Nous l’avons vu dans l’article précédent, la ZiGate-Ethernet est un « couteau suisse » de la domotique. Initialement destiné à être une passerelle PiZiGate Réseau, il donne la possibilité d’être compatible aussi avec ses concurrents. Par exemple, vous pouvez désormais créer une RaspBee Ethernet si vous le souhaitez.

Toujours en gardant le firmware par défaut, nous allons voir comment créer une passerelle ZWave / Ethernet.

Vote :

 

Utilisation de OpenZWave

Pour résumé, le ZWave est un protocole radio qui utilise la fréquence 868Mhz (en Europe) dédié à la domotique. Il y a quelques temps, il semblait être le principal canal de communication pour la domotique chez les particuliers mais l’évolution du ZigBee a freiné son déploiement.

Pourtant réputé fiable, il n’a pas su prendre le tournant pour s’imposer principalement à cause des tarifs élevés des appareils, son évolution lente et sa licence contraignante. Cependant, il reste encore très répandu et beaucoup de maisons sont encore pilotés avec les dispositifs ZWave.

Côté matériel, il existe des clefs USB mais aussi des modules pour Raspberry Pi. Dans notre cas, nous allons utilisé le module Razberry pour RPI piloté par la librairie OpenZWave.

J’utilise une vieille version du Razberry mais le principe est le même pour les nouvelles versions.

Pour piloter le module, le principe est toujours le même, le contrôleur ZWave reçoit et envoie les commandes par l’intermédiaire d’un port série (UART TTL).

Cependant, comme il n’existe pas à ma connaissance de passerelle ZWave Ethernet, les outils domotiques n’ont pas été développé pour permette d’attaquer une adresse IP et port TCP.

C’est pour cette raison qu’il est nécessaire de faire des modifications côté box domotique.

Paramétrage

Côté ZiGate-Ethernet

Par défaut, tout est paramétré correctement sur la ZiGate-Ethernet.

Il suffit juste de brancher correctement le module ZWave sur les GPIOs comme suit : (Comme sur un Raspberry Pi)

Ensuite, vous pourrez alimenter, brancher sur le réseau et suivre le tutoriel pour le paramétrage du réseau.

Côté Box domotique

C’est dans cette partie que cela se corse. En effet, que ce soit sur Jeedom ou domoticz, il n’y a pas d’options pour utiliser le ZWave au travers d’une adresse IP. Seul le paramétrage d’un port série est possible.

L’objectif va être alors de créer un port série virtuel qui redirigera le trafic vers l’adresse IP et le port de la ZiGate-Ethernet.

Connectez-vous sur votre box domotique (sous linux) en ligne de commande:

Installation de socat

socat est un outil permettant de manipuler des sockets. Dans notre cas, il permet de faire le lien entre des sockets et un port série. Tous les flux (de manière bidirectionnelle) entre le port série virtuel et un port TCP seront alors relayés.

$ sudo apt-get install socat

Une fois installé, il suffit de lancer la commande suivante :

$ (sudo socat pty,link=/dev/ttyUSB2,user=pi,group=dialout,mode=660,ignoreof,waitslave tcp:<IP_de_la_ZiGate-Ethernet>:9999) &

/dev/ttyUSB2 : doit être un port non utilisé
<IP_de_la_ZiGate-Ethernet> : correspond à l’adresse IP de la ZiGate-Ethernet

Une fois la commande lancée, il suffit d’aller sur Jeedom ou Domoticz par exemple.

Jeedom

Pour Jeedom, il faut installer le plugin Z-Wave.

Ensuite, il faut aller dans le panneau : Configuration

Sélectionner le port Z-Wave (celui que vous aurez créé) puis sauvegarder

Il suffit ensuite de procéder comme pour une clef ou module classique.

Domoticz

Dans le cas de domoticz, il faut aller dans le menu Configuration –> Matériel puis sélectionner le type openZWave USB

Enfin sélectionner le port série /dev/ttyUSB2 (port virtuel de socat) puis cliquer sur Ajouter

Une fois ajouté, il est possible d’aller dans la configuration et observer que la communication se fait.

