---

Лекция 1. Сети без проводов

Успехи в области полупроводниковой электроники, позволяющие интегрировать на одном кристалле большое количество разнообразных устройств (в том числе возможность интеграции аналоговых и цифровых схем), достижения в технологии производства интегральных схем (снижение стоимости производства) способствуют проникновению в повседневную жизнь различных электронных устройств и систем. Часто они становятся повседневными и незаметными, однако за каждой из них стоит труд множества людей и технологии. Особенно интенсивно развитие идет в сфере встраиваемых систем и портативных устройств, использующих радиоканал - часто это те устройства, которые окружают нас в обычной жизни, работающие в условиях различных ограничений - законодательных, медицинских, вес и размер. Такие устройства относят к классу маломощных радиоустройств.

Беспроводные системы прочно вошли в нашу жизнь:

• в быту это различные мультимедийные системы, управляющие устройства, беспроводные интерфейсы, разнообразные системы мониторинга;
• в промышленности - системы сбора данных, автоматизированные и автоматические системы управления (от систем освещения, до автоматизации зданий и их комплексов);
• в транспорте - отслеживание грузов, мониторинг параметров движения и т.д.

Одним из перспективных секторов рынка в России является автоматизация в области жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ), особенно в области учета потребления ресурсов. Причем остро данная проблема стоит для всех сторон, преследующих порой совершенно разные цели - это поставщики ресурсов или услуг, посредники-распределители, и, конечно, потребители. Одним требуется как можно более полный учет потребления, другим важна динамика потребления ресурсов и низкая стоимость внедрения и владения системой учета, третьи заинтересованы в прозрачности процесса формирования тарифов и начисления счетов.

Основные ресурсы, подлежащие учету - электроэнергия, вода, газ, тепло. Системы, позволяющие автоматически учитывать все эти ресурсы на определенном объекте или объектах, носят название - автоматизированные системы контроля и учета энергоресурсов (АСКУЭ). Безусловно, построение АСКУЭ - задача не простая, и требующая индивидуального подхода для каждого случая, к тому же требуется решение как инженерных, так и организационных задач [1].

Обычно в АСКУЭ выделяют несколько уровней:

• уровень сбора информации;
• уровень передачи информации (связующий);
• уровень сбора, анализа и хранения данных.

При этом имеем обратную зависимость между количеством отдельных устройств на каждом из уровней и потоками данных, с которыми им приходится оперировать (наибольшее количество устройств будет на уровне сбора данных, а наибольший поток данных на уровне сбора и анализа данных).

С точки зрения встраиваемых систем наиболее интересны первые два уровня. В организационном плане имеем взаимодействие между конечными потребителями (квартиросъемщики, юридические или частные лица - объекты учета (точнее ресурсы, ими потребляемые)) и одним или несколькими посредниками (товарищества собственников жилья - ТСЖ, жилищно-эксплуатационные управления - ЖЭУ, управляющие компании - субъекты учета). В инженерном плане - задачи размещения датчиков и счетчиков, организация транспортировки данных, совместной работы всех систем учета. При этом в настоящее время практикуется как поквартирный, так и подомовой учет ресурсов.

Рассмотрим взаимодействие между субъектом учета и конечными потребителями. Можно выделить несколько характерных ситуаций, наблюдаемых в населенных пунктах.

Несколько многоквартирных домов, обслуживаемых одним субъектом учета. Данный случай представляется практически идеальным, так как расположение объектов учета относительно компактное (площадь порядка нескольких гектар ~ 200х300 метров), количество объектов также относительно невелико - в районе единиц тысяч.

Отдельные микрорайоны или жилищные массивы. Ситуация чаще всего встречается в районах новостроек, когда один или несколько кварталов застраивает одно предприятие, в населенных пунктах, где это географически целесообразно (например из-за особенностей рельефа), или в случае существующих (существовавших) районо- и градообразующих предприятий. Случай характерен достаточно большой площадью территории - речь может идти о десятках квадратных километрах и очень большим количеством объектов учета - для небольшого городского микрорайона эта цифра составляет примерно 30 - 50 тысяч объектов.

