RAK5005-O WisBlock Base Базовая плата

Модульная система конструирования WisBLock RAKwireless

Создавая свои уникальные изделия для современной индустрии, большинство разработчиков электронных продуктов стремятся наделить устройства определённым набором функций и/или опций для выполнения одной или нескольких задач. Как правило, такие устройства закрыты от модифицирования в будущем, возможность изменения архитектуры попросту изначально не предусматривается. Закрытая архитектура устройств, в примерах с эффективностью использования лишь части существующего функционала, приводит к неизбежному поиску единственного оптимального, либо нескольких совместимых друг с другом устройств, удовлетворяющих поставленным задачам.

Производящая коммуникационную электронику для сферы IoT-решений, активно набирающей популярность и повсеместное распространение, компания RAKwireless несколько по иному подошла к виду изготовления целевых устройств. Представленная линейка продуктов серии WisBlock выполнена в стиле модульного конструктора. Она даёт возможность другим разработчикам или энтузиастам самостоятельно подбирать нужные комбинации элементов (блоков), моментально собирать готовые схемы или тестировать их прототипы, экономя время на изготовлении аппаратной части. В будущем, система WisBlock допускает простой ремонт или модернизацию устройств.

Система быстрого конструирования WisBlock состоит из многочисленных модулей, куда входят микроконтроллерные модули (WisBlock Core MCU), датчики или сенсоры (WisBlock Sensors), и модули ввода-вывода (WisBlock IO). В основу вычислительных модулей WisBlock Core MCU интегрированы микроконтроллеры и блоки беспроводной связи LoRa, WiFi, Bluetooth BLE или другие приёмопередатчики. Собранная с датчиков информация обрабатывается контроллером и отправляется в облако с помощью Lora- или WiFi-подключений. Интерфейс BLE применяется для связи с периферией на коротких дистанциях, установленной во внутреннем пространстве помещений.

Любые данные с сенсоров слежения, окружения, ориентации, температуры, влажности, давления, или других внешних датчиков, подключенных к RAK5005-O как расширение (включая проводные интерфейсы RS485 и UART), могут транслироваться по беспроводной связи LoRa, WiFi и BLE, выводится на экран. Совокупная многочисленность мультизадачных модулей системы WisBlock позволяет создавать вариативную аппаратную часть, пригодную для самого широкого спектра применения. Модульная система WisBlock идеально подходит для проектов по созданию сетей из датчиков слежения за окружением с беспроводной трансляции данных, сетей сбора данных в промышленном окружении, сетей обнаружения и слежения за индивидуальными или подвижными объектами, и др. Наличие стандартных разъёмов подключения и открытая архитектура позволяют самостоятельно разрабатывать модули для совершенно других задач, и совмещать их работу с уже существующими элементами системы WisBlock.

Главные особенности

• Дизайн свободного модульного конструирования, сочетание модульных функций и расширений
• Высокоскоростные соединяющие разъёмы на базовой плате WisBlock, обеспечивающие целостность сигнала
• Поддержка многочисленных типов вычислительных контроллеров с низким энергопотреблением
• Поддержка разнообразных типов датчиков и сенсоров. На одной плате может размещаться до четырех различных элементов
• Цифровые интерфейсы для дополнительного расширения
• Питание от низковольтных источников напряжения
• Встроенный контроллер заряда Li-Pol
• Поддержка 5-вольтовых солнечных панелей
• Компактный размер и лёгкий вес

Технические характеристики

• Модель: RAK5005-O WisBlock Base Board V1.0
• Питание: 3.7В (LiPo), 5В (USB-порт, солнечная панель)
• Энергопотребление
  • без установленных модулей: 2 мкА
  • режим ожидания, процессор и датчики в режиме сна: менее 10 мкА
  • Активное состояние, модуль LoRa в режиме трансляции: до 130 мА
• Шины цифровых данных: GPIO, UART, I2C, SPI, ADC
• Модульные разъёмы: 1 x CPU Slot, 4 x Sensors (A, B, C, D), 1 x IO Slot
• Защита ESD: LCR399-04AT1G
• Контроллер заряда: TP4054, 4.2В/350мА
• Переключатель нагрузки: TPS27082LDDC
• 2 программируемых светодиода
• Кнопка сброса
• Шаг между выводами J10-J12: 2.54 мм (0,1')
• Гнездо солнечной панели P1: JST ZHR-2 1.5мм
• Гнездо аккумуляторной батареи P2: JST PHR-2 2мм
• Размер: 60 х 30 х7.2 мм
• Комплектация:
  • Базовая плата RAK5005-O Base Board X 1шт
  • Кабель Micro USB Х 1 шт
  • Набор винтов Х 1 комплект

