LoRaモジュールLRA1だけでLチカをやってみる

LRA1 は単なる通信モジュールだけではなく、モジュール単体でプログラムを実行できる機能を持っています。加えてI/Oポート(GPIO)がユーザーに開放されているので、これらをプログラムで制御することで外部のマイコンを使わないでIoTデバイスを組むこともできます。この記事ではその特長を生かしてLEDをチカチカすることをやってみたいと思います

本記事は書いてから時間が経ってしまいましたので、以下URLの新しい記事を参考にするのが良いかもしれません (@Shachi-lab さんの記事）

• https://qiita.com/shachi-lab/items/04f45a27470bcb9df7c0
• https://qiita.com/shachi-lab/items/d880570c4accdc5c85c9

プログラム言語はBASICです。懐かしいと思った方もいらっしゃると思います。MSXというテレビに繋いで使う家庭用のパソコンが流行った頃があって、その中に使われていたのがBASICです。現在のVisual Basicやエクセルで使われているVBAにもBASICという名前が入っていますが、親戚なので若干似ている所があるかもしれませんが別物と考えていた方がいいでしょう

BASICについて

BASICの使い方やコマンドなどは LoRaモジュール資料 の ソフトウェアリファレンスマニュアル に詳しく掲載されていますので、ここでは覚えておきたいことを簡単にまとめています

また、 UART/BASICプログラムチュートリアル にサンプルプログラムがいくつか掲載されていますので、それを参考にしてもいいでしょう

BASICの基礎知識

• オブジェクト指向ではなく、シングルスレッドで動作しますので行いたい処理を上から下に書いていくイメージで作ります
• BASICの独特なルールとして先頭に 行番号 を入れて、番号に続けて命令文を入れていきます
  • 行番号の小さい順から処理が進められ、最後の行まで処理が進むと終了します
  • 行番号はよく 10, 20, 30... と +10きざみ で入れて行くことが多いですが +1 でも +100 でも構いません。後で間に処理を追加したくなった時に 10, 11, 20, 30... のように番号の間に足して行けるのですが、番号を詰めすぎると入れられなくなって番号の降り直しが必要になるので注意が必要です
    • 行番号の降り直しは RENUM [増加数] コマンドで行えます
    • ただし、GOTO文などでの移動先を示した行番号は降り直しされないので、手間はかかってしまいます
  • コマンドを : で繋げることで1行に複数のコマンドを書くことができます
• コマンド名、変数名は大文字と小文字を区別しません
  • 個人的に全て大文字で書いてますが、 PRINT でも print でも Print でも好きなように入力して構いません
  • LRA1のインタプリタでキャメルケース(先頭だけ大文字の表記)に置き換えられます

インタプリタの使い方

• プログラム入力モード というのがあります。 EDIT 1 とコマンドを入れると入力モードが許可になり、 EDIT 0 と入れると禁止になります。入力モードを許可にしないでプログラムを入れようとすると Edit mode error になります
  • プログラム入力モードが許可の時はプロンプトが >> になり、禁止の時は > になります
  • 電源を入れた直後は禁止になっています
• プログラムの入力は通常のエディタとは異なり、1行ずつ確定してメモリーに保持していく手順を踏みます
  • 1行毎の入力で(Enterキーを押した時に)、その行のプログラムが中間コードに変換されます。変換の時に入力ミスがあるとエラーが出ます
  • カーソルキーで自由に移動して一部分を修正するという操作には対応していませんので、入れ間違いが無いか確認しながら1行1行入れて行くのがコツです
  • 保持されたプログラムを確認するには LIST コマンドを使います
  • 入力した行のプログラムを後で変更したい時は、変更したい行の行番号を入れて、新しいプログラムを入れなおします
  • 入力した行を消したい時は、消したい行の行番号だけをいれてEnterキーを押します
• 保持されたプログラムを全消去するには NEW コマンドを使います

LRA1のプログラム仕様

• プログラム(中間コードに変換後)のサイズは 4096 byteまでです
• 行番号は 1～65535 まで使えます
• 1行に入力できる文字数は254文字までですが、中間コードに変換した結果が254 byteである必要がありますので、これより短くなる可能性があります