Коттеджные поселки, населенные пункты сельского типа. Характерны большой занимаемой площадью - в несколько десятков квадратных километров (ситуация может быть усложнена особенностями рельефа), относительно небольшим количеством объектов учета.

В случае поквартирного учета в каждой квартире устанавливается набор счетчиков - электричество, расхода газа, расхода воды (отдельно холодная, горячая, возможно канализация), теплосчетчик - т.е. порядка четырех-пяти устройств. Для их установки необходима некая система питания, и среда передачи данных. Конечно, в случае новостроек, наличие датчиков можно предусмотреть и заложить соответствующие линии в СКС здания, но остается проблема квартир свободной планировки и популярной перепланировки квартиры жильцами уже после сдачи дома. Для уже эксплуатируемых зданий существует проблема установки счетчиков в условиях жилого интерьера. Естественно, существует определенный выбор между проводными и беспроводными способами передачи данных от отдельных счетчиков на квартирный, подъездный или домовой центральный узел.

Рассмотрим подробнее некоторые особенности организации АСКУЭ с использованием беспроводной передачи данных. Основные проблемы:

• переход на автономные источники питания - высокие требования по энергоэффективности приемопередатчиков и управляющих устройств - учитывается время работы устройств без замены источника питания;
• взаимное влияние радиоустройств - однотипные устройства, приборы сигнализации, связи, бытовая электроника - возможная интерференция сигналов, возможность работы нескольких устройств в одном частотном диапазоне, взаимное влияние частотных каналов, селективные возможности приемников;
• обеспечение надежной постоянной связи - наличие препятствий, затухание сигнала с расстоянием, многолучевое распространение - чувствительность приемника, мощность передатчика, способы модуляции сигнала;
• обеспечение информационной безопасности системы - подмена трафика, атаки на доступность, подавление сигнала - модуляция сигнала, шифрование трафика, протоколы обмена.

На данный момент более интересным для реализации беспроводного обмена данными в АСКУЭ представляется низкочастотная часть ISM диапазона, а именно частоты менее 1 ГГц. Причины этому следующие:

• в диапазоне 2,4 ГГц присутствует большое количество устройств - компьютеры и беспроводное сетевое оборудование, беспроводные наушники, гарнитуры, системы типа "умный дом";
• сигналы с частотами менее 1 ГГц меньше подвержены влиянию препятствий в виде стен, домов, деревьев;
• при равных мощностях могут обеспечить более уверенный прием данных (уменьшение частоты передачи в два раза примерно во столько же увеличивает дальность (формула Фриза)).

В настоящее время наблюдается устойчивая тенденция к переходу на автоматизированные системы учета ресурсов. В этом заинтересованы и потребители ресурсов, и поставщики ресурсов, а также компании, занимающиеся распределением ресурсов. Наиболее часто встречающееся в повседневной жизни проявление данной тенденции - установка индивидуальных счетчиков расхода ресурсов - холодной и горячей воды, электричества, газа, тепла. Это позволяет конечному потребителю оптимизировать собственные коммунальные расходы - не секрет, что платить "по среднему", как это было лет десять назад, сейчас уже не выгодно и все чаще потребители, помимо привычных счетчиков электроэнергии устанавливают дополнительно счетчики воды, газа или тепла. Более того, при строительстве новых многоквартирных домов подобные счетчики устанавливаются на отдельные подъезды или дома в целом. В дальнейшем это позволяет управляющим компаниям формировать счета именно по потребленным данным домом ресурсам, получая возможность детально отчитываться перед поставщиками ресурсов (и, соответственно, не платить за потери ресурсов, проистекшие не по вине потребителя - утечки воды или тепла, потери электроэнергии). В общем случае счетчики потребления ресурсов можно разделить на две большие категории - счетчики электроэнергии и расходомеры - Рис. 1.1 [1].

увеличить изображение

Рис. 1.1.  Примерная классификация счетчиков расхода ресурсов

Во многих случаях компании, предоставляющие коммунальные ресурсы устанавливают т.н. интеллектуальные счетчики, которые обеспечивают более низкие эксплуатационные и капитальные расходы, поддерживают новые услуги и улучшают оперативное управление. В задачи таких счетчиков ставится автоматическое считывание и хранение показаний, передача накопленных или оперативных данных, защита от несанкционированных действий. На основе анализа накопленных данных впоследствии возможно формирование тарифных планов, например с учетом распределения интенсивности потребления ресурсов в течение дня, недели, месяца, сезонные колебания. Типичная структура интеллектуального счетчика представлена на Рис. 1.2 [1-3] (на примере счетчика электроэнергии).

