Pour bien comprendre et suivre cet article, je vous recommande de bien lire les étapes précédentes, l’étude et la conception.

Dans cette partie, on va s’attarder sur la réalisation. Cette étape comprend le design de la schématique et la production de l’objet.

 

Le design de la LoRaGate

Comme nous l’avons vu dans le précédent article, il faut tout d’abord délimiter la carte en fonction de nos besoins (dans notre cas, il faut que ça rentre dans un boitier spécifique). Une fois effectué, il faut désormais placer les composants.

Le placement des composants

Dans notre cas, il faut prendre en compte que le carte électronique a 2 faces. On déterminera le haut (top) en rouge et le bas (bottom) en bleu.

Ensuite, il faut commencer par placer les composants qui ne peuvent pas être déplacés car soumis à contrainte(s).

Par exemple, le connecteur USB doit être placé en bord de carte à l’emplacement prévu par le boitier.

Pour l’antenne (ou connecteur SMA dans notre cas), on la place à l’endroit le plus éloigné du reste. En général, elle est placée en bout de carte.

Dans notre objet, la partie radio est très importante. Il faut que le design à ce niveau soit le plus irréprochable possible. Bien évidemment, Il y a quelques règles à suivre pour que cela se passe bien : comme isoler un maximum la partie radio des autres composants actifs.

Pour répondre à cette contrainte, on va donc placer le module radio au plus près du connecteur SMA. Cependant, il n’est pas recommandé de faire une piste avec des virages trop serrés (une piste avec des coudes à 90° vibre beaucoup moins bien). Alors il faut éloigner le module de façon à ce que l’on puisse faire une belle courbe toute douce

(Les deux flèches oranges représentent les deux points à relier)

Une fois le module placé, il faut créer « l’étage radio ». En effet, avant le routage des composants, je pense qu’il convient de créer le lien entre le module radio et le connecteur rapidement. En effet, il faut éviter de placer des composants à proximité. Le fait de placer le circuit permet de ne pas l’oublier et de ne pas faire de bêtises.

Bien entendu, on applique le réseau adaptatif pour la suite.

Réseau adaptatif + routage radio

Vision d’ensemble

Voilà une bonne chose de faite.

Il ne reste plus qu’à placer les autres composants qui ont moins de contraintes. Cette fois-ci, ça se passe sur la face haut (top).

Driver USB à base de FTDI (FT232RL)

Schéma général

Pour cette partie, la seule chose contraignante est qu’il faut bien placer les condensateurs de découplage au plus près du VCC ou du signal.

Le routage

Pour le routage, je procède de la façon suivante :

1. Je route les pistes qui ne doivent pas être traversée, en général les condensateurs pour le découplage.
2. Ensuite, je route manuellement les alimentations sensibles (pas le cas ici)
3. J’applique un routage automatique
4. J’ajuste. Par exemple, il peut arriver de ne pas placer de manière optimiser un composant et du coup la route prend un chemin non optimisé.

Après un routage automatique, il faut toujours vérifier (avec un œil humain) car l’homme reste supérieur (encore) à la machine.

Pour des raisons de performances et de stabilité, il est aussi recommandé de soigner le plan de masse. Quand il y a 2 couches et de la radio (comme dans notre cas), il est possible que les signaux et l’alimentation parcourant le PCB perturbent l’étage radio et dégrade l’émission/réception.

La première chose à faire est de stabiliser (éviter en quelques sortes les « vibrations électromagnétiques »). Pour cela, il convient de créer un plan de masse et de relier, de manière régulière, la masse des deux faces (TOP et BOTTOM)

Ensuite, je fais des « passerelles » entre les deux faces à l’aide de vias pour relier les plans de masses des 2 faces.

Enfin, je protège l’étage radio en faisant une barrière de vias tout le long. Normalement, il y a des règles de calculs qui permettent de connaître la distance entre les vias en fonction de la fréquence radio mais je vous avoue que dans la pratique, je serre les vias le plus possible.

La production de la LoRaGate

Une fois le plan de masse terminé, il faut, bien entendu, faire des revues pour bien vérifier que tout est ok. Vous pouvez appliquer les outils de eagle (Design Rules Control DRC et Electrical Rule Control ERC)

Quand on est sur de soi (c’est dure), on peut alors passer à la production de la carte.