Conclusion

Bon bin voilà, après la gestion des modules ZigBee, il est désormais possible de piloter un contrôleur ZWave à travers Ethernet.

L’installation côté ZiGate-Ethernet est assez simple. Seule une petite modification est nécessaire sur les plateformes domotiques. Peut-être que les différents développeurs feront une petite modification pour permettre l’accès au ZWave directement par TCP/IP

La ZiGate-Ethernet n’a pas encore délivrée tous ses secrets. Dans un prochain article, je pense que je ferai un tutoriel pour une intégration ESPHome.

A bientôt !

Alors au départ, je voulais faire un article de tests sur les nouveaux produits Lidl dans la gamme domotique. Cependant, il en existe tellement et n’ayant pas la réactivité nécessaire, j’ai changé mon fusil d’épaule.

D’autant plus que tous les produits Lidl smart home silvercrest sont compatibles ZiGate ou avec les autres passerelles universelles.

Du coup, je suis plutôt parti sur un détournement de la passerelle.

Transformer la passerelle Lidl en ZiGate Ethernet !

L’objectif est bien entendu de faire POC (Proof Of Concept), de s’amuser mais en même temps de répondre à un besoin personnel.

 

Démontage et analyse

La première chose, quand on veut faire un détournement d’un objet, c’est de faire une analyse (ou reverse engineering) et pour cela, pas le choix, il faut démonter l’appareil pour observer ce qu’il contient.

Donc la première étape c’est de démonter la passerelle.

Le démontage n’est pas aisé, pas de vis mais des clips. Il faut alors « déclipper » le boitier mais très compliqué sans abimer (il y a un peu de colle je pense). Les non soigneux, s’abstenir

Une fois le capot enlevé, on va pouvoir analyser rapidement ce qu’il y a.

Commençons par la partie face :

En bleu : C’est le module Zigbee de chez tuya. le TYZS4 à base de Cortex-M4 EFR32MG1B232. Il permet de communiquer avec les objets en Zigbee.

En rouge : C’est le cerveau de la passerelle. Le Realtek RTL8196E. C’est lui qui va piloter le module Zigbee (par des commandes sur l’UART) et permettre la gestion complète de la passerelle.

En rose : C’est la mémoire RAM utilisée par le CPU. 32Mo de SDRAM. EM6AA160

En orange : C’est la mémoire flash utilisé par le CPU. 16Mo. GD25Q127

En bleu clair : C’est l’interface permettant de gérer l’Ethernet. H16107DF

En vert : C’est le connecteur permettant d’accéder à la console de la passerelle et de mettre à jour le module ZigBee.

Pour l’autre côté de la carte, c’est beaucoup moins intéressant… quoi que les inscriptions sont d’une aide précieuse :

En rouge : Ce sont les LEDs permettant d’avoir le statut de l’Ethernet et du ZigBee. A gauche le statut de l’Ethernet et à droite le statut du Zigbee.

On peut aussi observer sur cette partie, qu’il existe des inscriptions et on pourra remarquer les RX TX 3V3 et GND qui sont les points importants pour débuter le détournement.

Bon, du coup, en observant ce qui compose cette passerelle, on peut rapidement comprendre que nous avons à faire à un système embarqué probablement sous linux qui pilote un « modem » ZigBee.

Afin de prendre la main sur cette passerelle, il convient donc de trouver une porte d’entrée. Bien entendu, vous l’aurez compris, la console caractérisée par le RX/TX sera ce point d’entrée.

Avant de sortir l’artillerie lourde, il faut avoir le reflexe de chercher s’il n’existe pas déjà quelqu’un qui a fait le travail. Du coup, je me suis mis à chercher les travaux déjà existant sur la passerelle et je suis tombé sur l’article permettant de prendre la main sur cette passerelle.

