前回はUnitCatM によるHTTP通信を確認しました。

M5Stack UnitCatM で HTTP通信

ここではUnitCatM を制御するマイコンの検討を行いました。

目標

本件の目標は以下の通りです。

格安データSIM探して契約：現在調査中
座標情報取得：基地局の位置情報で検討中
外部への通信：HTTP通信で決定
コントローラ選定
パワーセーブ
ビンに詰める
川に投げる

ここでは目標④、⑤の検討を実施いたしました
　

コントローラ検討

これまではPCからATコマンドをおくって動作確認しておりましたが、実際にはマイコンからコマンド制御する必要があります。

ここではコントローラとしてSeeeduino XIAOを採用しました。
小さくてカワイイですし、しっかりめのパワーセーブ機能もあるためです。

XIAOのシリアル端子(D6, D7)からコマンドを送受信します。

　
しっかりシーケンスを組んで通信の開始や位置情報の取得、HTTP送信を実施します。

パワーセーブの検討

マイコン XIAO

XIAOは送信時以外はSleepさせて消費電力を抑えます。

サンプルコードWakeUpOnRTCInterrupt.ino のようにRTCによる設定時刻で起床するようにしたかったのですが
RTCInt.h がないとエラーがでるので
RTCの設定にはSeeed_Arduino_RTCライブラリを使用しました。

消費電流は Vin = 5Vで
　起床時：14.4mA
　Sleep時：1.46mA
とSleepが大きく効いておりました。

以下の参考記事によるとパワーオンLEDを切ると更に消費電力が減るとのことです。
場合によってはLED排除も検討したいです。

参考

seeeduino-xiaoのスリープ時は約70uA

UnitCatM

UnitCatMは電源の供給をイネーブルピン付きのDCDCから供給するようにし
通信時以外はXIAOでDCDCのENピンを制御して電源遮断でパワーセーブすることにしました。

これによって通信時以外のUnitCatMによる消費電力は0となります。

システム構成

バッテリは未定ですが現状のシステム構成は以下の通りです。
XIAOでATコマンドを送信し、更にDCDCのENピンを制御してUnitCatMをON/OFFします。

部品

Seeeduino XIAO

　
5V 昇圧 DCDCコンバータ

５Ｖ出力昇圧ＤＣＤＣコンバーター: 組立キット(モジュール) 秋月電子通商-電子部品・ネット通販
akizukidenshi.com

　
SIM7080G CAT-M/NB-IoT Unit

SIM7080G CAT-M/NB-IoT Unit
m5stack-store

Arduino IDEコード

#include <EnergySaving.h>
#include "RTC_SAMD21.h"
#include "DateTime.h"

EnergySaving nrgSave;
RTC_SAMD21 rtc;

int state = 0;
int retry = 5;
String reply;
String location = "test";

void setup() {
  Serial.begin(115200); //USBシリアル
  Serial1.begin(115200); //ATコマンド シリアル

  pinMode(5, OUTPUT);　//DCDC ENピン
  digitalWrite(5, LOW);

  rtc.begin();
  Serial.begin(115200);
    
  nrgSave.begin(WAKE_RTC_ALARM);
}

void loop() {
  int num = 0;

  //ATコマンド
  switch (state) {
    case 0:
      Serial1.write("AT\r\n");
      break;
    case 1:
      Serial1.write("AT+CNACT=0,1\r\n");
      break;
    case 2:
      Serial1.write("AT+CLBS=4,0\r\n");
      break;
    case 31:     
      Serial1.write("AT+SHCONF=\"URL\",\"http://データ送信先サーバ\"\r\n");
      break;
    case 32:
      Serial1.write("AT+SHCONF=\"BODYLEN\",1024\r\n");
      break;
    case 33:
      Serial1.write("AT+SHCONF=\"HEADERLEN\",350\r\n");
      break;
    case 34:      
      Serial1.write("AT+SHCONN\r\n");
      break;
    case 4:    
      Serial1.write("AT+SHSTATE?\r\n");
      break;
    case 5: 
      Serial1.print("AT+SHREQ=\"/hoge?location=" + location + "\", 1\r\n");
      break;
  }

  //通信後Sleep
  if(state == 6){
    digitalWrite(5, LOW); //CAT-M OFF
    state = 0;