Внешний вид и расположение элементов RAK5005-O Wisblock Base Board

Базовая плата RAK5005-O Wisblock Base Board — это основа всех основ в WisBlock. Именно с её помощью воедино объединяются все остальные модули WisBlock. Базовая плата оснащена несколькими стандартизированными расширяющими коннекторами, предназначенными для присоединения вычислительного блока (CPU Slot), блоков с датчиком или сенсором (Slot A-D), и блока ввода-вывода данных (IO Slot). Расстояние между выводами с шинами цифровых интерфейсов UART, I2C, GPIO, и аналоговым ADC для дополнительного расширения J10, J11 и J12 составляет 2.54 мм.

Каждый существующий блок спроектирован таким образом, чтобы он быстро и легко, буквально одним щелчком, устанавливался на базовую плату, или так же просто снимался. Высококачественные соединительные коннекторы у блоков WisBlock гарантируют целостность сигнала для каждой шины данных. Набор винтов применяется для надёжного крепление блоков к базовой плате в окружении с вибрацией.

Чтобы минимизировать или даже целиком исключить возможные электромагнитные или температурные помехи, коннектор для присоединения блоков с датчиками или сенсорами допускает их установку в любом направлении относительно самого разъёма (то есть можно развернуть в одной плоскости).

В качестве примера, температурный датчик рекомендуется устанавливать положением "наружу". Это позволит получать более точные измерения, избегая возможного нагрева от других, рядом расположенных блоков.

Блок-схема RAK5005-O Base Board

Шины данных RAK5005-O

В вычислительном контроллере модуля WisBlock Core предусмотрены шины цифровых данных I2C, UART и SPI, разведённые на коннекторы сенсорных модулей. По этим шинам контроллер способен управлять и извлекать данные из датчиков. В дополнение к ранее перечисленным, модули ввода-вывода WisBlock IO связаны с вычислительным блоком ещё и по шинам USB, GPIO и ADC (АЦП), получая таким образом полный доступ ко всем интерфейсам контроллера.

Некоторые типы вычислительных контроллеров имеют меньшее количество контактов ввода-вывода. В подобных случаях, соединены лишь часть контактов шины данных. Например, подключены только I2C или UART. Многие контакты ввода-вывода у вычислительных контроллеров, кроме основной, предусматривают ещё и альтернативные функции. Изменение какой-либо функции достигается её переназначением в программном обеспечении, либо перепроектированием (переcборкой из других модулей) аппаратной части устройства. Подробная информация располагается на странице с описанием Wisblock Core.

Блок-схема энергопитания модуля базовой платы RAK5005-O

Модуль RAK5005-O спроектирован с питанием от литиевой батареи и с возможностью восполнения энергии аккумулятора через встроенный контроллер заряда. Схема заряда батареи может работать от простого сетевого адаптера, соединённого с портом USB, или от солнечной батареи, подключенной к специально предусмотренному для неё разъёму.

Низкотоковый LDO-регулятор используется в схеме для генерации стабильных 3.3 вольт. Это напряжение напрямую запитывает модули с вычислительным ядром WisBlock Core, модули датчиков и сенсоров, а также модули ввода-вывода данных. Максимальный ток, поддерживаемый 3.3-вольтовым LDO, составляет 750 мА.

VDD генерируется модулем вычислительного контроллера, и используется для питания сенсорных модулей и блоков ввода-вывода данных. Модуль с контроллером работает непосредственно от 3.3-вольтового напряжения. Однако с помощью встроенного регулятора, он может выдавать на собственные контакты ввода-вывода аналогичное напряжение, или напряжение с меньшим уровнем: 3.3 вольта, 2.5 вольта или 1.8 вольта.