Root de la passerelle

Un gros merci pour « PaulBanks » qui m’a fait économiser énormément de temps. En suivant scrupuleusement ces travaux, il a été très facile de prendre le contrôle de ma passerelle Lidl.

Du coup, je vous laisse aller lire l’ensemble de son œuvre et je vais résumer ce que j’ai fait afin de me permettre de casser le mot de passe root.

Tout d’abord, il faut s’occuper du connecteur pour aller chercher la console avec un convertisseur USB-TTL.

Orange = RX
Rouge = TX
Marron = GND

De l’autre côté un convertisseur USB-TTL. (n’oubliez pas de croiser RX / TX)

Ensuite, une fois connecté, il suffit d’ouvrir un hyperterminal (dans mon cas putty) sur le bon port (38400baud 8N1) et de démarrer la carte.

Pour pouvoir « rooter », il faut rentrer sur la busy-box (le bootloader) et pour cela il faut rapidement appuyer sur la touche « echap ». Donc on met hors tension puis sous tension et « echap ».

La prochaine étape consiste à lire des emplacements mémoires pour récupérer le mot de passe et la clef de chiffrement correspondante.

Vous aurez plus d’informations en suivant ce tutoriel.

Voici les premières commandes

FLR 80000000 401802 16
DW 80000000 4

Vous devriez récupérer les informations suivantes :

Clé de chiffrement (bien entendu avec des blocs différents):

80000000: XXXXXXXX YYYYYYYY ZZZZZZZZ AAAAAAAA

Puis :

 FLR 80000000 402002 32
 DW 80000000 8

Le mot de passe (sur 2 lignes)

80000000: BBBBBBBB CCCCCCCC DDDDDDDD EEEEEEEE
80000010: FFFFFFFF GGGGGGGG HHHHHHHH LLLLLLLL

Sauvegardez les 3 lignes puis récupérer le script python et suivez les instructions.

Vous devriez récupérer le mot de passe root en clair : Root password: b’XXXXXXXX‘

Une fois le mot de passe root décoder, vous avez accès à l’ensemble de la passerelle sur laquelle vous pourrez faire à peu près tout ce que vous voulez.

Une ZiGate Lidl ?

Bon, c’est une bonne chose de faite, nous pouvons désormais utiliser la passerelle Lidl.

La prochaine étape consiste à analyser et repérer comment fonctionne le module Tuya ZigBee pour le remplacer par une ZiGate

Analyse du module Tuya TYZS4

L’objectif ici est de repérer à quoi correspondent les différents PINs mais surtout l’interface UART. (En effet, pour piloter une ZiGate, on utilise une interface UART)

Pour cela, je suis allé sur le site Tuya pour récupérer la datasheet du module.

Une fois repéré, il faut maintenant dessouder le module.

2 solutions s’offrent à nous. En effet, ce module à deux lignes de PINs de part et d’autres donc c’est assez simple :

• soit on utilise un pistolet à air chaud.
• soit on charge en étain une ligne en faisant légèrement levier et ensuite on charge la 2ème ligne et le module se décolle.

Personnellement, j’ai pris la deuxième méthode mais elle est plus risquée pour les non avertis.

Ensuite on nettoie tout avec une tresse et un peu de flux et on obtient cela :

Premiers tests avec un module ZiGate

Une fois l’analyse faite, il suffit de brancher une ZiGate sur les bons PINs et de procéder à quelques tests pour s’assurer que tout fonctionne comme il le faut.

Avant de faire l’installation finale, il convient de souder quelques straps :

Ensuite on se connecte sur 2 consoles de la passerelle (à l’aide de SSH).

Sur l’une on tape les commandes suivantes (réception de port série) :

$stty -F /dev/ttyS1 speed 115200 cs8
$ cat /dev/ttyS1

Sur l’autre console :

$ echo -ne '\x01\x02\x10\x10\x02\x10\x02\x10\x10\x03' > /dev/ttyS1

Une fois la commande lancée, vous devriez avoir sur la première console une réponse. Alors malheureusement, vous verrez des caractères spéciaux car c’est de l’hexadécimal et qu’il n’y a pas d’outil du type hexdump sur la passerelle.

