei Entfernungen, die man mit Wi-Fi oder Bluetooth überbrücken könnte, bietet das 868-MHz-Band seine Vorteile: Es kann mit Interferenzen besser umgehen, da es einerseits weniger Funkkommunikation in diesem Frequenzbereich gibt, und andererseits durch die niedrigere Frequenz Hindernisse weniger Einfluss auf die Funkqualität und Reichweite haben.

Aufsteckboards mit Sensoren

Damit das Raspberry Pis trotz des Aufsteckboards weiterhin variabel und jederzeit angepasst werden kann, sind seine Pins mit den Pins des Raspberry Pis durchverbunden. Somit lassen sich weitere Aufsteckboards an die Pins der I²C- und SPI-Schnittstellen anbringen. Hier werden zu dem Evaluationsboard drei Aufsteckboards mit Sensoren mitgeliefert. Mit den Sensoren lassen sich Parameter wie Temperatur, Luftdruck, relativer Feuchte und Bewegung messen. Neben den Sensoren ist auch eine Steckplatine für die SPI-Schnittstelle im Lieferumfang. Sie ermöglicht es, eigene Prototypen zu entwickeln, mit eigenen Schaltungen zu experimentieren oder weitere Sensoren anzuschließen.

Aus dem PC wird eine Funkgegenstelle

Das Aufsteckboard von Würth Elektronik eiSos eignet sich für alle Raspberry-Pi-Modelle, die über ein 40-Pin-Layout verfügen.
Das Aufsteckboard von Würth Elektronik eiSos eignet sich für alle Raspberry-Pi-Modelle, die über ein 40-Pin-Layout verfügen.
( Bild: Würth Elektronik )

Neben dem AMBER PI als Aufsteckboard für das Raspberry Pi ist der USB-Stick Tarvos-III-Plug als Gegenstelle Teil des Lieferumfangs. Dank des Sticks wird aus jedem beliebigen PC eine Funkgegenstelle. AMBER PI und Tarvos-III Plug sind direkt einsatzbereit und lassen sich sofort zur gemeinsamen Kommunikation nutzen. In die Firmware des Tarvos-III ist der AMBER-RF-Stack integriert. Der Stack erlaubt es, den Kommandomodus des Tarvos-III zu nutzen.

Über die UART-Schnittstelle kann der Host – in diesem Fall das Raspberry Pi – vordefinierte Kommandos an das Funkmodul senden, um es zu konfigurieren oder Funknachrichten zu senden.

Das Modul wiederum antwortet darauf mit einer Bestätigung um mitzuteilen, dass das Kommando umgesetzt wurde. Zusätzlich kann das Tarvos-III auch eigenständig senden, etwa wenn eine Funknachricht empfangen wurde.

Tabelle 1: Aufbau eines Prüfprotokolls.
Tabelle 1: Aufbau eines Prüfprotokolls.
( Bild: Würth )

Tabelle 2: Nachricht „Hallo“ per Funk übertragen.
Tabelle 2: Nachricht „Hallo“ per Funk übertragen.
( Bild: Würth )

Tabelle 3: Antwort-Frame mit dem Datum 0x00 für das erfolgreiche Ausführen des Requests.
Tabelle 3: Antwort-Frame mit dem Datum 0x00 für das erfolgreiche Ausführen des Requests.
( Bild: Würth )

Unabhängig von der Art des Kommandos, ist das Protokoll immer gleich aufgebaut (Tabelle 1). Das Kommando beginnt immer mit dem Startsignal, ein Byte mit dem Wert 0x02hex, um den Beginn einer Nachricht anzuzeigen. Daran schließt sich das Kommando-Byte an, das beschreibt, um welches Kommando es sich handelt. Anschließend folgt ein Längenbyte, das die Anzahl der nachfolgenden Datenbytes bestimmt. Abgeschlossen wird das Kommando mit einer Prüfsumme, um die korrekte Übertragung zwischen Host und Module zu überprüfen. Um beispielsweise eine Nachricht über Funk zu senden (Kommandobyte 0x00hex) mit dem Inhalt „Hello“ (0x48 0x65 0x6C 0x6C 0x6Fhex), wird das Kommando wie in Tabelle 2 beschrieben. Wurde die Nachricht erfolgreich gesendet, antwortet das Modul mit dem Kommandobyte 0x40hex. Eine Payload mit dem Byte 0x00hex steht für das erfolgreiche Ausführen des Request. Tritt ein Fehler bei der Funkübertragung des Telegramms auf, besteht die Payload aus dem Byte 0x01hex (Tabelle 3).

