Przemysłowy Internet Rzeczy. Mikrokontroler CC1310 i zestaw startowy CC1310 LaunchPad

Przemysłowy Internet Rzeczy, z ang. Industrial Internet of Things (IIoT) to odmiana technologii Internet Rzeczy (IoT) z przeznaczeniem do zastosowania w przemyśle. W fabrykach montowane są urządzenia które mają za zadanie gromadzić dane procesów produkcyjnych i przesyłać do centrów przetwarzania danych. Na podstawie zgromadzonych danych jest optymalizowane działanie linii produkcyjnych, co wpływa na poprawę efektywności procesu wytwarzania.

Technologia Przemysłowy Internet Rzeczy wpisuje się w proces czwartej rewolucji przemysłowej „Przemysł 4.0”, której właśnie jesteśmy świadkami. Pierwsza rewolucja przemysłowa polegała na zastosowaniu w produkcji urządzeń mechanicznych napędzanych woda i parą (pierwszą maszynę napędzana silnikiem parowym powstała około 1784 r.). Druga rozpoczęła się od wprowadzenia podziału pracy i produkcji napędzanej energią elektryczną (linie taśmowe – rok 1870). Trzecia, to wprowadzenie do produkcji automatyzacji (sterowniki PLC – rok 1968 oraz roboty). Teraz ma miejsce czwarta rewolucja przemysłowa, która wprowadza w pełni zautomatyzowane fabryki sterowane przez systemy cybernetyczne. W fabrykach takich parametry produkcji są stale monitorowane oraz jeśli zajdzie taka potrzeba zmieniane w czasie rzeczywistym. Pozwala to na wykrywanie źródeł potencjalnych awarii (przegrzewie się części, nadmierne drgania elementów ruchomych maszyn). Dodatkowo, zgromadzone podczas procesu produkcji dane mogą zostać zintegrowane z oprogramowaniem produkcyjnym do ERP (planowanie zasobów przedsiębiorstwa) i CRM (obsługa relacji z klientami). Wówczas produkcja może być dostosowane do zapotrzebowanie rynku (produkcja sprzężona z wynikami sprzedaży).

Z badań IDC Manufacturing Insights wynika, że do 2020 roku w co najmniej połowie procesów w firmach będą stosowane automatyczne procesy gromadzenia danych, a w jednej czwartej będą dostępne funkcje autokorekty. Widząc dynamiczny rozwój technologii IIoT firma Texas Instruments zaprojektowała mikrokontroler CC1310 z zintegrowanym układem radiowym pracującym w paśmie ISM poniżej 1 GHz. Żeby promować własne rozwiązania zbudowano zestaw startowy CC1310 LaunchPad.

Mikrokontroler CC1310

Omawiany w artykule mikrokontroler CC1310 to układ o wysokim stopniu integracji. W obudowie układu scalonego umieszczono: procesor z rdzeniem ARM Cortex-M3 (z blokami peryferyjnymi), procesor przeznaczony do obsługi transmisji radiowej w paśmie ISM poniżej 1 GHz z rdzeniem ARM Cortex-M0, kontroler czujników pomiarowych oraz przetwornicę DC/DC. Schemat blokowy mikrokontrolera CC1310 pokazano na rysunku 1.

Mikrokontroler CC1310 posiada dużą moc obliczeniową (142 miejsce w zestawieniu CoreMark) a przy tym charakteryzuje się niskim poborem mocy (158 miejsce w zestawieniu ULPBench). Zintegrowany moduł radiowy zapewnia niezależną od jednostki centralnej CPU transmisję radiową. Moduł radiowy charakteryzuje się wysoką czułością odbiornika, niskim poborem mocy oraz tym, że posiada wbudowane mechanizmy zwiększające odporność na zakłócenia. Zintegrowany moduł kontrolera czujników pozwala wykonywać pomiary niezależnie od jednostki centralnej CPU mikrokontrolera. Możemy główny rdzeń CPU mikrokontrolera wprowadzić w tryb uśpienia i w tym samym czasie wykonać pomiary korzystając z  kontrolera czujników. Następnie możemy obudzić jednostkę centralną CPU mikrokontrolera, aktywować radio, wysłać wynik pomiaru i ponownie przejść w tryb uśpienia. Taki schemat pracy pozwala maksymalnie zwiększyć czas pracy urządzenia na baterii.  Szczegółowe parametry mikrokontrolera CC1310 w tym pobór mocy w różnych trybach pracy prezentuje tabela 1.

