微控制器編程

程序員

如前所述，開發(fā)板不能通過(guò) USB 編程新固件。我以大約 35 美元的價(jià)格訂購(gòu)了一個(gè)ST Link V3 (STLINK-V3SET) ，它允許我的計(jì)算機(jī)對(duì)微控制器進(jìn)行固件編程和調(diào)試。你不能使用 USB-to-FTDI 適配器、Atmel-ICE 或類似的東西，我花了一段時(shí)間尋找明確的答案。

首要任務(wù)是通過(guò) USB更新 ST Link ，需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè) ST 帳戶。真的？！

ST Link v3升級(jí)

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然后我繼續(xù)構(gòu)建隨附的 MB1440B 板，這樣我就可以實(shí)際訪問(wèn)與 MCU 接口所需的引腳。

此外，我還花了一些時(shí)間弄清楚在編程器和開發(fā)板上使用什么引腳。我希望 Seeed wiki 能讓這一點(diǎn)更清楚，因?yàn)槲也坏貌灰揽糠糯筮B接圖片然后研究 MB1440B 數(shù)據(jù)表來(lái)猜測(cè)相應(yīng)的引腳。

在 MB1440B 上，您會(huì)發(fā)現(xiàn)橫向擠壓成排的引腳。其中一組稱為 CN6，但很難閱讀和查找。檢查圖片。下表列出了通過(guò) SWD 接口對(duì) MCU 進(jìn)行編程所需的連接器（復(fù)位是可選的）：

連接表 ST Link v3 <--> LoRa-E5-mini

Color | ST Link (CN6) | LoRa-E5-mini

Yellow | NRST | RST

Green | DIO | DIO

Purple | GND | GND

Grey | CLK | CLK

LoRa-E5-mini 上的 SWD 連接

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ST Link v3 MB1440B 擴(kuò)展板上的 SWD 連接

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在此設(shè)置中，仍需要連接 USB-C 以提供電源和可選的串行連接。

寫設(shè)備應(yīng)用

Lora-E5 包含來(lái)自 ST 的微控制器STM32WLE5JC 。我過(guò)去只使用 STM32（或與此相關(guān)的任何 STM 系列）進(jìn)行過(guò)簡(jiǎn)短的開發(fā)，因此我不得不決定使用工具鏈和 IDE 對(duì)其進(jìn)行編程。我一直想測(cè)試Mbed-os 框架和 IDE并試一試。Mbed 提供了對(duì)不同類型硬件的抽象，隱藏了庫(kù)，并且應(yīng)該讓您專注于編寫應(yīng)用程序代碼。聽起來(lái)不錯(cuò)！雖然我能夠在設(shè)備上編譯和運(yùn)行它，但我并不喜歡 Mbed。原因有很多，但主要是 IDE 感覺(jué)太基礎(chǔ)了，缺乏重構(gòu)支持，調(diào)試，例如 Charles Hallard 有一個(gè)很好的演練，告訴你如何設(shè)置它，如果你想試一試的話。

Mbed Studio 集成開發(fā)環(huán)境

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下一個(gè)明智的選擇是帶有用于 STM32WL 的 STM32Cube MCU 包和可選的 STM32 Cube Programmer 的 STM32 Cube IDE。我遵循了Lora-E5 wiki ，從擦除工廠 AT 固件開始，但無(wú)法編譯示例項(xiàng)目。事實(shí)證明示例項(xiàng)目已經(jīng)過(guò)時(shí)，并且還基于用戶代碼嚴(yán)重交織在一起的模板。我收到確認(rèn)這將在不久的將來(lái)更新，并且該回購(gòu)已從我測(cè)試時(shí)的位置移動(dòng)。

STM32 Cube IDE安裝

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經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和搜索后，我發(fā)現(xiàn)了一個(gè)不錯(cuò)的存儲(chǔ)庫(kù)，其中包含最新的 LoRa-E5 代碼庫(kù)，并演示了在物聯(lián)網(wǎng) (TTN) 上發(fā)送傳感器數(shù)據(jù). 我做了一個(gè)叉子，花了很多晚上研究和調(diào)試代碼。乍一看，STM32 Cube IDE 令人不知所措。我過(guò)去使用過(guò)類似的 IDE，這幫助我建立了一個(gè)粗略的概覽。我發(fā)現(xiàn)最令人困惑并且在某種程度上仍然如此的是生成代碼和用戶代碼的混合。盡管我定期進(jìn)行 git 提交，但我還是花了很多時(shí)間因?yàn)槲业母谋桓采w而感到沮喪。我學(xué)會(huì)了嘗試使用配置向?qū)Ф皇窃谀承﹨^(qū)域直接更改代碼的艱難方法。我對(duì)配置工具的許多方面仍然不滿意，但現(xiàn)在我對(duì)結(jié)果并不感到驚訝。