ピン配列の確認

ピン配列はハードウェアマニュアルに掲載されています。以下の表はハードウェアマニュアルより引用しました

PIN番号	信号名	I/O	詳細
1	PB02	I/O ANALOG
2	PA05/UART RX	IN	UART 専用 PIN
3	PA04/UART TX	OUT	UART 専用 PIN
4	PB03	I/O ANALOG
5	PA27	I/O
6	PB22	I/O
7	PA06/WAKEUP	I/O ANALOG(※1)	I/O または ↑立ち上がりで SLEEP/DEEP 解除 (※1)
8	PA07	I/O ANALOG
9	PA08	I/O ANALOG
10	VDD	POWER
11	VDD	POWER
12	GND	POWER
13	GND	POWER
14	PA09	I/O ANALOG
15	PA13	I/O
16	PA16/SDA	-	I2C 専用 PIN
17	PA17/SCL	-	I2C 専用 PIN
18	PA18	I/O
19	PA28	I/O
20	PA23	I/O
21	PB23	I/O
22	GND	POWER
23	PA15	I/O
24	PA14/ACTIVE	I/O(※2)	I/O または 通常:O.C SLEEP 中:L (※2)
25	PA19	I/O
26	PA22	I/O
27	PA25	I/O
28	PA24	I/O
29	PA31/SWDIO	-
30	PA30/SWDCLK	-
31	PA01/XOUT32	I/O	外部クロック使用時 XOUT 32.768kHz
32	PA0/XIN32	I/O	外部クロック使用時 XIN 32.768kHz
33	RESET	-
34	GND	POWER
35	RF_GND	RF
36	RF_OUT	RF	LRA1-SMA のみ、他は未接続
37	RF_GND	RF

※1. I/O として使用可能ですが、SLEEP/DEEP を使用した場合は WAKEUP_IN として入力ポートに強制的に切り替わりますので SLEEP/DEEP 機能を使用する場合はご注意ください。

※2. I/O として使用可能ですが、SLEEP/DEEP を使用した場合は ACTIVE_OUT として出力ポートに強制的に切り替わりますので SLEEP/DEEP 機能を使用する際はご注意ください。

Lチカやスイッチを繋ぐなど、ユーザーに使えるようにしているピンは表で I/O と表記されている箇所です。その中でも、一部は特定の機能専用に割り当てられているポートがありますが、これらを除いて使うのが無難です

評価ボードの場合

• PA18とPA19は基板上のLEDに繋がっています。LCDの右にある2つのLEDでPA18は赤、PA19は緑に光ります
• 評価ボードには1～34番までのピンがモジュールと繋がっています
• ピンは写真のように左下から 下上 一つ右にずれて下上 更にずれて... と配置されています。親切にも基板上に番号が書かれていますので、これ(赤丸で囲った場所)を目印にすればいいでしょう
  

ピン指定の番号

PIN番号はモジュールの足や評価ボードに付いているピンに順番に当てた番号です

プログラム上で指定するのは信号名に記載された PA や PB に続く2桁の番号です。 PA はそのままの番号で指定しますが、 PB はその番号に 32を加えた数 が指定する番号になります

