P19 Relai Ethernet Lora

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Présentation générale du projet

Contexte du projet

L'internet des objets est un domaine en pleine croissance qui permet entre autres d'établir des interactions entre des utilisateurs et des objets connectables.

Les domaines d'applications sont diverses et variées: du contrôle des chauffages dans nos maisons en passant par les smart cities,ou encore le tracking des marchandises,..on y retrouve des dispositifs intelligents tels que des capteurs, des interfaces de communication avec d'autres dispositifs,.. Aujourd'hui plusieurs équipements embarqués voient le jour, cependant les protocoles de communication n'évoluent pas autant, entraînant donc une forte consommation d'énergie, un besoin énorme en termes de mémoire, réseau,..

Semtech,une entreprise grenobloise, crée en 19 un modem radio LoRa adapté aux besoins des objets connectés et offre une technologie de communication à faible consommation d'énergie, une longue portée(pouvant aller jusqu'à 15 km),un débit faible,..

L'actuelle main mise du privé sur les réseaux IP n'est pas forcément une bonne chose pour Internet.

Objectif du projet

L'objectif du projet est de réaliser un module autonome connectable sur une box Internet permettant de relier deux sites avec une connexion longue distance.

Schématique de l'objectif du projet

Cahier de charges

Le projet se déroulera en deux phases. Nous utiliserons 2 technologies: L'ethernet et la communication par radio fréquences.

Nous réaliserons d'abord un premier prototype construit autour d'un AtMega328P, d'une carte Ethernet (avec un micro-contrôleur Microchip ENC28J60), et d'un modem radio LoRa. Un connecteur USB est prévu pour l'alimentation.

Ensuite, nous réaliserons un deuxième prototype sur la base d'un module MBED équipé d'un microcontroleur 32 bits à processeur ARM Cortex M3 , du même modem LoRa.

Nous avons choisi ce processeur pour :

le fait qu'un module Ethernet PHY soit intégré; qui opère au niveau de la couche physique du modèle OSI et met en œuvre la partie de la couche physique Ethernet du 1000BASE-T, 100BASE-TX, et les normes 10BASE-T.

la vitesse du processeur très élevée,

Présence de plusieurs périphériques série

En ce qui concerne l'environnement de développement,le compilateur MBED permet d'écrire des programmes en C++ qui peuvent être compilés en ligne.

Nous comptons également utiliser le protocole PoE (Power over Ethernet) pour l'alimentation par le port Ethernet, prévoir un protocole de communication pour la transmission des paquets Ethernet par LoRa.

Suivi du projet

Semaine 1 (19/09) Réunions avec l'encadrant de projet / Définition des objectifs / Recherche bibliographique
Semaine 2 (26/09)
Semaine 3 (03/10)
Semaine 4 (11/10) Etablissement de la liste du matériel
Semaine 5(18/10) Etablissement de la liste du matériel
Semaine 6(25/10) Recherche de la librairie C pour le SX1276
Semaine 7(31/10) Réalisation des schematics pour la carte1 et création des bibliothèques des composants

Planning prévisionnel

Fichier:Planning .pdf

Planning du projet

La recherche et la documentation

Microcontrôleur Atmega328p

Atmega328p est un mono-puce microcontrôleur.

Carte Réseau

Qu'est-ce qu'une carte réseau?

La carte réseau (appelée Network Interface Card en anglais et notée NIC) constitue l'interface entre l'ordinateur et le câble du réseau. La fonction d'une carte réseau est de préparer, d'envoyer et de contrôler les données sur le réseau.

Pour préparer les données à envoyer, la carte réseau utilise un transceiver qui transforme les données parallèles en données séries. Chaque carte dispose d'une adresse unique, appelée adresse MAC, affectée par le constructeur de la carte, ce qui lui permet d'être identifiée de façon unique dans le monde parmi toutes les autres cartes réseau.

Quel est le rôle d'une carte réseau?

Une carte réseau sert d'interface physique entre l'ordinateur et le câble. Elle prépare pour le câble réseau les données émises par l'ordinateur, les transfère vers un autre ordinateur et contrôle le flux de données entre l'ordinateur et le câble. Elle traduit aussi les données venant du câble et les traduit en octets afin que l'Unité Centrale de l'ordinateur les comprenne. Ainsi une carte réseau est une carte d'extension s'insérant dans un connecteur d'extensions (slot).

Qu'est-ce qu'une carte réseau Ethernet?

La plupart des cartes réseau destinées au grand public sont des cartes Ethernet. Elles utilisent comme support de communication des paires torsadées (8 fils en cuivre), disposant à chaque extrémité de prises RJ45.