Mais ça suffit pour valider que cela communique bien.

La passerelle Ethernet / Série

Pour que la passerelle Lidl se transforme en passerelle ZiGate, il faut procéder de la même façon que la ZiGate-WiFi. En effet, il faut que les requêtes TCP/IP soit transmises au port série et inversément. Pour cela, il faut utiliser les outils Ser2Net ou Socat mais dans notre cas, il faut développer soi-même le programme.

En soi, ce n’est pas très complexe et en plus, ça a déjà été développé.

Grâce a paulbanks et Ordspilleren, tout a déjà été fait, il n’y a plus qu’à suivre le tutoriel suivant et télécharger les sources.

Contrairement au tutoriel, j’ai utilisé la fonction tftp pour transférer le fichier serialgateway.

On choisit, le répertoire où se trouve le fichier à transférer puis on sélectionne la bonne interface réseau.

Enfin sur la console de la passerelle on tape la commande suivante :

$ cd /tuya
$ tftp -gr serialgateway <ip de votre machine>
$ chmod +x serialgateway

Ensuite, il suffit de reprendre le tutoriel pour changer les scripts de démarrage pour l’adapter à la nouvelle passerelle. Attention, dans notre cas et pour coller à la ZiGate-WiFi, il faut changer le port par défaut : 9999

if [ ! -f /tuya/tuya_start.original.sh ]; then cp /tuya/tuya_start.sh /tuya/tuya_start.original.sh; fi

cat >/tuya/tuya_start.sh <<EOF
#!/bin/sh
/tuya/serialgateway -d/dev/ttyS1 -p9999 -f &
echo 1 > /proc/led1
EOF
chmod 755 /tuya/serialgateway

if [ ! -f /tuya/ssh_monitor.original.sh ]; then cp /tuya/ssh_monitor.sh /tuya/ssh_monitor.original.sh; fi
echo "#!/bin/sh" >/tuya/ssh_monitor.sh

Une fois effectué, vous pouvez redémarrer la passerelle et faire le même test que le tutoriel pour la ZiGate-WiFi …sauf qu’il faudra mettre la bonne adresse IP (celle de la passerelle Lidl)

Modification hardware

Pour que le hack soit complet, j’avais dans l’idée de rajouter une antenne externe pour augmenter les performances et de brancher la LED de statut ZigBee à la ZiGate.

Concernant l’antenne externe, pas de problème, il suffit de prendre une module ZiGate avec connecteur uFL.

Pour la LED de statut, j’ai un peu triché, j’ai dessoudé la résistance de pull-up de la LED de statut et j’ai connecté le GPIO17 de la ZiGate sur cette dernière. J’ai du rajouter dans le script de démarrage la ligne :

echo 1 > /proc/led1

Repérage des LEDs statut Zigbee

Montage de la ZiGate sur la passerelle Lidl

Ajout de l’antenne externe et fermeture du boitier

Mise sous tension et réseau de la nouvelle ZiGate Ethernet

Une fois démarré, il suffit de paramétrer votre box domotique compatible comme une ZiGate-WiFi. il faut rentrer l’adresse IP et le port 9999.

Vous avez désormais une ZiGate Ethernet compatible Jeedom / Domoticz ou Home-assistant.

\o/

Conclusion

La catégorie détournement et hack font partis de mes articles préférés et je prend beaucoup de plaisir à vous partager mes découvertes.

Cependant, ce détournement me permet aussi d’utiliser une ZiGate sur Ethernet. (utile pour mes plateformes de tests)

Alors, je vous avez déjà proposé un tutoriel pour construire la même chose avec un RaspberryPi, mais dans ce cas précis, on a une passerelle plus aboutie et qui ne risque pas de planter à cause d’une carte SD. C’est du solide !