увеличить изображение

Рис. 1.2.  Типовая структура интеллектуального счетчика электроэнергии

Одной из основных проблем при внедрении интеллектуальных счетчиков энергоресурсов является интеграция отдельных счетчиков в сеть для централизованного сбора данных. Единого решения этой задачи, видимо, не существует. Практически в каждом случае решение подбирается индивидуально. Но можно отметить следующее - для многоквартирных домов возможно построение системы сбора данных учета, использующее существующие каналы связи, например каналы Интернет провайдеров, телефонные сети, также возможна передача информации по линиям сетевого питания. Для районов индивидуальной застройки одним из возможных решения является использование для сбора данных системы сотовой связи или других беспроводных решений.

В любом из данных вариантов остается проблема сбора и передачи локальных данных, например, данных счетчиков в пределах одной квартиры, лестничной площадки или дома. Одним из примеров задачи в этой области - простой монитор потребления ресурсов, возможно с возможностью хранения истории, отображающий текущее значение нескольких счетчиков. Многие из частных потребителей должны к определенной дате сообщить показания своих счетчиков (особенно счетчиков расхода воды, потребления тепла) управляющей компании. В качестве канала передачи данных удобнее выбрать радиоканал, что позволяет не зависеть от расположения датчиков и центрального узла. При этом для не лицензируемых приложений возможна работа в т.н. ISM диапазоне частот. В нашей стране разрешена свободная работа в диапазонах 433.075 - 434.750 МГц и 868,7-869,2 МГц, 2,45 ГГц, 5,8ГГц при условии соблюдения ограничений мощности (до 10 мВт на частоте 434 МГц, до 25 мВт на частоте 868 МГц, до 100 мВт в диапазоне 2,4 ГГц).

Средняя площадь жилья в России составляет примерно 60-70 кв. метров (учитывались и квартиры, и частные дома) - т.е. если использовать установку счетчиков в пределах квартиры при помощи кабеля - получим около 16-20 метров кабельного канала (в идеальном случае, в реальных ситуациях речь может идти о 30-40 метрах). Средняя стоимость прокладки кабеля колеблется в районе 200 руб/метр в зависимости от конкретных условий. Т.е. исключительно на организацию канала передачи данных возможны затраты порядка 4 тысяч рублей. В этой связи использование беспроводных каналов передачи данных может оказаться предпочтительнее.

Если касаться затрат на беспроводные узлы АСКУЭ, они будут складываться из следующего:

• антенна;
• приемопередатчик;
• управляющий контроллер;
• интерфейс согласования со счетчиком (как правило, счетчики используют интерфейс 485);
• источник питания (аккумуляторная батарея).

Для уровня оптовых цен стоимость одного узла оценивается примерно в 250-400 рублей. С учетом случая одного узла на отдельный счетчик и одного счетчика на каждый из энергоресурсов для одной квартиры стоимость организации беспроводного канала на базе CC11xx оценивается в 1500-2000 рублей, что примерно в два раза лучше, чем для оптимистичного прогноза проводного решения.

Области применения можно перечислять долго. Более того, сфера применения беспроводных устройств и систем на их основе постоянно растет - как качественно (добавляются новые области), так и количественно (растет число устройств, использующих радиоканал, увеличивается плотность узлов и сетей). Это вынуждает производителей беспроводных микросхем и разработчиков систем и программного обеспечения постоянно искать новые решения проблем взаимодействия узлов и систем, совместимости сетей.

Беспроводной канал передачи данных между узлами сети представим в традиционном виде: источник/приемник данных, приемопередатчик (в ряде случаев только приемник или только передатчик), антенный усилитель (может отсутствовать или быть частью приемопередатчика), антенна и сама среда передачи.