3V3_S — это ещё один источник напряжения для сенсорных блоков и модулей ввода-вывода данных, управляемый логическим сигналом со стороны контроллера через контакт IO2. Например, когда устройство находится в режиме ожидания, питание 3V3_S можно отключить, чтобы сэкономить электроэнергию.

• Установить IO2=1, источник 3V3_S включен
• Установить IO2=0, источник 3V3_S выключен

Цифро-аналоговые интерфейсы RAK5005-O

Определение выводов для групп дополнительного расширения J10, J11, J12. Шаг между контактами 2,54 мм.

Разъёмы аккумуляторной батареи и солнечной панели

Прямоугольные маркеры красного цвета на разъёмах аккумуляторной батареи (на рисунке сверху) и солнечной панели (на рисунке снизу) указывают на выводы GND.

Светодиодная индикация

На плате RAK5005-O расположено три светодиодных индикатора, используемые для отображения рабочего состояния. Их функции:

• Красный - соединён с контроллером заряда и сигнализирует состояние заряда. Постоянно и ярко горит, пока батарея заряжается. По окончании процесса, слабо светится или полностью гаснет.
• Зелёный - подключен к вычислительному блоку, программируется пользователем.
• Синий - подключен к вычислительному блоку, программируется пользователем.

Кнопка RESET

Кнопка Reset соединена с вычислительным модулем. Её нажатие приводит к перезапуску контроллера, встроенного в модуль WisBlock Core.

40pin-коннектор для WisBlock Core

Определение контактов

Описание обозначений

• VBAT - напряжение питания от батареи
• GND - общий, заземление
• 3V3 - напряжение питания 3.3 вольта
• USB+ - плюсовой сигнал шины USB
• USB- - минусовой сигнал шины USB
• VBUS - напряжение питания USB
• SW1 - сигнал переключения
• TXD0, TXD1 - сигнал передачи данных от контроллера по шине UART0, UART1
• RXD0, RXD1 - сигнал приёма данных контроллером по шине UART0, UART1
• RESET - сброс контроллера
• LED1 - индикатор контроллера заряда
• LED2, LED3 - программируемый светодиод
• VDD - Напряжение генерируется вычислительным модулем для питания сенсорных модулей, если уровень напряжения на контактах контроллера отличается от 3.3 вольта
• I2C1_SCL, I2C2_SCL - сигнал тактирования шины I2C1, I2C2
• I2C1_SDA, I2C2_SDA - сигнал данных шины I2C1, I2C2
• AIN0, AIN1 - аналоговые входы АЦП
• BOOT0 - вход в режим прошивки сигналом высокого уровня, установленным во время сброса контроллера STM
• SPI_MISO, SPI_MOSI, SPI_CLK, SPI_CS - шина SPI, сигналы данных-тактирования-выбора чипа
• IO1, IO3-6 - выводы общего назначения
• IO2 - управление напряжением 3V3_S
• IO7 - не подключен

24pin-коннектор для Wisblock Sensor

На плате RAK5005-O всего представлено 4 коннектора для присоединения модулей с датчиками или сенсорами. Они обозначены как Slot A, B, C и D. Некоторые контакты этих коннекторов отличаются по назначению.

Определение контактов

• NC - нет подключения
• GND - общий, заземление
• TXD1 - сигнал передачи данных от контроллера по шине UART1
• RXD1 - сигнал приёма данных контроллером по шине UART1
• VDD - Напряжение генерируется вычислительным модулем для питания сенсорных модулей, если уровень напряжения на контактах контроллера отличается от 3.3 вольта
• I2C1_SCL - сигнал тактирования шины I2C1
• I2C1_SDA - сигнал данных шины I2C1
• IO1, IO3-6 - выводы общего назначения
• IO2 - управление напряжением 3V3_S
• 3V3_S - напряжение питания 3.3 вольта, управляемое контроллером