Alors, on pourrait lancer, tel quel, la production de la carte mais quand on sait comment fonctionnent les fabricants de PCB, on s’aperçoit rapidement que l’on peut optimiser largement les coûts de production.

En effet, tous appliquent les tarifs en fonction du nombre de plaques et chaque plaque peut faire (en général) 10cm x 10cm. Du coup, si on produit la carte (qui fait 4.26 x 2 cm), c’est dommage car on perd la possibilité d’avoir plus de produits au même prix.

Donc pour remédier à ce problème, il faut faire ce que l’on appelle de la « panélisation » !

La panélisation

Pour appliquer la panélisation à vos circuits imprimés, il existe des outils sur Eagle CAD. Ce dernier met à disposition des scripts ULP qui permettent d’automatiser la duplication de votre circuit dans votre panel.

Pour « panéliser » mes productions, j’utilise 2 scripts :

• panelize.ulp

qui va me permettre de nommer les composants répétés sur le panel avec le même nom.

En effet, quand vous dupliquez les composants sur un même panel, les noms s’incrémentent. Par exemple : C1 va devenir C2 sur la duplication d’à côté puis C3, C4 etc … en fonction du nombre de produits sur un panel. Et ça, les constructeurs n’aiment pas ça car le BOM ne correspond plus à rien.

Grâce à ce script, on va rajouter un « layer » _tNames (jaune) et _bNames(mauve) qui permettront de faire correspondre le même composant sur tous les produits des panels

• Sparkfun_Panelizer.ulp

Il va dupliquer les produits sur votre panel en fonction de la dimension du panel.

Il va ajouter entre chaque produit des lignes V-score afin de pouvoir indiquer au fabriquant de rendre « sécable » chaque produit.

Bon, comme ce sont des scripts pour des fabricants particuliers, je dois faire quelques modifications.

• Effacer toutes les layers « dimension » et en refaire une seule
• Changer le layer v-score (milling) pour le layer « dimension ».

Une fois effectué et après avoir vérifié que tout est ok, il suffit, enfin, de générer les fichiers GERBERs de notre projet. Ces fichiers sont adaptés pour les machines de production qui vont permettre de construire les cartes électroniques.

Envoie en production

Il faut alors aller dans « CAM processor » de EAGLE CAD et d’ouvrir un « job » permettant de générer les fichiers. Pour ma part, j’utilise un fichier cam que j’ai récupéré chez le fournisseur « Seeed ».

Les fichiers générés fonctionnent chez Seeed (bien sûr), mais aussi pour JLCPCB et OceanSmile que j’ai pu déjà tester. J’imagine donc qu’ils pourront aussi fonctionner chez d’autres fabricants.

Enfin, une fois que les fichiers sont générés, vous pouvez zipper et envoyer en production chez votre fabricant préféré.

Pour ma part, à ce stade je ne fais pas produire avec l’assemblage des composants. Je préfère commander les composants séparément et faire le montage moi-même. Cela évite de perdre trop d’argent s’il y a une erreur.

Voici le résultat une fois réceptionnée:

Panel reçu

LoRaGate montée

LoRaGate avec boitier

Conclusion

J’espère que cette trilogie vous a plu et/ou qu’elle vous a appris quelques astuces pour concevoir son propre projet électronique.

Bon, entre le temps de la rédaction de l’article et celui de la publication, il y a eu quelques modifications sur le projet mais le principe d’étude / réalisation et de production reste inchangé.

Pour la prochaine étape, il faut faire l’adaptation de l’étage radio mais je ne sais pas si j’en ferai un article.

Ce produit sera bientôt disponible sur la boutique vous permettant de rendre votre box ou ordinateur compatible LoRaWAN.

EDIT : Le Modem LoRaGate est désormais disponible sur la boutique

Bon … avant toute chose, je dois dire que je n’ai pas suivi de cursus dans l’électronique mais plutôt dans l’informatique et que la vie a fait que je me suis lancé dans ce domaine. Je n’ai donc pas les bases scolaires et je me défini plutôt comme autodidacte en la matière.

Du coup, si vous, vous êtes du métier et que je dis des bêtises ou qu’il y a des manquements ou améliorations à apporter, n’hésitez pas à le signaler en commentaire, je ne vous en voudrai pas.