/* USER CODE BEGIN */
/* USER CODE END */

STM32 Cube IDE 配置工具

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代碼的關(guān)鍵方面太多，無(wú)法詳細(xì)介紹，我將擴(kuò)展一些。我希望您能夠編譯和運(yùn)行該項(xiàng)目，如果是這樣，請(qǐng)使用調(diào)試器來(lái)理解代碼流。

調(diào)試設(shè)置

首先，確保您養(yǎng)成在調(diào)試模式和低功耗模式之間切換的習(xí)慣。這由 sys_conf.h 中的以下定義決定：

VERBOSE_LEVEL
APP_LOG_ENABLED
DEBUGGER_ENABLED
LOW_POWER_DISABLE
STATUS_LED_ENABLE

我使用最后一個(gè)來(lái)切換 LED 指示燈，但為了追蹤 LED 的所有可能使用，我將實(shí)際的切換注釋掉了。請(qǐng)注意，當(dāng)通過(guò) USB 進(jìn)行串行通信時(shí)，您無(wú)法控制是否使用 LED，正如您在板原理圖CP2102N USB 橋上看到的那樣。這讓我有點(diǎn)頭疼，直到我發(fā)現(xiàn)在斷開連接時(shí)情況并非如此。

CP2102N USB 橋切換 TX/RX 上的 LED

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例如，如果您設(shè)置 DEBUGGER_ENABLED = 0 和 LOW_POWER_DISABLE = 0，任何調(diào)試嘗試都會(huì)很快超時(shí)。

我沒(méi)有找到在 STM Cube 內(nèi)顯示串行輸出的方法，所以我使用具有正確波特率的Termite RS232 終端來(lái)捕獲通過(guò) USB 的日志記錄。MCU 有多個(gè) USART，USART1 用于日志記錄，可以通過(guò) USB 或 LoRa-E5-mini 引腳 TX（SoC 上的 PB6）讀取。

使用 Termite 通過(guò) USB 進(jìn)行串行輸出

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LoRaWAN 配置

繼續(xù)，您需要通過(guò)新設(shè)備注冊(cè)來(lái)設(shè)置您自己的 LoRaWAN 設(shè)置。通過(guò)在 STM32CubeIDE 中打開 .ioc 文件，選擇 Middleware-> LoRaWAN -> LoRaWAN comissioning 來(lái)使用配置工具。不要直接寫入 se-identity.h 文件，因?yàn)樗鼤?huì)被覆蓋。

• “App/Join EUI”映射到 LORAWAN_JOIN_EUI
• “應(yīng)用程序密鑰”映射到 se-identity.h 中的 LORAWAN_APP_KEY
• “網(wǎng)絡(luò)密鑰”映射到 LORAWAN_NWK_KEY 出于安全原因，無(wú)論如何不應(yīng)使用“靜態(tài)設(shè)備地址”，因此不會(huì)使用網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用程序會(huì)話密鑰。

LoRaWAN 配置

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• TTN "AppEUI" 對(duì)應(yīng)中的LORAWAN_JOIN_EUIse-identity.h
• TTN "DevEUI" 對(duì)應(yīng)中的LORAWAN_DEVICE_EUIse-identity.h
• TTN "AppKEY" 對(duì)應(yīng) LORAWAN_APP_KEY 中se-identity.h

生成的 se-identity.h

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經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題是：如何在不公開私鑰的情況下在公共代碼存儲(chǔ)庫(kù)上跟蹤我的項(xiàng)目？一個(gè)選項(xiàng)是提交一個(gè)帶有假值的配置版本，停止在 git 中跟蹤文件，并更改為真實(shí)值。這帶來(lái)了一些問(wèn)題：如何在其他計(jì)算機(jī)上繼續(xù)開發(fā)該項(xiàng)目，甚至在以后接手該項(xiàng)目時(shí)確保保持正確的值？另外，如果配置文件包含我實(shí)際想要更改和共享的其他設(shè)置怎么辦？我愿意接受建議。

