beelogger

beelogger-Solar – LTE-Shield (SIM7600E)

LTE steht für ‘Long Term Evolution’ und ist der Standard der vierten Generation (‘4G’) für digitale Moblfunknetze.

Um mit dem beelogger-Solar das Mobilfunknetz zu nutzen und die Messwerte praktisch unabhängig von der kabelgebundenen Infrastruktur an den Webserver zu senden, kann das LTE-Modul genutzt werden. Um dieses während der Schlafphase des beelogger komplett von der Stromversorgung zu trennen, kommt zusätzlich eine kleine Schaltung zum Einsatz. Aufgebaut mit einer Lochrasterplatine, kann das LTE-Shield auf die Buchsenleisten des beelogger-Solar aufgesteckt werden. 

 

LTE-Modul SIM7600E

Für den beelogger-Solar kommt ein LTE-Modul mit SIM7600E-Chip zum Einsatz, welches Sprachanrufe, SMS und Internetbetrieb unterstützt. Das SIM7600E-Modul (Breakout-Board) benötigt eine Spannung von ca. 6 – 8V. Über eine serielle Schnittstelle kann mit dem Modul über AT-Befehle kommuniziert werden. Obwohl beim SIM7600E Breakout-Bord angegeben ist, dass dieses mit einem Logikpegel von 3,3V kompatibel ist, haben wir Serienwiderstände in die RX/TX Leitungen eingefügt.

Beim Kauf des Moduls sollte darauf geachtet werden, dass eine externe Antenne mit Anschluss an die MCX-Buchse mitgeliefert wird. Hier im Bild:  die einfache Antenne auf Leiterplattenbasis.
Im Internet finden sich unter dem Suchbegriff “LTE Antenne selber bauen” Bauanleitungen für eine Spezialantenne.
Der Anschluss einer GPS-Antenne ist nicht erforderlich.

 

SIM-Karte

Für die Verbindung ins Mobilfunknetz ist eine aktive SIM-Karte (MicroSim) mit LTE-Datentarif notwendig. Aus Sicherheitsgründen ist eine Prepaid-Karte zu empfehlen, da die Karte nicht mit einem Pin-Code genutzt werden kann. Sollte die SIM-Karte einen Pin-Code besitzten, muss dieser über ein Mobiltelefon zuvor gelöscht werden. Eine kostengünstige Möglichkeit bietet eine Internet-Flatrate auf Volumenbasis. Das Volumen spielt praktisch keine Rolle, wenn auch nach dem Verbrauch des Volumens, weiterhin das Internet mit gedrosselter Geschwindigkeit genutzt werden kann.

Über diverse Portale im Internet können die aktuell günstigsten Tarife schnell ermittelt werden. Berücksicht werden sollte neben dem Preis auf jeden Fall auch die Netzabdeckung im gewünschten Einsatzgebiet. 

Es ist darauf zu achten, dass die SIM-Karte richtig herum in das Modul eingelegt wird. Hierzu muss der Deckel in Richtung Antennenanschluß geschoben werden und die SIM-Karte mit den Kontaktflächen zur Platine eingelegt werden. Der Verschluß wird dann über die Karte geklappt und in Richtung USB-Anschluß geschoben – bis er leicht einrastet.

Bezug:

Bild Bezugsquelle Preis
Suchbegriffe*  Bemerkungen

 SIM7600E Breakout Bord Unterseite

SIM7600E Breakout Bord Oberseite

Internet,
Aliexpress
ca. 30€ SIM7600E

SIM7600E -L1C (4G Cat 1)
oder
SIM7600E -H1C (4G Cat 4),
inkl. externe Antenne, Versorgungsspannung 5 -10V

Hersteller:
AND TECHNOLOGIES
www.and-global.com

SIM – Karte diverse     siehe Text oben

 

 

LTE-Shield Aufbau

Das LTE-Shield auf Basis einer Lochrasterplatine besteht im wesentlichen aus den Serienwiderständen für die RX/TX-Signale zwischen SIM7600E und ATMega sowie der schaltbaren Stromversorgung und einem Step-Up-Modul.

Alternativ steht ein Shield zur Verfügung:


Gerber-Daten für die Platine mit SMD-Bauteilen (ausser C1) auf Anfrage.

Damit das Step-Up-Modul bzw. das SIM7600E-Modul den Akku während der Schlafphase nicht belastet, werden diese über einen P-Kanal-MOSFET vom Strom getrennt. Optimiert wird die Stromeinsparung durch einen zusätzlich vorgeschalteten Transistor.

Für eine stabile Funktion kann jedoch nicht ein beliebiger MOSFET verwendet werden. Da die Nennspanung des LiIon-Akkus 3,7V beträgt und das Step-Up-Modul eine minimale Spannung von 3,5V für einen stabilen Betrieb benötigt, muss der Innenwiderstand des MOSFET im durchgeschalteten Zustand (RDSon) möglichst gering sein, um die Spannungsverluste minimal zu halten.
Zudem sollte die notwendige Steuerspannung (UGSth) möglichst gering sein, um auch im Akkubetrieb bei 3,5V komplett durchzuschalten.