Лекция 2. Прикладные аспекты практической реализации беспроводных узлов

Дальность связи

Одним из факторов, тесно связанных, а в некоторых задачах и влияющих на топологию сети и выбор протокола передачи данных - это предельное расстояние, на которые можно разнести узлы в сети при сохранении устойчивой связи и требуемой скорости обмена данными (хотя бы на минимальных значениях, устраивающих приложение).

Расстояние между узлами можно оценить исходя из сведений о выходной мощности передатчика, чувствительности приемника и характеристик антенн с учетом эмпирических сведений.

Для теоретических оценок используется формула Фриза для свободного пространства:

или

где

• - мощность передатчика;
• - чувствительность приемника;
• , - коэффициенты усиления передающей или приемной антенн соответственно;
• - расстояние между узлами;
• - длина волны.

Формула (2.1) носит еще название энергетического бюджета канала связи (или просто бюджет канала).

В реальной ситуации рассчитанная дальность передачи будет несколько ниже из-за различных эффектов распространения сигнала (рассеяние, дисперсия, многолучевое распространение и др.). Поскольку учесть все или хотя бы часть эффектов практически не реально, пользуются эмпирическими правилами (правила приближенного счета), позволяющими сделать необходимые оценки [4, 5].

Наиболее важными факторами для узлов сети являются характеристики антенны - коэффициент усиления, диаграмма направленности, чувствительность к предметам в ближней зоне и др. Сильно также влияет реализация передачи данных в различных сетевых технологиях (Рис. 1.1, Рис. 1.2).

Энергопотребление

Энергопотребление узлов сети является важным для систем с автономным питанием, а также в рамках общей тенденции к переходу на энергосберегающие технологии.

Кроме технических характеристик микросхем приемопередатчиков, микроконтроллеров и других узлов беспроводных модулей на энергопотребление существенно влияет режим работы сетевого приложения, интенсивность обмена данными (Рис. 2.1).

Выделяют режимы работы с интенсивным рабочим циклом и с малой интенсивностью обмена. В приложениях с интенсивным рабочим циклом основная доля энергопотребления приходится на радиоинтерфейс - прием/передача пакетов, синхронизация и автоподстройка частоты. При этом, в случае преобладания в трафике длинных пакетов, доминирует потребление приемопередатчика, в случае преимущественной передачи коротких пакетов на первый план выходит потребление схем инициализации радиочасти и автокалибровки частоты [5].

Рис. 2.1.  Дальность связи, обеспечиваемая различными беспроводными технологиями

В приложениях с малой интенсивностью обмена начинают играть роль такие показатели, как наличие и эффективность режимов пониженного энергопотребления микросхем датчиков, микроконтроллеров и приемопередатчиков (Рис. 2.2).

Рис. 2.2.  Диапазон скоростей передачи данных в беспроводных технологиях

Типичный профиль энергопотребления беспроводного узла представлен на Рис. 2.3 (абсолютные величины приведены для устройства диапазона менее 1 ГГц, для устройств диапазона 2,4 ГГц токи потребления будут примерно в два раза выше). При этом относительный уровень потребления устройств, отличающихся по технологиям реализации можно оценить по Рис. 2.4.

увеличить изображение

Рис. 2.3.  Пример профиля энергопотребления беспроводного узла

Чаще всего производителями предлагаются несколько линеек продуктов с низким энергопотреблением для беспроводных систем со всем необходимым программным и аппаратным обеспечением. Фактически это избавляет разработчиков от необходимости применения специализированных протоколов для снижения энергопотребления - эта часть проблемы решается на уровне компонентов.

увеличить изображение

Рис. 2.4.  Минимальные требования к источникам питания беспроводных узлов различных технологий

Выбор частотного диапазона

Для обмена данными во всем мире предоставляются не лицензируемые радиочастотные диапазоны. В РФ на основании Решения Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) № 08-24-01-001 от 28.04.2008 и № 07-20-03-001 от 07.05 2007 для этих целей выделены частотные диапазоны 433.075 - 434.750 МГц и 868,7-869,2 МГц, 915 МГц, 2,45 ГГц, 5,8ГГц. Эти частоты могут использоваться без оформления специального разрешения ГКРЧ и совершенно бесплатно при условии соблюдения требований по ширине полосы, излучаемой мощности (до 10 мВт в районе частоты 434 МГц и до 25 мВт в районе частоты 868 МГц, до 100 мВт в диапазоне 2,4 ГГц) и назначению радиопередающего изделия.