番号の指定例

PA18 は 18
PB23 は (23 + 32) なので 55

LEDの接続

I/Oのピンであればどこでもいいですが、ここではGNDの近くにある PA13 を選びました

写真では 13番(GND) と 15番(PA13) のピンをLEDに繋いでいます。LEDには数100Ωの抵抗を挟んでください

プログラムの入力

PCとLRA1を繋いでターミナルを開きます。詳しい手順は 前の記事 を見てください

ターミナルを開いたら、最初にコマンド EDIT 1 で入力を許可の状態にします

LRA1プロンプト

i2-ele LRA1
Ver 0.31.g
OK
>
>EDIT 1
OK
>>

プロンプトが >> に変わったことをご確認ください

LEDを点灯・消灯する

LED点灯

プロンプトで OUTP [LEDを繋いだピン],1 を入力するとLEDが点灯します

例)PA13に繋いだLEDを光らせる

>>OUTP 13,1
OK

LED消灯

OUTP [LEDを繋いだピン],0 を入力するとLEDが消灯します

例)PA13に繋いだLEDを消す

>>OUTP 13,0
OK

プログラムで繰り返し点灯・消灯を行う

BASICのプログラムを実行してLEDの点灯・消灯を繰り返し行って見ます。以下のサンプルコードを入力してください

Lチカサンプルコード

10 WHILE 1
20 OUTP 13,1
30 DELAY 1000
40 OUTP 13,0
50 DELAY 1000
60 LOOP

実行

プログラムの入力を終えたら実行してみます RUN と入れてください。LEDがチカチカしたはずです

>>RUN

プログラム実行中はプロンプトが入力を受け付けなくなります。プログラムの中断は Ctrl + c を押してください

プログラムの変更

メモリに保持されているプログラムを確認するには LIST コマンドを入れます

LISTコマンドの実行結果

>>LIST
10 While 1
20 Outp 13,1
30 Delay 1000
40 Outp 13,0
50 Delay 1000
60 Loop
[55/4096 bytes]
OK

ここで、30行目の DELAY の値を変えてみます。変更したい行の行数とコマンドを入れます

>>30 DELAY 100

そして RUN コマンドを入れてプログラムを実行してみます

>>RUN

LEDの点灯時間が短くなりました。再度 LIST で確認すると入力しなおした30行目の DELAY の値が 1000 から 100 に変わっているのが分かります

>>LIST
10 While 1
20 Outp 13,1
30 Delay 100
40 Outp 13,0
50 Delay 1000
60 Loop
[54/4096 bytes]
OK

このようにしてLRA1にプログラムを入れることができます

プログラムの保存と起動時の実行

保存

入力したプログラムは保存をしないと、電源を切るかリセットした時には失われてしまいます。プログラムの保存には PSAVE コマンドを使います

>>PSAVE
OK

読込み

保存したプログラムは PLOAD コマンドで読込みできます。起動した状態から LIST コマンドを入れて PLOAD コマンドで復元されていることを確認します

i2-ele LRA1
Ver 0.31.g
OK
>LIST
[0/4096 bytes]
OK
>PLOAD
OK
>LIST
10 While 1
20 Outp 13,1
30 Delay 100
40 Outp 13,0
50 Delay 1000
60 Loop
[54/4096 bytes]
OK

起動時の実行

電源ONした時にBASICプログラムを動かすには AUTO という名前の変数に pload:run (つまりBASICのコマンドでプログラムの読み込みと実行)を設定します。変数を変えた後は、その値を保持するために SSAVE コマンド(LoRa変数の保存)を実行します

起動時の実行を設定する

>AUTO="pload:run"
OK
>SSAVE
OK

これで、電源を入れなおした時にLEDがチカチカします。起動時の実行もターミナルを開いて Ctrl + c のキー入力で中断できます

起動時の実行を止めたい時はAUTO変数を空にしてください

起動時の実行を止める

>AUTO=
OK
>SSAVE
OK

AUTO変数の中身は ?AUTO で確認できます

消費電力について

モジュール内のプログラム機能を使う利点として、消費電力の削減が挙げられます。電池で動かすとなると、処理用の別のマイコンがあるとその分の電力も必要になりますので運用上は不利になってしまいます

LRA1の消費電力

LRA1の消費電力はハードウェアマニュアルの 8.3 電気的特性 にある通り送信時でも 37mA です。センサーの値を送るだけであれば送信時間も1時間に何回かなので、そんな頻繁ではないと思います

条件	消費電流
送信時(13dBm出力)	37mA
受信時	13mA
通常動作時	0.7mA
Sleep時	1.8uA
Deep Sleep時	0.6uA

動作電圧 3.3V時 ハードウェアマニュアルより抜粋

Wi-Fiの消費電力

あくまでも参考として比較ですが、Wi-Fiが搭載された ESP32 の消費電力を挙げてみました。Ambient さんの 記事 から拝借させていただきます

記事には、M5Stack と ESPr Developer32 の消費電力値がありますが、M5StackはLCDや充電回路が入っていてLRA1と条件が違いすぎますので、ESPr Developer32 の値と比べてみます

処理	消費電流
WiFi.begin〜WiFi.status	47〜160mA、ピークでは320mA
ambient.send	44〜120mA
deepsleep中	0.3mA

LRA1とは計測条件が違いますので、明確な比較ではないのですがWi-Fiとの違いがイメージ出来るのではないかと思います

LRA1の通常動作時の電流(0.7mA)がESP32のDeep Sleep時(0.3mA)と 0.4mA しか変わらないというのは気になります。もう少し使いこなせるようになったら消費電力の検証も行ってみたいですね