40pin-коннектор для WisBlock IO

Определение контактов

Описание обозначений

• NC - не подключен
• VBAT - напряжение питания от батареи
• GND - общий, заземление
• 3V3 - напряжение питания 3.3 вольта
• USB+ - плюсовой сигнал шины USB
• USB- - минусовой сигнал шины USB
• VBUS - напряжение питания USB
• SW1 - сигнал переключения
• TXD0, TXD1 - сигнал передачи данных от контроллера по шине UART0, UART1
• RXD0, RXD1 - сигнал приёма данных контроллером по шине UART0, UART1
• RESET - сброс контроллера
• LED1 - индикатор контроллера заряда
• LED2, LED3 - программируемый светодиод
• VDD - Напряжение генерируется вычислительным модулем для питания сенсорных модулей, если уровень напряжения на контактах контроллера отличается от 3.3 вольта
• I2C1_SCL, I2C2_SCL - сигнал тактирования шины I2C1, I2C2
• I2C1_SDA, I2C2_SDA - сигнал данных шины I2C1, I2C2
• AIN0, AIN1 - аналоговые входы АЦП
• SPI_MISO, SPI_MOSI, SPI_CLK, SPI_CS - шина SPI, сигналы данных-тактирования-выбора чипа
• IO1, IO3-6 - выводы общего назначения
• IO2 - управление напряжением 3V3_S
• IO7 - не подключен
• 3V3_S - напряжение питания 3.3 вольта, управляемое контроллером

Физические размеры, мм

Техническая документация

1. Принципиальная схема Модуля базовой блаты RAK5005-O Base Board, часть 1 (.PNG)
2. Принципиальная схема Модуля базовой блаты RAK5005-O Base Board, часть 2 (.PNG)
3. Характеристики коннекторов FBB (.PNG)

Полезные ссылки

1. Репозиторий исходного кода WisBlock на сайте GitHub

Таблица согласования шины данных модулей Wisblock Core с базовой платой RAK5005-O Base Board (RAK19003 Mini Base Board)

Таблица согласования шины данных модулей WisBlock Sensor с базовой платой RAK5005-O Base Board

* Модули с 4, 5 типом шины — частично или полностью не поддерживают формат реверсивной установки.

Таблица согласования шины данных модулей WisBlock Storage с базовой платой RAK5005-O Base Board

Таблица согласования шины данных модулей WisBlock Interface (WisBlock IO) с базовой платой RAK5005-O Base Board

Производимые модули серии WisBlock

Модули базовой платы WisBlock Base Board

Модель	Функционал	Слоты
RAK5005-O Base Board	Питание: 3.7-4.2В Li-Ion, 5В USB-порт, 5В солнечная панель Защита ESD: LCR399-04AT1G Контроллер заряда: TP4054 Переключатель нагрузки: TPS27082LDDC Программируемые светодиоды: 2  Кнопка сброса Reset	1 x ЦПУ, 4 x Сенсоры/Датчики (A, B, C, D), 1 x Ввод/Вывод
RAK19003 Mini Base Board		1 x ЦПУ, 2 x Сенсоры/Датчики (A, B)
RAK19001 Dual IO Base Board	Питание: 3.7-4.2В Li-Ion, 3.3-5.5В одноразовая батарея, 5В USB-порт, 5В солнечная панель Контроллер заряда: TP4054 Программируемые светодиоды: 2  Кнопка сброса Reset	1 x ЦПУ, 6 x Сенсоры/Датчики (A, B, C, D, E, F), 2 x Ввод/Вывод (A и B)
RAK19007 2 Gen Base Board	Питание: 3.7-4.2В Li-Ion, 5В USB-порт, 5В солнечная панель Контроллер заряда: TP4054 Программируемые светодиоды: 2  Кнопка сброса Reset	1 x ЦПУ, 4 x Сенсоры/Датчики (A, B, C, D), 1 x Ввод/Вывод

Модули с вычислительным процессором WisBlock Core

Модель	Встроенный модуль RAK	Функционал	Чипсет
RAK4631	RAK4630 Arduino	Bluetooth BLE, LoRa	Nordic nRF52840 + Semtech SX1262
RAK4631-R	RAK4630-R RUI3	Bluetooth BLE, LoRa	Nordic nRF52840 + Semtech SX1262
RAK11200	--	WiFi, Bluetooth BLE	Espressif ESP32-WROVER-B
RAK11310	RAK11300	LoRa	Raspberry Pi RP2040 + Semtech SX1262

Модули датчиков и сенсоров WisBlock Sensor (WisBlock IO)