Помимо законодательных критериев, при выборе частотного диапазона следует учитывать и технические факторы.

Для диапазона 2,400-2,4835 ГГц доступно больше частотных каналов, доступны более высокие скорости передачи, возможен непрерывный режим работы (для радиочасти), более компактные антенны. С другой стороны, устойчивая работа реализуется на более коротких расстояниях, возрастает влияние различных помех (интерференционные, многолучевое распространение, препятствия).

Для частот менее 1 ГГц разрешенные частотные диапазоны в различных странах могут отличаться и не всегда возможно использовать одну и ту же элементную базу. Также не везде разрешена непрерывная радио активность устройства.

Преимущества касаются лучшей дальности устойчивой работы по сравнению с частотами 2,4 ГГц диапазона, при одинаковой выходной мощности передатчика, уменьшению влияния препятствий на прохождение сигнала (особенно актуально для работы внутри зданий и офисных помещений).

На сегодняшний день просматривается явная тенденция к росту популярности и повсеместному внедрению устройств, использующих в своей работе радиоканал. Число применяемых беспроводных устройств неуклонно возрастает [1]. С другой стороны из-за целого ряда ограничений, касающихся особенностей формирования и приема радиоволн, особенностей распространения радиоволн, а также законодательных ограничений на диапазоны доступных для частного и коммерческого использования частот, выбор частотного диапазона для того или иного приложения весьма ограничен. Следовательно, плотность беспроводных устройств и степень использования любого из диапазонов частот будут возрастать.

Из-за характера роста числа беспроводных устройств, близкому к экспоненциальному, разработчики вынуждены уже сейчас заботится о стабильной работе своих устройств и устойчивости связей между ними, так как вполне вероятен рост собственной беспроводной сети, добавление все новых сервисов. Вероятно также появление в пределах действия сети других беспроводных узлов или систем.

Производительность беспроводной сети в таких условиях будет определяться вероятностью успешного приема пакетов сети и её управляющих сигналов.

Основные факторы, влияющие на производительность беспроводной сети:

• выходная мощность передатчика
• чувствительность приемника;
• избирательность;
• подавление сигналов соседних частотных полос.

Выходная мощность передатчиков для нелицензируемых диапазонов частот ограничивается регулирующими документами. При необходимости, путем применения внешнего усилителя, мощность выходного сигнала можно установить равной предельно допустимой. В ряде случаев дополнительно, или вместо усилителя возможно применение направленной антенны. Чувствительность приемника ограничивают технологические ограничения, собственные шумы электронных элементов, взаимное влияние узлов. Кроме этого реальная чувствительность приемника может быть снижена из-за ошибок в исполнении антенно-фидерного тракта. Опять же внешний антенный усилитель или направленная антенна могут несколько спасти положение, правда, скорее всего, в бюджет канала добавится не более +20 дБм, чаще всего не более 10.

В условиях плотного использования частотного диапазона и плотного размещения устройств, все более решающую роль будут играть способность приемника фильтровать (подавлять) сигнал соседних частот, и избирательность - способность подавить сигнальную помеху соседнего (или близкого) частотного канала.

Оценка времени и ресурсов на разработку

На текущий момент времени существует два пути реализации аппаратных решений для беспроводных приложений.

Первый путь заключается в разработке собственной платы устройства с учетом рекомендаций и схем включения элементов.

Типичный перечень элементов включает в себя:

• микросхему беспроводного приемопередатчика и микроконтроллер или однокристальное устройство;
• компоненты радиотракта - антенна (печатная/чип/внешняя), разъемы для подключения внешней антенны, развязывающие конденсаторы, антенный фильтр, в некоторых случаях антенный усилитель;
• стабилизатор питания или батареи питания.

Второй путь заключается в использовании готовых модулей и микросборок, интегрирующих на платах для поверхностного или мезонинного монтажа все элементы радиотракта, включая приемопередающие элементы.