Enfin l’objectif de cet article n’est pas de reproduire en série mais bien de s’amuser « utile » et d’apprendre comment fonctionne ce genre de matériel.

J’espère que ces travaux vous auront plu et que vous avez avez pu apprendre 2-3 trucs.

A bientôt !

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

Si vous tombez sur cet article sans avoir lu la 1ère partie, vous allez être peut-être perdu, alors commencez par le commencement en lisant depuis le début.

Dans cette partie, nous allons rentrer dans le vif du sujet. La conception du produit.

Je vais tenter de vous expliquer comment faire une schématique, avec quel outil et quels sont les recommandations à suivre.

 

La schématique

Alors, faire des schémas, c’est sympa mais ça a surtout une grosse utilité. Grâce à la schématique, on va mettre à plat les composants que l’on va utiliser ainsi que leurs liens (les pistes) pour communiquer entre eux.

Il existe, bien entendu, différents outils pour élaborer une schématique mais, personnellement, j’ai choisi d’utiliser Eagle CAD car il répond à mes attentes.

Utilisation de Eagle CAD

La version que j’utilise est une version limitée et gratuite mais ce qui est inclus est suffisant:

• Utilisation de 2 couches max (TOP et BOTTOM)
• Aire de 80cm² max de surface de travail

Pour le moment, ces limitations ne m’ont jamais bloqué mais peut-être qu’à terme, ça sera le cas. Il faudra compter 300€ / an si je souhaite évoluer.

Bon, je ne suis pas naïf et leur stratégie est assez limpide. Dans un laps de temps inconnu, Ils risquent de limiter les fonctionnalités (comme Fusion360) et je serai obligé de franchir le pas ou changer d’outil.

Je vous passe bien évidemment les étapes d’installation et de création de projet. Je vous conseille de suivre les tutoriels. Il en existe quelques un sur la toile mais celui de Sparkfun est plutôt bien fait et très complet.

1ère étape

Bon je vous passe l’installation du logiciel, la création du projet et la création de la schématique, ça n’a pas d’intérêt ici… Partons du principe que votre feuille est ouverte et que vous êtes prêt à travailler.

Dans un premier temps, il faut déposer sur votre feuille tous les composants dont vous aurez besoin.

Pour cela, il faut cliquer sur l’icône de la barre d’outil suivant :

Alors c’est là que cela devient intéressant… pour avoir accès aux composants, il faut importer des librairies. Par défaut, il existe quelques composants mais vous serez rapidement limités.

Les librairies

Heureusement, la communauté de Eagle CAD est assez importante et il existe énormément de librairies assez complètes. Je vais vous en recommander quelques unes. D’ailleurs, les meilleures librairies sont souvent élaborées par les vendeurs ou concepteurs d’électronique. En effet, en vous facilitant la tâche, cela vous permettra de passer par eux pour l’achat des composants ou la conception de vos cartes électroniques.

Voici les librairies que j’utilise le plus :

• Sparkfun
• Seeed studio
• Adafruit

Une fois téléchargé, il vous suffit de déposer tous les *.lbr dans le répertoire : « c:/<chemin_install_eagle>/lbr/ »

Ensuite, il faut charger les librairies dans le menu « Library » –> « Manage libraries » –> onglet « Available » –> « Browse » –> Sélectionner les librairies et cliquez sur « Use »

Une fois seulement après, elles apparaîtront dans votre bibliothèque.

Conception d’une librairie

La plupart du temps, on trouve, en cherchant sur Internet (il suffit souvent de taper dans google, le nom du composant et le mot clef lbr), la librairie du composant que l’on cherche mais il arrive que ce ne soit pas le cas (souvent parce qu’il n’est pas trop répandu/utilisé).

Et dans notre cas, c’est le module LoRa que je n’ai pas trouvé… Du coup, hé bien, on perd un peu de temps pour se le faire soi même.