Parce que c’est toujours plus simple de montrer les choses par l’exemple, je vais partir d’un produit qui devrait sortir (à l’issue des articles) sur la boutique LiXee. A savoir la LoRaGate

 

Introduction au projet LoRaGate

Ce projet est un projet assez simple et permet de comprendre les bases sans trop rentrer dans la complexité technique. En effet, cet appareil sera un simple modem LoRaWAN permettant d’envoyer des commandes AT au travers d’une interface USB.

Comme il va être compliqué de tout condenser dans un seul article, il y aura une série de 1, 2, 3 ou 4 articles sur le sujet.

Voici toutes les étapes du projet que je vais tenter de détailler :

• L’étude (permet de lancer le projet et de répertorier tous les besoins)
• La conception (grâce à un outil de CAO, on lance la schématisation et le design de la carte électronique)
• La réalisation (on affine le design, on optimise et on corrige ce qui ne va pas grâce à certains outils avant d’envoyer en production)
• L’optimisation. On adapte l’antenne pour qu’elle résonne à la fréquence voulue

L’étude de la LoRaGate

A quoi sert la LoRaGate

La LoRaGate sera une passerelle/modem LoRaWAN permettant d’envoyer et recevoir des messages. Elle permettra donc de rendre votre box domotique (par exemple) compatible avec ce réseau destiné aux objets connectés.

Le protocole LoRa et le réseau LoRaWAN

Mais qu’est-ce que le LoRa / LoRaWAN ?

Comme d’habitude (vous commencez à me connaître), je ne vais pas entrer trop dans les détails. Si vous le souhaitez vous pouvez le faire en suivant le lien Wikipedia.

Premièrement, il faut distinguer le LoRa du LoRaWAN car ce n’est pas exactement la même chose et souvent, on les mélange par abus de langage.

La modulation

Le LoRa est une modulation de fréquence généralement sur la bande 868Mhz (en Europe) 915Mhz (au USA ou ceux qui utilisent la FCC) mais aussi récemment sur le 2.4Ghz

C’est une modulation qui a été développée par des frenchies (Cycléo) à la base !! (cocorico) puis rachetée par Semtech. C’est une modulation assez révolutionnaire (à mon sens) car elle permet de communiquer en dessous du niveau de bruit radio.

En effet, normalement, il est compliqué, voir impossible, de communiquer dans le bruit. Le niveau de bruit radio ambiant / interférence se situe généralement aux alentours de -90dBm. C’est comme si vous tentiez de discuter avec un ami avec la musique à fond. Difficile de communiquer. C’est un « peu » pareil avec la radio, soit c’est lié à beaucoup d’interférences, soit c’est lié à la distance. Ce bruit va constituer la limite des performances de votre conversation.

D’ailleurs si vous regardez la sensibilité des modules radio bluetooth, zigbee, WiFi etc … vous verrez qu’ils ne descendent quasiment jamais en dessous du bruit, soit -100dBm max (en condition de laboratoire).

Voici donc la première innovation de la modulation et contrairement à une modulation classique qui possède 2 fréquences pour signaler les 1 et 0, le LoRa repose sur des sauts de fréquences qui représentent des groupes de bits.

Et pour garantir l’intégrité des données, la modulation utilise le Spreading Factor (SF) qui va utiliser une signature du motif plus ou moins longue. Plus le motif est important, moins il y a de perte d’intégrité et plus on peut aller loin.

Bien entendu, tous ces avantages entraînent forcément un inconvénient (quoi que…) qui est le débit. En effet, on ne peut pas tout avoir… Cette modulation n’est pas faite pour faire du débit mais pour aller loin.

Bon la technologie est complexe et il y aurait beaucoup à dire mais ce qu’il faut retenir c’est que :

• Cette modulation LoRa permet de communiquer sur de longues distances (jusqu’à 15 Km environ)
• Elle ne peut faire transiter que des messages très courts (51 octets utiles)

Le réseau LoRaWAN

Maintenant que l’on a vu la modulation de fréquence, qu’est-ce que le LoRaWAN.

Hé bien, le LoRaWAN est tout simplement un réseau qui permet d’interfacer les appareils qui communiquent en LoRa.