Bezug

Bild Bezugsquelle Preis ab Suchbegriffe*  Bemerkungen
 Lochrasterplatine eBay 6,00€
(5 Stück)

Lochrasterplatine 5×7 doppelseitig

Lochrasterplatine 5×7, Lötpads auf beiden Seiten
alternativ:
LTE-Shield
Smart Prototyping, Elecrow ab 4,15€ (10 Stück) + Versand  Platinenbestellung  
Stiftleisten eBay, reichelt 1,00€ Pin Header Male,
RM 2,54mm, Höhe 8,5mm
vergoldet

4 Reihen je 16 Stück

2×16 polig 2 Stück

Buchsenleisten eBay, reichelt 1,00€ Pin Header Female,
RM 2,54mm, Höhe 8,5mm
vergoldet

4 Reihen je 16 Stück

2×16 polig 2 Stück

  eBay 1,00€
(10 Stück)
adapter SO-8 optionale Adapterplatine für den MOSFET auf 2,54 mm Rastermaß

*Einkaufstipps

Werden die Bauteile für die Hauptplatine des beelogger-Solar, wie bereits unter ‘beelogger-Solar – Bauteile & Bezug‘ beschrieben, über Mouser bezogen, könnten einige Bauteile für das GSM-Shield gleich mitbestellt werden. Hierfür ist eine Teilenummer (Bestellnummer) von Mouser angegeben, die optional für eine einfache Bestellung der Bauteile verwendet werden kann. 

Lochrasterplatine

Bauteile

Spezifikation Bemerkungen Anzahl pro Platine

IRLIB9343PBF

alternativ (SMD):
DMP4015SK313DII
STD26P3LLH6

Ugs < 2V,
RDSon <= 100mOhm,
IDS >10A

reichelt-elektronik

1
BC547C / BC548C   reichelt
BC547C / BC548C
1
Widerstand 2K2 (R1, R5) Widerstand, 2,2k, Axial, max. 5%, min. 100mW reichelt 1W 2,2K 2
Widerstand 150 (R2, R3, R4) Widerstand, 150, Axial, max. 5%, min. 100mW reichelt 1W 150 3
Widerstand 10K (R7) Widerstand, 10K, Axial, max. 5%, min. 100mW reichelt 1W 10K 1
Widerstand  (R6) entfällt    
Kondensator 470uF (C1) 470uF Electrolytic Capacitor low esr 105°C, radial, min. 10V,
Rastermaß 5mm
reichelt
FR-A 470U 10/25/35
alternativ: EB-A 470U 10/25/35
1
Step-Up-Modul / Converter Step-Up-Converter mit
LM2577 oder MT3608
Fertigmodul

Achtung: keine Module mit XL6009 verwenden.

Internet, diverse:
LM2577 Modul
alternativ:
MT3608 Modul
1

 

LTE Shield

Bauteile

Spezifikation Bemerkungen Anzahl pro Platine

Q2: MOSFET P-Ch
DMP4015SK313DII
STD26P3LLH6

Ugs < 2V,
RDSon <= 100mOhm,
IDS >10A

reichelt-elektronik:
DMP4015SK313DII
STD26P3LLH6

mouser:
511-STD26P3LLH6

1
Q1, Transitor: BC847C / BC848C Tranasitor BC847/8C, SOT-23 reichelt:
BC847C / BC848C

mouser:
863-BC847CWT1G

1
Widerstand 2K2 (G-R1, G-R5) Widerstand, 2,2k, SMD Bauform 0805, max. 5%, min. 100mW

reichelt smd 0805

mouser:
667-ERJ-6GEYJ222V

2
Widerstand 150 (G-R2, G-R3, G-R4) Widerstand, 150, SMD Bauform 0805, max. 5%, min. 100mW

reichelt smd 0805

mouser:
667-ERJ-6GEYJ151V

3
Widerstand 4K7 (G-R7) Widerstand, 1k, SMD Bauform 0805, max. 5%, min. 100mW

reichelt smd 0805

mouser:
667-ERJ-6GEYJ472V

1
Kondensator 470uF (C1) 470uF Electrolytic Capacitor low esr 105°C, radial, min. 10V,
Rastermaß 3,5mm

reichelt
FR-A 470U 10/25/35
alternativ: EB-A 470U 10/25/35

mouser:
667-EEU-FR1A471B

1
Widerstand, optional:
10 Ohm (H-R1)
Widerstand, 10, SMD 0805, max. 10%, min. 100mW reichelt smd 0805

mouser:
603-MFR-25FBF52-10R

1 für HX711
Kondensator, optional:  10uF (H-C1, H-C2) Keramikkondensator, 10uF, SMD 0805, NPO oder X7R oder X5R, min. 10V, max. 10%

reichelt smd 0805

mouser:
81-GRM21BR61C106KE5K

2 für HX711
optional, wenn nicht auf Solar-Platine:
EEPROM

32kB: AT24C256

reichelt:
ST 24C256 MN6

mouser:
579-24LC256T-I/SMG
1, optional
Step-Up-Modul / Converter Step-Up-Converter mit
LM2577 oder MT3608
Fertigmodul

Achtung: keine Module mit XL6009 verwenden.