Treibercode und wie der AMBER Pi angesprochen wird

Das Software Development Kit (SDK) des AMBER PI wird als Quellcode in C bereitgestellt. Es enthält die Treiber für die gelieferte Hardware wie Tarvos-III, Tarvos-III-Plug und Sensoren und implementiert zudem das beschriebene Kommandointerface des AMBER-RF-Stacks. Dabei setzen einfache Funktionen ein Kommando zusammen, senden es über die UART-Schnittstelle an das Modul und interpretieren die Rückantwort.

Der Rückgabewert der Funktionen vom Typ boolean gibt an, ob das Kommando erfolgreich vom Modul ausgeführt wurde oder nicht. Zum Senden einer Nachricht kann die entsprechende Funktion mit den zu übertragenden Daten und der Länge dieser aufgerufen werden:

bool ret;
uint8_t daten[5] = {'H','e','l','l','o'};
uint16_t laenge = sizeof(daten);
ret = TarvosIII_Transmit(daten, laenge);

Neben der Kommunikation mit dem Tarvos-III enthält das SDK Treiber der mitgelieferten Sensoren, um diese anzusteuern. Als Einstiegspunkt für eigene Projekte enthält das SDK eine Beispielapplikation. Sie liest die angesteckten Sensoren periodisch aus und sendet die Sensorwerte anschließend über Funk an den mitgelieferten Funkstick. Die Beispielanwendung kann als Grundlage für eigene Projekte genutzt und an die Bedürfnisse angepasst werden.

Mit dem AMBER-PI-Kit als Gesamtpaket aus Hardware und Software gibt sie dem Anwender die Möglichkeit, das Raspberry Pi für die Funkkommunikation im Spektrum Sub-1-GHz schnell auszustatten. Es sind vor allem die Einfachheit in der Benutzung und Flexibilität in der Ausstattung, womit eine Vielzahl verschiedener Projekten für unterschiedliche Anforderungen umgesetzt werden können. Typische Applikationen sind Fernüberwachung und Funksteuerung, der Ersatz serieller Kabelverbindungen oder drahtlose Sensornetzwerke in der industriellen Automation (IIoT).

Erweitertes Design-Kit mit verschiedenen Sensoren

Das PROTO SPI ist eine Platine, die alle vier SPI-Leitungen, sowie VCC und GND in einem Via-Raster mit 2,54 mm enthält. Weitere Sensoren sind der LIS2DW12 als ein 3-Achsen-Beschleunigungssensor, der piezoresistive Drucksensor LPS22HB sowie der I²C-HTS221TR zum Messen von relativer Luftfeuchte und Temperatur.
Das PROTO SPI ist eine Platine, die alle vier SPI-Leitungen, sowie VCC und GND in einem Via-Raster mit 2,54 mm enthält. Weitere Sensoren sind der LIS2DW12 als ein 3-Achsen-Beschleunigungssensor, der piezoresistive Drucksensor LPS22HB sowie der I²C-HTS221TR zum Messen von relativer Luftfeuchte und Temperatur.
( Bild: Würth Elektronik )

Über jeweils zwei SPI- und I²C-Steckplätze des AMBER PI lassen sich I²C- und SPI-Slaves anbinden. Bei Auslieferung sind bereits drei Sensoren sowie das PROTO SPI enthalten (Bild 3). Das PROTO SPI ist eine Platine, die alle vier SPI-Leitungen sowie VCC und GND in einem Via-Raster von 2,54 mm enthält. Damit hat der Anwender die Möglichkeit, manuell kundenspezifische Sensoren prototypisch anzubinden. Bei dem HTS221 handelt es sich um einen kompakten Sensor, um relative Luftfeuchte und Temperatur zu messen. Der LPS22HB ist ein piezoresistiver Drucksensor, der als digitales Barometer arbeitet. Bei dem Sensor LIS2DW12 handelt es sich um einen hochperformanten 3-Achsen-Beschleunigungssensor.

Der USB-Funkstick (Tarvos-II Plug) ist aufgrund der kompatiblen Funkprofile die Gegenstelle zum AMBER-PI. Der Funkstick baut eine bidirektionale Funkbrücke zu einem PC auf, um beispielsweise Sensordaten zu übertragen. Eine Dipolantenne mit SMA-Anschluss ist ebenfalls im Kit enthalten. Damit wird eine hohe Reichweite bei der Funkübertragung ermöglicht.

Wir verlosen zusammen mit Würth Elektronik ein komplettes Kit. Hier können Sie sich über Details informieren und am Gewinnspiel teilnehmen.

Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 13/2019 (Download PDF)

* Selina Schuler ist Software-Entwicklerin bei Würth Elektronik eiSos.

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