Comme souvent, on ne part pas de zéro, et on vient exploiter une librairie qui existe déjà. Pour se faire, il est préférable de partir d’une librairie existante ayant le même boitier que votre composant. Malheureusement, ce n’est pas toujours possible aussi.

Eagle CAD offre la possibilité de concevoir sa propre librairie. Voici à quoi cela ressemble

L’outil est divisé en 3 parties :

• Device : C’est la fenêtre qui permettra d’avoir le visuel complet du composant
• Package : Permet de concevoir le design du composant (les empreintes)
• Symbol : C’est simplement la schématique du composant avec les fonctions de chaque PIN

En général, je commence par concevoir avec les bonnes côtes le design du composant :

Ensuite, je m’occupe de faire la schématique et « désigner » les fonctions de chaque PIN.

Bien entendu, tout cela ne se fait pas au hasard. Il est indispensable de suivre la datasheet du composant.

Enfin on associe les fonctions aux PINs physiques :

Une fois terminé, vous pouvez sauvegarder votre librairie et refaire les étapes d’importation (voir plus haut) dans votre Eagle CAD.

Voici la librairie pour ceux qui veulent utiliser le module. E78-868LN22S

Dépôt des composants

Voilà, vous avez listé tous les composants et ils sont tous disponibles dans votre bibliothèque. Il ne reste plus qu’à les déposer dans votre feuille comme suit :

Vous êtes enfin prêt à concevoir votre schéma électronique. On retrouve bien :

• Le connecteur USB-A
• Le driver USB-TTL / Régulateur
• Le module LoRa
• Le connecteur SMA (pour l’antenne)

Tout le reste correspond aux composants passifs. J’ai pour habitude d’utiliser uniquement des composant CMS de taille 0603 (package). Cela me permet de pouvoir gagner de la place mais aussi pouvoir reprendre des soudures sans trop galérer. Tout est dans le compromis…

Assembler les composants

Dans cette partie, l’objectif est simple. Il faut faire communiquer les composants que l’on a déposé. Pour cela, il est INDISPENSABLE d’utiliser les datasheet (je le répéterai jusqu’à vous souler ;)). En effet, toutes les informations utiles au bon fonctionnement de chaque élément se trouve dans ce document.

En plus des caractéristiques, souvent, il y a des exemples de mise en situation. Il convient donc de s’en inspirer.

Bon dans notre cas, il y a pas de grosses complexités. Voici les liens simples pour relier tous les composants.

Rien de particulier dans ce schéma, on relie les alimentations et les masses des composants puis les signaux D+ et D- du connecteur USB et enfin le RX / TX pour la communication entre le pilote USB et le modem LoRa. N’oubliez pas d’inverser les signaux de l’interface série. Le TX avec le RX et inversement.

Là, nous sommes dans le fonctionnement logique mais si vous en restez là, c’est que vous n’avez surement pas lu les spécifications des composants ou que vous ne maîtrisez pas encore le domaine de l’électronique.

Ce qu’il faut savoir, c’est que chaque composant à besoin d’être plus ou moins configuré pour être stable. Quand on parle de stable, c’est des signaux et une alimentation sans perturbation. Si on construit, en l’état, la carte électronique, elle fonctionnera surement (quoique) mais si vous espionnez les signaux ou l’alimentation à l’aide d’un oscilloscope, vous verrez surement des perturbations.

Pour le cas des modules prêts à emploi (comme le E78-868LN22S), ne vous laissez pas berner, s’il n’y a rien à rajouter, c’est que c’est déjà intégré DANS le module.

Voici le nouveau schéma après avoir respecter les datasheet.

Le découplage + antiparasite

Principalement, nous avons rajouté des condensateurs de découplage. Cela permet de limiter le « couplage » entre l’alimentation et le signal. Grossièrement, les condensateurs de découplage permettent de lisser l’alimentation et encaisser les perturbations possibles des signaux.

On peut voir aussi que la datasheet recommande une ferrite sur l’alimentation. Cette ferrite est un antiparasite et permet d’absorber des énergies des hautes fréquences.