    //RTC時刻設定
    DateTime now = DateTime(2021, 1, 1, 0, 0, 0);  //DateTime(年,月,日,時間,分,秒)
    rtc.adjust(now);
    now = rtc.now();

    //RTCアラームセット
    DateTime alarm = DateTime(now.year(), now.month(), now.day(), now.hour(), now.minute() + 1, now.second());
    rtc.setAlarm(alarm);
    rtc.enableAlarm(rtc.MATCH_HHMMSS);

    //sleep
    nrgSave.standby();
  }

  //5V Boost DCDC ON
  if(state == 0){
    digitalWrite(5, HIGH); //CAT-M ON
  }

  //HTTP getリクエスト
  while(state == 5){
    if(Serial1.available()) {
      reply = Serial1.readStringUntil('\n');
      Serial.println(reply);
    }
    
    num++;
    
    if(reply.indexOf("SHREQ: \"GET\",200") >= 0) {
      state = 6;
      break;
    }else if(num >= retry){
      break;
    }
    delay(300);
  }

  //HTTPステート確認
  while(state == 4){
    if(Serial1.available()) {
      reply = Serial1.readStringUntil('\n');
      Serial.println(reply);
    }
    
    num++;
    
    if(reply.indexOf("SHSTATE: 1") >= 0) {
      state = 5;
      break;
    }else if(num >= retry){
      break;
    }
    delay(300);
  }
  
  //HTTP設定
  while(state == 31 || state == 32 || state == 33 || state == 34){
    if(Serial1.available()) {
      reply = Serial1.readStringUntil('\n');
      Serial.println(reply);
    }
    
    num++;
    
    if(reply.indexOf("OK") >= 0) {
      if(state == 31) state = 32;
      else if(state == 32) state = 33;
      else if(state == 33) state = 34;
      else if(state == 34) state = 4;
      
      break;
    }else if(num >= retry){
      break;
    }
    delay(300);
  }

  //基地局位置情報
  while(state == 2){
    if(Serial1.available()) {
      reply = Serial1.readStringUntil('\n');
      Serial.println(reply);
    }
    
    num++;
    
    if(reply.indexOf("+CLBS:") >= 0) {
      reply.replace(" ", "-");
      reply.replace("\r", "-");
      location = reply;
      state = 31;
      break;
    }else if(num >= retry){
      break;
    }
    delay(300);
  }

  //通信開始
  while(state == 1){
    if(Serial1.available()) {
      reply = Serial1.readStringUntil('\n');
      Serial.println(reply);
    }
    
    num++;
    
    if(reply.indexOf("ACTIVE") >= 0) {
      state = 2;
      break;
    }else if(num >= retry){
      break;
    }
    delay(300);
  }

  //AT導通確認
  while(state == 0){
    if(Serial1.available()) {
      reply = Serial1.readStringUntil('\n');
      Serial.println(reply);
    }
    
    num++;
    
    if(reply.indexOf("OK") >= 0) {
      state = 1;
      break;
    }else if(num >= retry){
      break;
    }
    delay(300);
  }
  

  Serial.println(state);
  //Serial.println(location);
  delay(1000);
}

void alarmMatch(){
  Serial.println("WakeUP");
}

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#include <EnergySaving.h>

#include "RTC_SAMD21.h"

#include "DateTime.h"

EnergySaving nrgSave;

RTC_SAMD21 rtc;

int state = 0;

int retry = 5;

String reply;

String location = "test";

void setup() {

Serial.begin(115200); //USBシリアル

Serial1.begin(115200); //ATコマンドシリアル

pinMode(5, OUTPUT);　//DCDC ENピン

digitalWrite(5, LOW);

rtc.begin();

Serial.begin(115200);

nrgSave.begin(WAKE_RTC_ALARM);

}

void loop() {

int num = 0;

//ATコマンド

switch (state) {

case 0:

Serial1.write("AT\r\n");

break;

case 1:

Serial1.write("AT+CNACT=0,1\r\n");

break;

case 2:

Serial1.write("AT+CLBS=4,0\r\n");

break;

case 31:

Serial1.write("AT+SHCONF=\"URL\",\"http://データ送信先サーバ\"\r\n");

break;

case 32:

Serial1.write("AT+SHCONF=\"BODYLEN\",1024\r\n");

break;

case 33:

Serial1.write("AT+SHCONF=\"HEADERLEN\",350\r\n");

break;

case 34:

Serial1.write("AT+SHCONN\r\n");

break;

case 4:

Serial1.write("AT+SHSTATE?\r\n");

break;

case 5:

Serial1.print("AT+SHREQ=\"/hoge?location=" + location + "\", 1\r\n");

break;

}

//通信後Sleep

if(state == 6){

digitalWrite(5, LOW); //CAT-M OFF

state = 0;

//RTC時刻設定

DateTime now = DateTime(2021, 1, 1, 0, 0, 0); //DateTime(年,月,日,時間,分,秒)

rtc.adjust(now);

now = rtc.now();

//RTCアラームセット

DateTime alarm = DateTime(now.year(), now.month(), now.day(), now.hour(), now.minute() + 1, now.second());

rtc.setAlarm(alarm);

rtc.enableAlarm(rtc.MATCH_HHMMSS);

//sleep

nrgSave.standby();

}

//5V Boost DCDC ON

if(state == 0){

digitalWrite(5, HIGH); //CAT-M ON

}

//HTTP getリクエスト

while(state == 5){

if(Serial1.available()) {

reply = Serial1.readStringUntil('\n');

Serial.println(reply);

}

num++;

if(reply.indexOf("SHREQ: \"GET\",200") >= 0) {

state = 6;

break;

}else if(num >= retry){

break;

}

delay(300);

}

//HTTPステート確認

while(state == 4){

if(Serial1.available()) {

reply = Serial1.readStringUntil('\n');

Serial.println(reply);

}

num++;

if(reply.indexOf("SHSTATE: 1") >= 0) {

state = 5;

break;

}else if(num >= retry){

break;

}

delay(300);

}

//HTTP設定

while(state == 31 || state == 32 || state == 33 || state == 34){

if(Serial1.available()) {

reply = Serial1.readStringUntil('\n');

Serial.println(reply);

}

num++;

if(reply.indexOf("OK") >= 0) {

if(state == 31) state = 32;

else if(state == 32) state = 33;

else if(state == 33) state = 34;

else if(state == 34) state = 4;

break;

}else if(num >= retry){

break;

}

delay(300);

}

//基地局位置情報

while(state == 2){

if(Serial1.available()) {

reply = Serial1.readStringUntil('\n');

Serial.println(reply);

}

num++;

if(reply.indexOf("+CLBS:") >= 0) {

reply.replace(" ", "-");

reply.replace("\r", "-");

location = reply;

state = 31;

break;

}else if(num >= retry){

break;

}

delay(300);

}

//通信開始

while(state == 1){

if(Serial1.available()) {

reply = Serial1.readStringUntil('\n');

Serial.println(reply);

}

num++;

if(reply.indexOf("ACTIVE") >= 0) {

state = 2;

break;

}else if(num >= retry){

break;

}

delay(300);

}

//AT導通確認

while(state == 0){

if(Serial1.available()) {

reply = Serial1.readStringUntil('\n');

Serial.println(reply);

}

num++;

if(reply.indexOf("OK") >= 0) {

state = 1;

break;

}else if(num >= retry){

break;

}

delay(300);

}

Serial.println(state);

//Serial.println(location);

delay(1000);

}

void alarmMatch(){

Serial.println("WakeUP");

}

以下のシーケンスでATコマンドをXIAOからUnitCatMに送っています。
　・AT導通確認
　・ネットワーク通信開始
　・基地局位置情報取得
　・HTTP設定
　・HTTPステート確認
　・HTTP 基地局位置情報を付与して getリクエスト

HTTP getリクエスト送信後はRTCアラームを設定してnrgSave.standby();でスリープに入ります。

ここではRTC時刻を2021年1月1日 00:00:00に設定し、
アラームを１分後の2021年1月1日 00:01:00として起床するようにしています。

位置情報サーバ送信→1分スリープ→起床→‥‥を繰り返します。

消費電流は Vin = 3.7Vで
　通信時：45~167mA
　Sleep時：1.55mA
でした。

通信頻度を抑えればかなり長期の運用が可能なのではないでしょうか。

おわりに

ついにコントローラの選定もでき、消費電力も抑えれそうなことがわかってきました。

次回はデータSIMを契約して長期の動作確認を実施したいと考えております。

M5Stack UnitCatM の消費電力とデータSIM契約

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