Mikrokontroler CC1310 jest przystosowany do pracy w trybie transmisji radiowej dalekiego zasięgu (tryb transmisji Long Range). Parametry zasięgu toru radiowego dla mikrokontrolera CC1310 determinuje moc nadajnika TX 14 dBm oraz czułość odbiornika RX –124 dBm. Korzystając z modułu LaunchPad (antena drukowana na PCB) uzyskamy zasięg transmisji w granicach 150…200 metrów (nadajnik i odbiornik w otwartym terenie bez przeszkód w linii transmisji radiowej). Dodatkowo, firma Texas Instruments w swoim portfolio posiada bogatą ofertę wzmacniaczy zasięgu radiowego (range extender). Do współpracy z mikrokontrolerem CC1310 jest przeznaczony wzmacniacz typu CC1190. Korzystając z modułu CC1190 możemy zwiększyć moc nadajnika CC1310 z 14 dBm do 27 dBm. W praktyce przełoży się to na zwiększenie zasięgu z setek metrów na kilometry. Możemy również zaprojektować urządzenie z zewnętrzną anteną. Przykład takiego rozwiązania prezentuje zaprojektowany przez Texas moduł rozwojowy CC1310EMK (fotografia 2). Po podłączeniu modułu CC1210EMK z płytą rozwojową SmartRF06EB możemy uzyskać zasięg transmisji radiowej nawet do 20 kilometrów.

Fakt, że mikrokontroler CC1310 posiada tak dobre parametry zasięgu transmisji radiowej sprawia, że może być stosowany w miejscach gdzie transmisja radiowa napotyka na trudne warunki (hale produkcyjne w fabrykach, wielopiętrowe budynki, miasta z gęstą zabudową).

CC1310 LauchPad

Zestaw startowy LauchPad z mikrokontrolerem CC1310 składa się z: płytki startowej LaunchPad, przewodu USB-A mikro-B oraz broszury informacyjnej. Zawartość zestawu pokazano na fotografii 3.

Najważniejszym elementem zestawu startowego jest płytka LaunchPad. Na płytce zainstalowano mikrokontroler CC1310 w obudowie RGZ o wymiarach 7 mm×7 mm. Poza mikrokontrolerem na płytce startowej LaunchPad umieszczono 3 przyciski (dwa użytkownika oraz jeden reset), 4 diody LED (2 użytkownika: czerwona, zielona oraz 2 systemowe), gniazdo USB (zasilanie, programowanie/emulacja, komunikacja UART przez USB), dwa złącza rozszerzeniowe 20-pinowe w standardzie BoosterPack XL. Płytka startowa ma zamontowaną kość pamięci S-FLASH o pojemności 1 megabajta. Moduł startowy Launchpad wyposażono w antenę PCB oraz złącze do podłączenia zewnętrznej anteny. Wygląd płytki startowej CC1310 LaunchPad pokazano na rysunku 4.

Układ startowy CC1310 LaunchPad możemy kupić w sklepie Texas Instruments store.ti.com albo u lokalnych dystrybutorów. Cena zestawu startowego w sklepie TI to 29 dolarów amerykańskich.  Dokonując zakupu dobrze jest nabyć dwa moduły, aby jeden móc wykorzystać jako nadajnik, a drugi jako odbiornik sygnału radiowego.

Program startowy

Płyta startowa CC1310 LaunchPad jest zaprogramowana aplikacją startową służącą do testowania jakości transmisji radiowej RF (transmisja pakietów, pomiar mocy odebranego sygnału RSSI, pomiar liczby niepoprawnie odebranych pakietów). Aplikacja jest uruchamiana po podłączeniu modułu do zasilania. Menu sterowania jest wyświetlane na ekranie LCD (należy podłączyć płytę rozszerzeń 430BOOST-SHARP96) oraz jest transmitowane na wyjście UART modułu (parametry transmisji 115200 b/s 8N1, bez kontroli parzystości). Opcje menu prezentuje tabela 2.

Sterowanie aplikacją odbywa się za pomocą przycisków zamontowanych na płycie modułu CC1310 LaunchPad. Lewym przyciskiem (BTN-1) wybieramy opcje menu. Prawym przyciskiem (BTN-2) zatwierdzamy wybrane opcje. Przykład obsługi menu w programie PuTTY pokazano na rysunku 5.

Podsumowanie

W kolejnych wydaniach Elektroniki Praktycznej zaprezentujemy oprogramowanie do obsługi mikrokontrolera CC1310. Skonfigurujemy środowisko programistyczne oraz pakiet programów narzędziowych.

Łukasz Krysiewicz, EP