Alors pareil, difficile de synthétiser tout ça en quelques lignes mais ce qu’il faut retenir, c’est que le LoRaWAN rassemble une infrastructure plus ou moins complexe à mettre en place, permettant de traiter / décoder les informations remontées par les appareils LoRa pour les rendre exploitables.

Il existe 2 types d’infrastructures possible en LoRaWAN :

• La publique qui est en quelque sorte l’opérateur (Orange, Objenious, The Things Network(TTN), etc… )
• La privée qui peut être développée à la maison (whouaouuuu !!)

Pour l’opérateur, c’est assez simple. Il faut prendre un abonnement et vous pourrez (sous réserve de couverture) récupérer les informations de votre appareil LoRa pour les rediriger vers votre serveur d’exploitation de données. En effet, ils mettent à disposition des API ou « routage » vous permettant de rediriger la donnée brute vers votre serveur personnel.

Pour le réseau privé, il vous faudra :

• Une passerelle LoRaWAN pour récupérer la donnée brute et assurer l’intégrité des données. Il existe beaucoup de passerelles plus ou moins professionnelles. Vous pouvez les retrouver en partie ici : https://www.thethingsnetwork.org/docs/gateways/start/list.html
• Un/des serveur(s) pour stocker les données et la rediriger vers votre service de traitement de l’information.

Bien entendu, ce réseau LoRaWAN est sécurisé de bout en bout et vous serez le seul à pouvoir interpréter les données. (sachant que le risque de piratage ne peut pas être égal à zéro)

Chaque objet souhaitant se connecter sur le réseau devra choisir sa « classe » et son mode d’authentification (OTAA – Over The Air ou ABP – Activation By Personalization) et ensuite, renseigner, selon son mode d’authentification, ses identifiants:

Pour OTAA : DEVEUI, APPEUI, APPKEY
Pour ABP :  DEVADDR, NWSKEY, APPSKEY

Pour la classe, il en existe 3 (A, B, C). Chacune utilise un mode de communication différent:

• Class A : On envoie un message toutes les x minutes et on se met en écoute x secondes dans la foulée au cas où il y aurait 1 message à réceptionner. Ce mode, destiné aux objets sur pile permet de très peu consommé. (majorité du temps en veille)
• Class B : Cette classe est une sorte de compromis entre la classe A et C. Elle utilise des « beacons » permettant une synchronisation entre le serveur et l’appareil. Du coup, l’appareil se mettra en écoute au moment ou le serveur enverra un message. Ce mode est encore très peu utilisé et incompatible avec les opérateurs publiques.
• Class C : Dans ce mode, on est en écoute permanente de messages. On peut émettre toutes les X minutes (en respectant les normes et les temps d’occupation de la fréquence). Ce mode est destiné aux appareils alimentés.

Alors je sais, je survole de très haut tout ces concepts (et ça me perturbe parce que j’ai l’impression de rien dire) mais c’est tellement vaste … Bref voici les éléments essentiels de ce réseau que je trouve encore trop peu connu.

L’autre réseau IoT…

Dans la même catégorie, il existe aussi le réseau Frenchie Sigfox (cocorico bis) qui n’utilise pas du tout la même modulation et qui a l’inconvénient de ne fonctionner qu’en passant par un opérateur (mais ça changera…). Je développerai sans doute des produits sur ce réseau et je ne manquerai pas de vous en faire part.

Alors, l’autre énorme avantage que je n’ai pas cité plus haut de ces réseaux, c’est que les appareils ne consomment quasiment rien pour émettre leur message et du coup permet de créer des IoT sur pile (ou sans pile), très petit et qui durent dans le temps. Mais bon vu que ce projet, en particulier, est sur alimentation USB, ce point est moins important. (Mais sera la base des projets suivants ;))

Les besoins du projets

Alors pour réaliser ce projet, il y a 3 points importants :

L’alimentation

Il y a de grandes chances qu’il faille du 3.3VDC (souvent utilisé dans les microcontrôleurs). La LoRaGate sera branchée en USB (5VDC) donc il faudra une régulation de tension. Contrairement au WiFi gourmant, le LoRa devrait consommer 50 mA lors de l’émission (consommation max du coup)  donc la régulation n’aura pas besoin d’être dans la « puissance ».