Les signaux et filtres

Alors là, on passe dans des concepts beaucoup plus complexes. Ce dont je m’aperçois dans le domaine, c’est qu’il y a la théorie (qui est magnifique) et la pratique. A force de pratiquer et d’exercer, on s’aperçoit que, dans chaque situation précise, on utilise toujours les mêmes concepts.

Dans notre cas les filtres vont permettre d’éliminer des fréquences parasites. Pour filtrer, normalement, il faut utiliser le couple résistance + condensateur mais dans le cas de ce projet, les valeurs sont tellement basses que seules les condensateurs sont utiles.

Alors je ne suis pas du tout spécialiste (domaine ultra complexe) et je ne suis que certains conseils… et la datasheet :). Il est parfois utile de suivre la schématique de projet équivalent de constructeur qui ont passé les normes et passé leur design en test… Mais ce n’est pas toujours facile de trouver ce qu’on veut.

Pour les signaux RX / TX, je ne rajoute rien car sur la datasheet du module, les recommandations ne spécifie pas de rajouter un filtre. Ils recommandent une connexion directe… Comme préciser plus haut, tout doit être intégré dans le module.

Adaptation d’antenne

L’adaptation est un domaine complexe, tellement complexe que je vais consacrer un article entier à ce sujet.

En effet, il ne faut pas croire qu’en mettant simplement une antenne 868Mhz, une fois assemblée, l’antenne résonne à la bonne fréquence. Pour anticiper l’adaptation d’antenne, il faut rajouter un réseau de condensateurs et d’inductances afin de pouvoir trouver le bon paramétrage. Voici à quoi cela ressemble ce réseau.

Pour le moment, on ne met que les empreintes… on ne connait pas encore les valeurs et seront déterminés par les travaux d’adaptations.

Ces composants seront dans un boitier différent (0402) car je n’ai que des composants d’adaptations uniquement dans cette version.

Le design de la LoRaGate

Bon ça y est, pour le moment le schéma est fonctionnel. Il est alors temps de passer au design de la carte.

Bien entendu, rien ne vous empêchera de repasser sur la schématique pour corriger (et c’est toujours le cas :)). Pour passer dans la partie « design », il faut cliquer sur l’icone suivante de la barre des menus.

Et une nouvelle fenêtre apparaîtra … avec tous les composants :

La partie « design » et l’une des parties que je préfère le plus car c’est le moment où la conception prend vie. Il y a bien entendu des règles à suivre pour que tout fonctionne correctement et c’est ce que nous allons voir dans le prochain article.

Afin de commencer le placement des composants, la première des choses à faire est de délimiter les bords de carte. Autrement dit, il faut choisir la taille que doit faire la carte électronique.

Si vous êtes dans l’optique de faire une carte nue, pas de problème … vous choisissez les dimensions que vous souhaitez et c’est assez vite réglé… mais si vous voulez placer la carte dans un boitier, c’est une autre histoire.

Dans le cas du projet, j’ai choisi un boitier pour être plus propre et après mûres réflexions, j’ai choisi ce boitier :

Alors pour les connaisseurs, cela vous rappellera la ZiGate-USB mais c’est le modèle plus petit, le 1551USB2TSK. Il convient parfaitement aux dimensions (et fonctions) de la carte et permettra de faire ressortir le connecteur SMA.

Bref, nous allons partir sur ces dimensions pour concevoir la carte électronique. (voir la datasheet)

L’objectif va être de faire rentrer tous les composants dans le rectangle blanc (représentant les bords de la carte)

Conclusion

Dans cette partie, on est bien rentrée dans le vif du sujet. J’ai passé sur les grosses explications des concepts en électronique mais j’ai essayé de communiquer rapidement ma méthode pour la conception de carte électronique.