編輯：感謝我的同事 Erling 推薦GitHub Encrypted secrets 。

我決定在開發(fā)期間提交我的密鑰，然后在發(fā)布之前重新生成它們。

與傳感器接口

我研究了MB7374 數(shù)據(jù)表以了解它的許多方面和選項(xiàng)。建議通過(guò)引腳 5 讀取測(cè)量值以確保準(zhǔn)確性，因?yàn)樗峁?TTL 輸出。啟動(dòng)并打印產(chǎn)品信息后，它將以連續(xù)模式輸出每個(gè)測(cè)量值，作為一串以“R”開頭的 ASCII 字符，后跟使用 4 位數(shù)字的以毫米為單位的到表面的距離，例如“R0928”，對(duì)應(yīng)于 92.8 厘米。我在 STM32 上使用 9600 波特率的 USART2。

6HRXL-MaxSonar-WRST7
MB7374-1XX
Copr. 2011-2019
MaxBotix Inc.
RoHS 23b 119 0819
TempI
R0937
R0937
R0936
R0936
R0936
R0936

TempI表示使用內(nèi)部溫度計(jì)。

使用示波器進(jìn)行串行解碼

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測(cè)量時(shí)序以驗(yàn)證數(shù)據(jù)表

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注意：對(duì)于雪地應(yīng)用，建議使用 5v 電源以實(shí)現(xiàn) MB7374 的最佳運(yùn)行。LoRa-E5-mini 上的穩(wěn)壓器AP2112僅在電池供電時(shí)提供 3.3v（5v 引腳僅在連接 USB-C 時(shí)接合）。因此，這一概念驗(yàn)證有望提供下一個(gè)版本是否需要為傳感器提供 5v 電壓的答案。

AP2112

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MB7374 引腳 5（串行輸出）連接到 LoRa-E5-mini 引腳 TX2（STM32WLE5JC 的 PA2）。請(qǐng)記住，串行只是輸出，不需要輸入。MB7374 引腳 7 (GND) 連接到 GND。我將 MB7374 引腳 6 (V+) 連接到開發(fā)板引腳 D0 (PA0)。待機(jī)狀態(tài)下傳感器的電流消耗太高，我決定在每次傳輸前使用 GPIO 來(lái)接通它。該引腳有一個(gè)用戶標(biāo)簽 US_ENABLE（超聲波啟用）。我確保引腳可以提供足夠的電流，閱讀兩個(gè)數(shù)據(jù)表，也通過(guò)測(cè)量。更穩(wěn)健的解決方案需要使用晶體管來(lái)切換傳感器。查看我的土壤水分指南以獲取示例。

使用傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

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LoRa應(yīng)用

主要設(shè)備邏輯位于文件 lora_app.c 中。SendTxData只是啟用傳感器，獲取讀數(shù)并準(zhǔn)備一個(gè)緩沖區(qū)，其中包含要傳輸?shù)膶?shí)際字節(jié)，傳輸，然后進(jìn)入睡眠（停止 2 模式），重復(fù)。

項(xiàng)目 repo 包含用于 The Things Stack 的 Javascript 上行鏈路解碼腳本。

function decodeUplink(input) {
 var bytes = input.bytes
 return {
  data: {
   distance: ((bytes[0] & 0x80 ? 0xFFFF<<16 : 0) | bytes[0]<<8 | bytes[1]),
   temperaturec: ((bytes[2] & 0x80 ? 0xFFFF<<16 : 0) | bytes[2]<<8 | bytes[3]),
   voltage : (bytes[4]<<8 | bytes[5])
  },
 warnings: [],
 errors: []
 };
}

距離：到表面的距離，以毫米為單位。雪越多，數(shù)字越低。

temperaturec：這是 MCU 溫度。這不應(yīng)該是對(duì)設(shè)備周圍環(huán)境的可靠測(cè)量，因?yàn)樗荚跒槟承?MCU 功能提供校準(zhǔn)參考。該設(shè)備是防水的，進(jìn)一步消除了對(duì)環(huán)境的敏感性。由于 MCU 做的工作很少，我仍然想看看它是否可以提供有用的數(shù)據(jù)。我在設(shè)備附近安裝了一個(gè)可靠的溫度傳感器，到目前為止它們報(bào)告的溫度非常相似。由于我的代碼中的一個(gè)錯(cuò)誤，溫度值被報(bào)告為整數(shù)。

voltage：這應(yīng)該是電池電壓，是電池即將耗盡的指標(biāo)。這是使用生成的函數(shù) SYS_GetBatteryLevel 檢索的。我認(rèn)為這個(gè)函數(shù)是有問(wèn)題的，因?yàn)樗坪鯃?bào)告了 MCU AREF。我將不勝感激關(guān)于如何實(shí)施的任何建議。