Le driver USB-TTL

Pour faire communiquer la LoRaGate avec son hôte, il faut évidemment pouvoir transformer les signaux TTL vers l’USB et inversement. Et pour cela, il faut un pilote. J’en ai déjà testé quelques un lors de mes projets antérieurs et je pense que le pilote FTDI répondra au besoin et notamment sur la partie régulation 3.3VDC.

Avec ce pilote, on ne se trompe pas beaucoup, il fera le taff et sera fiable. Le seul inconvénient, c’est son prix mais comme il peut nous faire économiser la partie régulation, ça compense.

Le module Radio

Enfin le dernier élément, le module LoRa. Il existe pleins de solutions et de combinaisons pour dialoguer en LoRa mais pour ce projet, je souhaitais quelque chose de simple et « ready to play ». Après quelques recherches, je suis tombé sur ce module : le E78-868LN22S

Alors, il est assez cher mais il est vraiment prêt à l’emploi. Il suffit de lui envoyer des commandes AT pour le paramétrer et envoyer des messages. Comme un vulgaire SIM800L

Conclusion

Bon, on va pas se le cacher, la partie 1, c’est la partie la plus pompeuse… beaucoup de théorie et du blabla technique. Pourtant, promis, j’essaie de faire le plus synthétique (quitte à faire d’énormes raccourcis). Malgré tout, c’est le passage indispensable.

Voilà ce qu’on a appris dans cette partie.

• L’objectif du produit est assez clair. Passerelle ou Modem LoRaWAN pour box domotiques.
• On comprend comment la modulation radio et le réseau fonctionne.
• On a listé les besoins primaires pour concevoir le produit.

Dans la prochaine partie, on verra comment faire la schématique et le design du produit au travers d’Eagle CAD.

A bientôt.

EDIT : Le Modem LoRaGate est désormais disponible sur la boutique

Ikea est une super enseigne, on y trouve de tout (bon ok, surtout en meuble) mais ils se diversifient de plus en plus. Notamment, vous avez pu voir qu’ils s’étaient lancés dans la domotique avec le gamme Tradfri. Dans l’ensemble, les produits qu’ils proposent sont d’un très bon rapport qualité/prix … c’est d’ailleurs leur plus gros atout… Il me semble.

Dans cet article, une fois n’est pas coutume, on va détourner l’un de leur produit pour l’adapter à nos besoins.

Comme d’habitude, le nom du produit est imprononçable et je m’y reprend à 3 fois pour bien l’écrire mais ça vaut quand même le coup de vous en parler.

Nous allons donc détourner le Frekvens panel d’Ikea afin de le piloter à travers un ESP8266.

PS : avant d’aller plus loin, je dois vous dire que ce détournement n’est pas de moi et je vous conseille d’aller visiter le github de son initiateur. D’ailleurs, je ferai référence à son travail dans la suite parce que rien ne vaut la source.

 

Achat

Pour se procurer ce magnifique objet, il suffit de se rendre sur le site marchand Ikea

Lien : https://www.ikea.com/fr/fr/p/frekvens-eclairage-a-led-multifonction-noir-30420354/
Prix : ~= 40€ (Peut être en solde parfois à (29€) )

Pour le NodeMCU, vous pouvez vous le procurer en mode pressé ici :

Prix : ~= 8€ en prime

Bon alors cet appareil est un afficheur LEDs (monochrome) qui permet « d’ambiancer » vos soirées. Il réagit selon la musique (ou le bruit) et fait clignoter ses LEDs selon le programme que vous aurez sélectionné.

Il est muni de 2 boutons. Un pour ON/OFF et l’autre pour choisir le programme lumineux.

Conceptuellement, il est très abouti et qualitatif. Même si pour nous, cela n’aura pas grand intérêt, il est prévu pour s’imbriquer avec les autres produits de la gamme. Comme avec des LEGO, vous pourrez monter votre propre architecture sonore et créer votre propre configuration pour animer vos soirées.