Les trois standards Ethernet (norme 802.3) les plus courants correspondent aux trois débits les plus fréquemment rencontrés : 1.Le 10Base-T permet un débit maximal de 10 Mbit/s. Le câble RJ45 peut alors mesurer jusqu'à une centaine de mètres et seuls 4 des 8 fils sont utilisés. 2.Le 100Base-TX permet un débit maximal de 100 Mbit/s. Il est également appelé Fast Ethernet et est désormais supporté par la quasi-totalité des cartes réseau. Comme pour le 10Base-T, le câble RJ45 peut alors mesurer jusqu'à une centaine de mètres et seuls 4 des 8 fils sont utilisés. 3.Le 1000Base-T permet un débit maximal de 1 000 Mbit/s. Il est également appelé Gigabit Ethernet et se démocratise rapidement. Pour que le réseau fonctionne correctement, le câble RJ45 peut toujours mesurer jusqu'à 100 m, mais doit être de bonne qualité. Cette fois, les 8 fils sont utilisés.

Carte Ethernet

Avancement du projet

Souder la carte Ethernet

Carte Ethernet

Liste du matériel

Matériel Quantité requise Quantité disponible A commander Commentaires
Premier prototype (à base d'un AtMega328P)
Partie Ethernet
Résistances 49.9Ω 10 10 10 Farnell [1]
Résistances 270Ω 10 10 10 Farnell [2]
Résistances 2.32kΩ 10 10 10 Farnell [3]
Capacités polarisation 10µF 10 10 10 Mouser [4]
Capacités 0.1µF 10 10 10 Farnell [5]
Capacités 20pF 10 10 10 Farnell [6]
Capacités 1µF 10 10 10 Farnell [7]
Puce Électronique ENC28J60SP 3 3 3 Farnell [8]
Régulateur MCP1702Z 3 3 3 Mouser [9]
Régulateur de tension LD1117AV33 3 3 3 Mouser [10]
Connecteur SI-50196-F 3 3 3 Digi-Key [11]
Filtre BL01RN1A 3 3 3 Farnell [12][13]
Quartz ECSS250XM 2 2 2 Mouser [14]
Partie Arduino
Micro-contrôleur de type ATMEGA328P 3 3 3 Farnell [15]
Quartz FA238 16MHz 3 3 3 Farnell [16]
Résistance 1MΩ +/- 5% 5 5 5 Farnell [17]
Résistance 1KΩ 5 5 5 Farnell [18]
Resistances 470Ω 10 10 10 Farnell [19]
Capacité 100nF 10 10 10 Farnell [20]
Capacité 4.7uF 5 5 5 Farnell [21]
Capacité 10uF 5 5 Farnell [22]
Interrupteur 2 2 2 Mouser [23]
Embase USB 2 2 2 Farnell [24]
FTDI FT232 BASIC 3 3 3 Farnell [25] MOUSER [26]
Diode 5 5 5 Farnell [27]
Regulateur 78ADJ LDO Tension fixe 3 3 3 Farnell [28]
LED yellow 3 3 3 Farnell [29]
LED orange 3 3 3 Farnell
LED green 3 3 3 Farnell [30]
LED blue 3 3 3 Farnell [31]
Partie LoRa
Module radio de type RF-LORA-868-SX1276 4 4 4 Mouser [32]
Capacités 10uF 10 10 10 Farnell [33]
Capacités 100nF 20 20 20 Farnell [34]
20 20 20 Farnell [35]
Capacités 15pF 10 10 10 Farnell [36]
Capacités 10nF 10 10 10 Farnell [37]
Capacités 1.5pF 10 10 10 Farnell [38]
Capacités 33pF 10 10 10 Farnell [39]
Capacités 4.7pF 10 10 10 Farnell [40]
Capacités 1.2pF 10 10 10 Farnell [41]
Capacités 1.8pF 10 10 10 Farnell [42]
10 10 10 Farnell [43]
Capacités 1nF 10 10 10 Farnell [44]
Inductance 33nH 10 10 10 Farnell [45]
Inductance 6.2nH (0402) 10 10 10 Farnell [46]
Inductance 10nH 10 10 10 Farnell [47]
Resistances 1KΩ 10 10 10 Farnell [48]
Quartz 32MHz(16pF) 10 10 10 Farnell [49]
Regulateur PE4259 5 5 5 Digi-Key [50] Farnell[51]
Deuxième prototype (à base d'un ARM-3 Cortex)
Autres cartes
32u4 RFM95 LoRa Radio - 868 or 915 MHz 2 2 2 Adafruit [52]
Prototype carte developpement MBED 2 2 2 [53]
Kit Board developpement MBED 2 2 2 [54]

Liste du matériel

Fichier:NEWListe du matériel-IMA5-PFE19.ods

Premier prototype

La carte est composée de 3 parties principales : partie Ethernet, partie uC AtMega328P , partie LoRa.

Le rôle du micro-contrôleur est de traiter les informations qui lui parviennent , interfacer et contrôler les communications entre les périphériques.