Internet, diverse:
LM2577 Modul
alternativ:
MT3608 Modul
1

 

Beschaltung und Aufbau

Versorgt wird das SIM7600E-Modul über einen Step-Up-Regler. Dieser wird versorgt über Pin ‘D’ des MOSFET. Vin- und Vout- des Step-up-Modul sind mit zu Bat- bzw. GND verbinden. Die Batterie (Bat+) ist direkt mit ‘S’ des Mosfet zu verbinden. Zur Schaltung des MOSFET über Pin ‘G’ wird ein NPN-Transistor verwendet. Dieser ist notwendig, um den Stromverbrauch im Sleep-Mode auf den bekannten minimalen 8uA des beelogger-Solar zu halten. Der Transistor selbst wird über Pin A2 des Arduino angesteuert. Für einen optimalen Betrieb ist bei der Beschaltung des MOSFET darauf zu achten, dass alle gleichen Pins des MOSFET miteinander verbunden sind (wie in der Grafik). Hierzu kann einfach nur mit Lötzinn oder zusätzlich auch mit einem Kupferkabel gearbeitet werden.

SIM7600E beelogger-Solar / Shield
VCC Vout+ des Step-Up-Modul
R = RXD D9
T = TXD D8
A2 – Ansteuerung MOSFET
G = GND, beide Anschlüsse GND und Vout- des Step-Up-Modul

 

Schaltbild des Lochrasteraufbau:

Schaltbild LTE-Shield komplett mit Step-up-Regler

 

Lochrasterplatine

Für den einfachen Aufbau des LTE-Shields für den beelogger-Solar ist eine Lochrasterplatine mit einem Rastermaß von 2,54 mm erforderlich. Um das Shield mit den inneren Buchsenleisten des beelogger-Solar verbinden zu können, sind mindestens 22 Löcher pro Reihe notwendig. Hierfür kann eine Standard-Lochrasterplatine entsprechend zugeschnitten werden. Um ein wenig Arbeit zu sparen, können auch bereits passende Platinen in unterschiedlichen Ausführungen und Qualitäten erworben werden. Für unsere Dokumentation verwenden wir eine doppelseitige Lochrasterplatinen mit den Abmessungen 5 cm x 7 cm. 

Um die Platine als Shield mit dem beelogger-Solar zu verbinden, werden Pin- oder Buchsenleisten eingesetzt. Für eine optimale Verbindung mit der Buchsenleiste sollte die Ausführung mit langen Pins verwendet werden.

Um den FTDI-Adapter (trotz aufgestecktem LTE-Shield) ohne Probleme verbinden zu können, sollten die Buchsen für ‘Reset’ und ‘D2’ (‘Taster’) des beelogger-Solar nicht durch das Shield belegt werden. Hierdurch bleibt der FTDI-Header zugänglich und wird nicht von der Lochrasterplatine verdeckt.

beelogger Solar Seitenansicht mit Pinleiste für das Shield

Vor dem Verlöten der Pinleisten ist bei der Ausrichtung der Lochrasterplatine darauf zu achten, dass die Schraubklemmen möglichst auf beiden Seiten zugänglich bleiben. Dies erleichtert die Arbeiten am beelogger-Solar.

 Lochrasterplatine über beelogger-solar-Platine

Auf einer doppelseitigen Platine können die Verbindungen sehr schnell mit Kupferdraht vorgenommen werden. Wichtig dabei ist, dass die Leitungen mit zusätzlichen Lötpunkten fixiert werden, damit es zu keinem Kurzschluss kommen kann.

 Prototyp LTE Shield mit Step-Up-Wandler

 

Vor dem ersten Aufstecken des SIM7600E Modul muss die Ausgangsspannung des Step-Up-Modul mit dem Potentiometer auf dem Modul auf ca. 6,0 Volt eingestellt werden.
Das Einschalten des Pin A2 kann über den  Test-Sketch erfolgen.

Beim Aufstecken des LTE-Shields ist darauf zu achten, dass die Pins in die korrekten Buchsen gesteckt werden.
Um Fehler durch falsches Aufstecken zu vermeiden, kann auf einfache Weise eine mechanische Kodierung erfolgen. Dazu den Stfit für D4 der Stiftleiste mit einem Seitenschneider abkneifen. Das abgekniffene Stiftstück in die Buchsenleiste D4 stecken.

 

 

 

Zur mechanischen Sicherung empfiehlt es sich das SIM7600E Breakout-Bord mit einer Gewindeschraube auf dem Shield-Modul abzustützen. Hierfür stehen im Breakout-Bord zwei Bohrungen zur Verfügung.

Der beelogger-Solar mit dem fertig aufgebauten LTE-Shield wird mit dem  Test-Programmcode überprüft.

beelogger-solar mit LTE-Shield und aufgestecktem SIM7600E