Démontage du Frekvens panel

Voici la partie la plus complexe. Démonter cet appareil s’est révélé être très complexe. En effet, hormis les quelques vis à enlever, il a fallu comprendre comment accéder à la carte électronique pour l’enlever. J’ai énormément galéré et j’ai finalement réussi … mais je vous renvoie vers cette vidéo Youtube qui m’aurait bien été utile …

Avec cette vidéo, vous comprendrez mieux comment il faut faire pour tout démonter.

Je n’ai donc pas grand chose à rajouter dans cette section… Ah si … bonne chance !!!

Détournement matériel avec l’ESP8266

Préparation du panel

Une fois la carte électronique sortie de son boitier, voici ce que l’on a :

Alors, dans cette image, c’est l’arrière du panel (de l’autre côté, il y a les LEDs 16×16). Le PCB blanc est composé des 16 contrôleurs LEDs et le PCB vert, c’est le « cerveau ». Il comprend le microcontrôleur et la gestion des boutons et du microphone avec un ampli op très connu (LM358).

Notre objectif est donc de se substituer au PCB vert pour le remplacer par un ESP8266. Il faut donc dessouder.

La meilleure méthode (comme souvent) pour dessouder est d’utiliser un pistolet à air chaud.

Une fois effectué, vous devait obtenir ceci :

 

Adaptation matérielle avec un ESP8266

Une fois effectué, il nous reste à câbler le panel vers un ESP8266. Pour des raisons de commodité et rapidité, j’ai donc utilisé un NodeMCU.

Voici le schéma de câblage proposé par « @frumpurino » :

L’autre avantage du NodeMCU, c’est qu’il est muni d’un régulateur de tension qui permettra de transformer le 3.9VDC (tension peu commune ) en 3.3VDC et du coup alimenté le micro et les LEDs.

Pour récupérer les boutons, il faut récupérer les fils rouge / noir / blanc qui étaient soudés sur le PCB vert.

Pour cet article, on oubliera la gestion du micro pour 2 raisons :

• Je n’en ai pas besoin personnellement
• Il faudrait utiliser un ampli op que le NodeMCU n’a pas.

Cependant, ce microphone pourrait être utile pour de la détection de présence ou encore déterminer un niveau de bruit. Ce genre de besoin est demandé parfois pour les résidences secondaires.

Schéma du nodeMCU

Voyons comment on peut tout relier.

 

Voilà ce que ça donne au final :

Maintenant que tout est câblé, il ne reste plus qu’à coder.

Bon comme d’habitude, pour des raisons de rapidité et simplicité, utilisons l’IDE Arduino.

Un firmware qui va bien

En plus d’avoir trouvé un super détournement, l’auteur de ce hack a aussi développé une librairie Arduino. Basée sur la librairie GFX adafruit, cela va largement faciliter le développement d’un firmware pour contrôler le panel 16×16.

Les fonctionnalités actuelles

• Paramétrage WiFi en mode STA ou AP
• Mise à jour OTA
• Afficher du texte défilant
• Afficher un caractère fixe
• Accès à une API WEB

Toutes ces fonctions ne seront peut-être pas disponibles (ou buggées) à la sortie de l’article, mais je mets tout le projet sur mon github afin que vous puissiez suivre l’évolution ou que vous puissiez contribuer.

Voici à quoi l’interface WEB ressemble (Jquery + Bootstrap stockés dans la flash)

Il est aussi possible de changer la configuration du panel via une API :

http://<IP>/api?text=bonjour&size=&scroll=&light=&x=&y=

La page renverra OK en retour.

Vous pourrez alors l’intégrer facilement dans votre box domotique avec un plugin HTTP REST.

Et Voilà le résultat :

Conclusion

Alors ce hack n’est pas très évident pour tout le monde car il nécessite des compétences en soudure et démontage mais, je trouve qu’il en vaut vraiment la peine car l’objet en lui même est très beau et que les fonctionnalités rajoutées (mise en mode connecté) sont un vrai plus. Bref un bon DIY WAF …

Si ce hack intéresse énormément de personnes, je peux créer un PCB qui viendrait en lieu et place du PCB vert et qui permettrait (en plus d’être plus propre) d’ajouter un ampli op pour gérer le microphone et rajouter par exemple une photorésistance afin de gérer la luminosité automatiquement.

Bref, dites moi en commentaire s’il y a des intéressés et n’hésitez pas à contribuer !

A bientôt !