En fait, je me suis fait un peu piéger par la masse d’informations et je suis bien conscient que pour un débutant, ça peut paraître imbuvable et pour un pro pas assez détaillé (d’ailleurs n’hésitez pas à me dire en commentaire si c’est trop ou pas assez précis).

Pour la prochaine étape, on va voir comment placer les composants, optimiser leur position et tout faire rentrer dans le boitier.

A bientôt !

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

Bon, cet article n’est pas en soi une nouveauté, mais il est plutôt un complément de l’article précédent. Donc, si vous ne comprenez pas tout ou qu’il manque des choses, faites un saut sur le lien.

D’ailleurs, vous avez pu voir que le détournement en question avait un défaut. Il n’était pas vraiment adapté à la piscine mais plutôt au domaine de l’agriculture… Du coup, j’ai reacheté (grâce à vos liens … merci ) le bon capteur étanche pour le Xiaomi Aqara.

Capteur à choisir : SHT20
URL : https://fr.aliexpress.com/item/32905069890.html
Prix : ~= 13€

En suivant, le même principe décrit dans l’article du détournement, le capteur fonctionne très bien dans l’eau.

 

Konke, un capteur plus adapté

Comme vous le lisez souvent dans mes articles, Xiaomi est pour moi une super marque que j’adore détourner. Cependant, elle a pour mon cas personnel un gros problème de stabilité de connexion. Il faut que le maillage zigbee et la distanciation soit maîtrisée. Du coup, pour mon cas personnel, par rapport à la piscine, ça ne va pas et les déconnexions sont trop nombreuses car la piscine est trop éloignée de ma ZiGate.

Pour résoudre mon problème, j’ai testé quelques autres capteurs et le capteur Konke semble mieux fonctionner (il faut juste penser à paramétrer son canal zigbee sur 15, 20 ou 25)

J’ai donc suivi le même mécanisme de détournement et voici le résultat:

Voici le capteur démonté, on repère en haut à droite le capteur de température / humidité SHT20. La seule « difficulté » est de dessouder ce capteur. Personnellement, je le fait avec un pistolet à air chaud.

Une fois dessoudé, il faut repérer les pattes SDA et SCL. (en suivant la datasheet) Pour cette fois, il est possible de souder les straps (petits fils) directement sur l’emplacement du capteur.

(SCL à gauche et SDA à droite)

Voilà le plus dur est fait !

Il ne reste plus qu’à souder le capteur étanche SHT20 ( vous pouvez l’acheter sur le même lien qu’en haut en sélectionnant SHT20)

Pour l’alimentation du capteur, j’utilise exactement le même principe que dans l’article précédent.

(l’étiquette sur le capteur donne la correspondance couleur / fonction)

A partir de cette étape, il faut tester que tout fonctionne avant de figer mécaniquement l’ensemble (Appairage et remonter de température + humidité)

Si tout est OK, on bloque avec de la colle chaude.

Enfin, on appaire le capteur à la ZiGate et on remet tout dans son boitier étanche.

Pensez à disposer l’antenne vers le haut, c’est toujours mieux.

On revisse enfin l’ensemble et c’est fait ! plouf dans la piscine

Conclusion

Bon finalement, cela ne s’est pas fait du premier coup. Il a fallu quelques échecs pour arriver à ses fins. Cependant, il reste encore une étape pour atteindre la « perfection », c’est rajouter un bouton étanche au boitier, pour piloter le bouton d’appairage.

Avec ce capteur Konke, je n’ai plus eu de problèmes et cela fait 2 semaines qu’il est en test sans déconnexion. (Du coup, le bouton n’est plus indispensable)

Normalement, la pile CR123A devrait tenir dans les 3 ans … je vous tiendrai au courant … si je fais encore des articles

La précision du capteur est toujours bonne. Les capteurs Sensirion ont, en général, une bonne précision et j’ai pu remarqué un décalage de 0.15 °C par rapport au DS18B20 que j’utilise en parallèle.

Bref, ce hack a souvent été demandé et c’est chose faite… A vous de jouer maintenant !

A bientôt !