Модель	Функционал	Чипсет	Модель	Функционал	Чипсет
RAK1901	Датчик влажности и температуры	Sensirion SHTC3	RAK1902	Датчик атмосферного давления	ST LPS22HB
RAK1903	Светочувствительный сенсор	TI OPT3001DNPR	RAK1904	3-осевой сенсор движения	ST LIS3DH
RAK1906	Датчик окружения	BOSH BME680	RAK1910	Сенсор GPS	U-BLOX MAX-7Q
RAK12003	Бесконтактный инфракрасный термометр медицинский	MLX90632SLD-DCB-000-RE	RAK12004	WisIO Датчик MQ-2 обнаружения горючих газов и дыма	Winsen MQ-2
RAK12006	Пироэлектрический инфракрасный датчик движения	PIR AM312	RAK12007	WisIO Датчик расстояния ультразвуковой	CS100A
RAK12009	WisIO Датчик определения концентрации паров алкоголя (спирта, этанола)	Winsen MQ-3B	RAK12010	Датчик определения уровня рассеянного света в окружении	VELM7700
RAK12011	Датчик барометрического давления и температуры	LPS33WH	RAK12012	WisIO Пульсокиметр SpO2 с датчиком частоты сердечных сокращений	Maxim MAX30102
RAK12015	WisIO Датчик определения вибрации	ANT-801S	RAK12500	Сенсор GNSS	U-BLOX ZOE-M8Q
RAK16000	WisIO Датчик напряжения и тока	TI INA219	RAK18000	WisIO Датчик звука (шума)	ST MP34DT06J

Модули ввода/вывода, интерфейсов WisBlock Interface (WisBlock IO)

Модель	Функционал	Чипсет
RAK1920	WisIO Адаптер с интерфейсами для датчиков Click Boards, Qwiic Connect, Groove	-
RAK5801	WisIO Интерфейс для датчиков 4-20мА	-
RAK5802	WisIO Интерфейс RS485	3PEAK TP8485E-SR
RAK5804	WisIO Плата расширенного ввода-вывода	-
RAK5811	WisIO Интерфейс для датчиков 0-5В	-
RAК13001	WisIO Релейный модуль ввода-вывода	-
RAК13002	WisIO Модуль адаптера ввода-вывода	-
RAК13003	WisIO Модуль расширения цифровых портов GPIO	Microchip MCP23017
RAК13004	WisIO Модуль расширения ШИМ	NXP PCA9685
RAК14002	WisIO Модуль 3-кнопочного емкостного сенсора касания	Microchip CAP1293

Модули беспроводной связи WisBlock Wireless (WisBlock IO)

Модель	Функционал	Чипсет
RAK5860	WisIO Модуль сотовой связи 4G/LTE CatM1/Cat/NB2 и спутниковой навигации GNSS/GPS для NB-IoT	Quectel BG77
RAK2305	WisIO Плата беспроводной связи WiFi + BLE	Espressif ESP32
RAK13101	WisIO Модуль сотовой связи с пакетной передачей данных и спутниковой навигации GSM/GPRS/GNSS	Quectel MC20CE

Дисплейные модули и LED-панели WisBlock Display

Модель	Функционал	Чипсет
RAK14001	Модуль c RGB светодиодом	ON Semiconductor NCP5623B
RAK14003	Модуль 10-сегментной светодиодной графической панели	Microchip MCP23017

Дополнительные функциональные модули WisBlock Extra

Модель	Функционал	Чипсет
RAK12002	Модуль RTC часов реального времени	MicroCrystal SW. RV-3028-C7
RAK18001	Модуль с тональным зуммером	-

Модули хранения WisBlock Storage (WisBlock IO)

Модель	Функционал	Чипсет
RAK15000	Модуль с памятью EEPROM 2Мбит	Microchip AT24CM02
RAK15001	Модуль с памятью FLASH 16Мбит	GigaDevice GD25Q16
RAK15001	WisIO Модуль карты TF MicroSD	-

Силовые модули питания WisBlock Power (WisBlock IO)

Модель	Функционал	Чипсет
RAK15000	WisIO Модуль зарядного устройства с Qi-приемником	Convenient Power CPS3008
RAK19002	Модуль повышающего DC-DC преобразователя	TI TPS61046
RAK19004	Модуль зелёной энергии	TI TPS55165