接收數(shù)據(jù)如果傳輸之后是 TTN 應(yīng)用程序返回排隊(duì)的下行鏈路消息，則觸發(fā)。我已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)下行消息：傳輸間隔的配置。這使我能夠更改測(cè)量之間的分鐘數(shù)，從 0 到 65535。這允許最長(zhǎng)約 45 天的睡眠時(shí)間。請(qǐng)注意，如果要更改間隔，請(qǐng)求將排隊(duì)等待下一次計(jì)劃的設(shè)備傳輸，所以要小心。在 The Things Stack 控制臺(tái)中，您可以通過(guò)導(dǎo)航到設(shè)備、轉(zhuǎn)到“消息”選項(xiàng)卡，然后轉(zhuǎn)到“下行鏈路”來(lái)對(duì)下行鏈路進(jìn)行排隊(duì)。FPort 為 1，Payload 類型為 Bytes。您需要將分鐘數(shù)格式化為兩對(duì)十六進(jìn)制數(shù)字，最高有效字節(jié)在前。例如“01FF”將對(duì)應(yīng)于 511 分鐘。由于懶惰，設(shè)備應(yīng)用程序需要兩對(duì)，

上行鏈路到設(shè)備

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物聯(lián)網(wǎng) CLI

一旦將數(shù)據(jù)路由到 The Things Network，有數(shù)以千計(jì)的選項(xiàng)可用于處理數(shù)據(jù)。我在以前的指南中介紹了一些。在本指南中，我想重點(diǎn)介紹一種使用 The Things Network 命令行界面 (CLI) 調(diào)查幾天的測(cè)量值的簡(jiǎn)便方法。

啟用免費(fèi)短期存儲(chǔ)集成并創(chuàng)建 API 密鑰。

存儲(chǔ)集成

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按照安裝說(shuō)明安裝 ttn-lw-cli 并創(chuàng)建配置，

ttn-lw-cli use 1/au1/nam1>.cloud.thethings.network

最后使用OAuth2.0 登錄。

ttn-lw-cli login

現(xiàn)在您可以進(jìn)行查詢以檢索消息。由于它默認(rèn)使用 gRPC protobuf，除了冷啟動(dòng)外，傳輸速度快如閃電。

ttn-lw-cli applications storage get "snowmonitor" --limit 10 --order "-received_at" --up.uplink-message.decoded-payload

將結(jié)果轉(zhuǎn)儲(chǔ)到一個(gè) .json 文件中，您可以使用您最喜歡的繪圖工具在本地進(jìn)行漂亮的可視化。

功率分析

在整個(gè)開發(fā)過(guò)程中，我積極使用我信賴的 Qoitech Otii Arc來(lái)測(cè)量和比較更改硬件和代碼時(shí)對(duì)電流消耗的影響。這使我能夠系統(tǒng)地嘗試不同的電源電壓電平、天線設(shè)計(jì)、代碼執(zhí)行順序等。一些有趣的觀察：

• 讓 ST Link 連接到開發(fā)板，但與計(jì)算機(jī)斷開連接會(huì)導(dǎo)致更高的電流消耗。這促使我堅(jiān)持進(jìn)行測(cè)量，每次都斷開 ST 鏈路。

綠色：ST 鏈路已連接，TX

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綠色：ST 鏈路已連接，停止 2

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• 自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率 (ADR) 需要一段時(shí)間才能優(yōu)化。在我的設(shè)置中，我不得不等待大約 4-5 次傳輸以確保它已經(jīng)穩(wěn)定下來(lái)并且我正在比較蘋果與蘋果。在我的設(shè)置中，這是 DR5 (SF7BW125)。

ADR 和電線與鞭狀天線相比

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• 一個(gè)簡(jiǎn)單的 8.6 厘米線天線的性能確實(shí)不如隨附的鞭狀天線。
• 一種可能的硬件設(shè)計(jì)在以 HF (868MHz) 傳輸時(shí)限制了非常低的功耗。
• 定期日志記錄（VLEVEL_OFF = 非詳細(xì)）對(duì)消耗沒(méi)有顯著的負(fù)面影響。
• 傳輸 UNCONFIRMED_MSG 似乎消耗更多電流 - 值得研究實(shí)施。
• LoRa-E5-mini 在最小 2.5v 穩(wěn)壓器輸入電壓下掉電。對(duì)于與 LS14500 電池一起使用，這很好，因?yàn)樗哂蟹浅Ｆ教沟姆烹娗€。