La partie LoRa est gérée par un émetteur-recepteur SX1276 doté d'un modem LoRa de chez Semtech offrant une communication longue portée. Cette communication repose sur le principe de la modulation à étalement de spectre.

Qu'est ce qu'une modulation à étalement de spectre LoRa?

Le modem LoRa utilise une technique exclusive de modulation du spectre étalé opérant dans la bande de fréquences ISM. Cette technique est plus résistante aux interférences et au bruit dans la bande.

La modulation LoRa repose sur le même principe que la modulation DSSS( Direct Sequence Spread Spectrum) qui consiste donc à générer de la redondance d’information à chaque envoi d’une séquence de bits. Ainsi les bits reçus qui n’utilisent pas le même codage seront rejetés (dont les signaux d’interférence ou le bruit). Le récepteur peut ainsi reconnaître l’émetteur. Dans la modulation LoRa, l'étalement de spectre est obtenu en générant un signal qui varie continuellement en fréquence et occupe toute la bande passante.

// schéma

Alimentation

Pour fonctionner la carte a besoin d'alimentation.La carte fonctionnant sous une tension de 5V ,il a été convenu qu'elle sera alimentée via un port USB.

Interfaçage

Les périphériques reliés au microcontrôleur communiqueront avec ce dernier via la liaison SPI. Le bus SPI est un bus série synchrone constitué de 4 signaux logiques. SCK,MOSI,SS générés par le maître et MISO généré par l'esclave. Le maître s'occupe de la communication. Plusieurs esclaves peuvent communiquer sur le même bus à condition qu'il y ait une ligne de sélection dédiée à chaque esclave.

NB : Le uC AtMEGA328P ne disposant que d'une seule ligne de sélection SS nous sommes confrontés au problème de liaison d' un périphérique supplémentaire. Solution: Nous allons donc configurer un I/O comme un SS afin d'avoir autant de SS que de périphériques esclaves.

Fonctionnement de l'interface SPI du SX1278 : La communication est simultanée entre un maître et un esclave. Le maître génère l'horloge et sélectionne un esclave. A chaque coup d'horloge , le maître transmet un bit à l'esclave.

Carte Ethernet

Machine d'états

Réalisation de l'antenne

Réalisation des cartes PCB

La carte PCB

Depuis quelques séances, nous avons commencé à réaliser notre carte PCB qui contient la partie Ethernet , Microcontrôleur et LoRa à l'aide du logiciel Altium. Dans un premier temps nous avons d'abord réalisé les librairies Altium des composants dont nous ne disposons pas. La réalisation des librairies consiste en 2 étapes : schématique et empreinte. Il s'agit donc des composants tels que : le chip SX1276, régulateur PE4259 et le connecteur SI-50196-F.

Voici leurs schématiques et footprints :

Il conviendra de préciser que quelques librairies utilisées sont disponibles et téléchargeables sur le site d'Altium Designer et peuvent être installées sur le logiciel Altium de l'école.
http://techdocs.altium.com/display/ADOH/Download+Libraries

Cependant nous avons eu un problème du connecteur, puisque normalement pour les autres composants les pistes sont reliés avec les composants qui sont autours sur le schématique et le routage. Mais après avoir vu la carte que nous avons, pour la partie du connecteur il faut créer une cadre pour fixer la place du connecteur sur la carte PCB.

Parallèlement nous avons réalisé la première étape de la conception d'une carte électronique : la réalisation de la schématique. Ci-dessous les schématiques des différentes parties de la carte

Très vite, nous avons entamé la deuxième étape de la conception : le routage. En raison des contraintes de temps, nous allons d'abord produire la partie RF_LoRa afin de pouvoir avancer sur la partie programmation.

La programmation

La carte sera programmée en langage C. Avantages :

///En même de faire notre carte PCB, nous avons aussi réfléchit à propos des programmations de la carte Ethernet , de la carte microcontroleur et de la carte Lora.

Partie Ethernet


Partie LoRa

Références

Datasheets

Fichier:Datasheet cartereseau.pdf

Fichier:Datasheet lora.pdf

Micro-controleur Atmega328p: http://www.atmel.com/Images/Atmel-42735-8-bit-AVR-Microcontroller-ATmega328-328P_datasheet.pdf

Documentation (Liens utiles)

https://learn.adafruit.com/adafruit-feather-32u4-radio-with-lora-radio-module/downloads

Schematic du module radio : http://modtronix.com/prod/imod/inair9/inair9_r1_sch.pdf

Schematic du mbed : https://developer.mbed.org/media/uploads/chris/lpc1768-refdesign-schematic.pdf

Carte MBED à base de microprocesseur ARM Cortex-3 : http://www.rennes.supelec.fr/ren/perso/jweiss/microp/mbed/mbed.php/

Carte MBED : http://elmicro.com/en/mbed-nxp-lpc1768.html