最低穩(wěn)壓器電壓欠壓

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為了您的觀賞樂(lè)趣，電源配置文件包含在回購(gòu)協(xié)議中。

總之，我在睡眠期間實(shí)現(xiàn)了大約 73uA 的電流消耗。雖然與 SoC 宣傳的 2uA 速率相去甚遠(yuǎn)，但這對(duì)于 PoC 來(lái)說(shuō)還不錯(cuò)。開發(fā)板調(diào)節(jié)器可能占了大部分多余部分（數(shù)據(jù)表：通常為 55uA），其余部分為浮動(dòng)引腳等。

傳輸峰值約為 80mA，參考。HF 問(wèn)題。大約消耗 7uWh pr。傳播。使用一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算器可以告訴我們，在這種情況下，每 15 分鐘傳輸一次與每 60 分鐘傳輸一次相比，差異微不足道。前者粗略估計(jì)電池壽命超過(guò) 3.5 年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)定制電路之前進(jìn)行測(cè)試所需的時(shí)間。

15分鐘傳輸間隔

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60分鐘傳輸間隔

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計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

最終CAD

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這種概念驗(yàn)證顯然需要在相當(dāng)惡劣的條件下進(jìn)行戶外測(cè)試。我花了一半的項(xiàng)目時(shí)間來(lái)設(shè)計(jì)防水外殼并使用樹脂 SLA 打印機(jī) 3D 打印它。容納天線和傳感器是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，我最終設(shè)計(jì)了一個(gè)外殼，允許電子設(shè)備在擰入傳感器的同時(shí)旋轉(zhuǎn)。橡膠墊圈提供密封。

所有組件在外殼設(shè)計(jì)之前建模

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我首先對(duì)所有重要組件進(jìn)行建模，這樣可以節(jié)省大量迭代。

MB7374 尺寸

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粗糙的MB7374模型

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傳感器采用奇怪的美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)螺紋，NPT 美國(guó)錐管螺紋 (ANSI B 1.20.1) ，3/4"-14。什么？！我花了很多時(shí)間試圖在 Fusion 360 中打一個(gè)匹配的孔，終于finding a plugin that would help. 每次更新 Fusion 360 時(shí)都需要安裝此插件，非常蹩腳。

最終設(shè)計(jì)

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最終結(jié)果看起來(lái)就像光劍生了一個(gè)帶管炸彈的孩子，但它似乎達(dá)到了目的。

3D打印

我相信這可以使用質(zhì)量穩(wěn)定的 FDM 打印機(jī)打印，但我認(rèn)為您需要使用樹脂涂層將其密封。使用優(yōu)質(zhì) SLA 打印機(jī)（例如 Formlabs Form 3）的結(jié)果是打印過(guò)程非常順利。我需要做一些迭代，因?yàn)槲疫€沒(méi)有弄清楚線程，我想添加一些文本以防它丟失。作為一項(xiàng)額外措施，我在天線開口周圍添加了一些藍(lán)色螺紋鎖固劑。

印刷

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剛從打印機(jī)中取出

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IPA 清洗殘留樹脂

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紫外線固化以獲得額外的強(qiáng)度

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準(zhǔn)備移除支撐材料

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安裝支架

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螺紋鎖

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總裝

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結(jié)果

該設(shè)備已運(yùn)行 14 天，傳輸了 1903 次測(cè)量值。令我驚喜的是，傳感器并不像我擔(dān)心的那樣依賴與表面的直角。表面粗糙度似乎可以反射足夠多的聲波。它一直保持干燥，這是我另一個(gè)非常關(guān)心的問(wèn)題。我計(jì)劃讓傳感器測(cè)量更長(zhǎng)的時(shí)間，然后返回平均值以提高準(zhǔn)確性。我還必須制作一個(gè)更大的帽子來(lái)防止積雪，正如在一場(chǎng)特別嚴(yán)重的風(fēng)暴中觀察到的那樣。

需要更大的帽子

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安置是關(guān)鍵

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最后的想法和下一步

我曾希望嘗試使用紐扣電池為裸露的 LoRa-E5 芯片供電。發(fā)現(xiàn)高頻傳輸期間電流消耗的高尖峰促使我推遲使用電容器的實(shí)驗(yàn)，直到這個(gè)版本的 PoC 完成。定制的紐扣電池供電 PCB 將為減小整體設(shè)計(jì)的尺寸和復(fù)雜性帶來(lái)巨大機(jī)遇。