В случае использования фирменных беспроводных модулей разработчик получает возможность сократить время выхода конечного продукта на рынок, избавлен от разработки топологии печатной платы для высокочастотной части, все компоненты радиотракта согласованы между собой, и весь модуль в целом имеет согласованные параметры по температурному диапазону, мощности радиосигнала и др.

При небольших партиях изделий использование готовых модулей приводит к сокращению затрат на единицу продукции (Рис. 2.5) [5].

Рис. 2.5.  Затраты на единицу продукции

Разработка беспроводного решения включает в себя изучение документации на выбранные электронные компоненты, разработку антенны, печатной платы и программного обеспечения с применением средств разработки для выбранного аппаратного решения.

Антенны

Важным элементом любой беспроводной системы или узла сети является антенна. Все характеристики антенн приводятся относительно изотропной - теоретической модели, излучающей одинаково во всех направлениях. В маломощных беспроводных системах чаще всего используются дипольные или штыревые антенны [4, 6, 7].

По типу подключения выделяют две разновидности антенн (Рис. 2.6):

• антенны с одной точкой подключения:
  • обычно имеют сопротивление 50 Ом;
  • требуют баллонный фильтр для подключения к некоторым типам микросхем;
  • легко анализируются при помощи сетевых анализаторов;
  • легко можно достичь высокой производительности;
• дифференциальные антенны:
  • напрямую подключаются к дифференциальным выходам микросхем;
  • позволяют уменьшить число внешних компонент;
  • для достижения нужных показателей в некоторых случаях необходима симуляция работы;
  • трудно измеримый импеданс;
  • возможно достижение производительности, сравнимой с антеннами с одной точкой подключения.

По способу физической реализации:

• печатные антенны:
  • не повышают стоимость решения;
  • требуется больше пространства печатной платы;
  • имеют значительные размеры на низких частотах;
  • имеют широкий диапазон;
  • для реализации необходимо специализированное программное обеспечение;
• штыревые антенны:
  • стоимость от 1$;
  • наилучшее совпадение реальных характеристик с теоретическими;
  • меньшее влияние размера антенны на размеры конечного устройства;
• чип антенны:
  • менее дорогие (цены меньше 1$);
  • меньший диапазон.

увеличить изображение

Рис. 2.6.  Способы подключения антенн к беспроводным модулям

Некоторые производители беспроводных компонентов помимо примеров типовых схем включения предоставляют примеры антенных решений для своей продукции. В частности, это касается так называемых печатных антенн.

Например, Texas Instruments предлагает несколько решений для реализации печатных антенн с размерами, PCB файлами и рекомендациями по применению [7-9].

В качестве средств разработчика предлагается набор антенн CC-Antenna-DK, содержащий 13 разнотипных антенн (диапазоны от 136 МГц до 2.48 ГГц).

Краткие сведения о печатных антеннах, предлагаемых TI для различных диапазонов представлены ниже (Табл. 2.1-2.4)[7].

Антенны диапазона 2,4 ГГц

Антенны диапазона 868/915/955 МГц

Также для диапазона 868 / 915 / 955 МГц применяются спиральные и чип антенны - оба данных типа обладают своими преимуществами. Так, спиральные антенны достаточно просты в изготовлении, а чип антенны имеют весьма компактные размеры.

Для более длинноволновых диапазонов (315 МГц) применяются в основном спиральные антенны, но существуют и чип решения.

Рекомендованный TI путь выбора антенны состоит из нескольких шагов (Рис. 2.7) - обзор возможных решений на основе краткого справочника и более полной технической информации, изучение характеристик антенн (диаграмма направленности, влияние окружения), полевые испытания, изучение технических чертежей, шаблонов антенн, технологии их реализации и особенностей размещения на печатной плате, и рекомендаций по конфигурации печатной платы.

Рис. 2.7.  Документационное обеспечение TI при выборе антенны

Примеры реализации печатных антенн по исходным чертежам фирм производителей представлены на Рис. 2.8-2.10.

увеличить изображение

Рис. 2.8.  Петлевая антенна для приемопередатчиков 2.4 ГГц от Texas Instruments

увеличить изображение

Рис. 2.9.  Дифференциальная антенна для приемопередатчиков серий AT86** фирмы Atmel (2.4 ГГц)

увеличить изображение

Рис. 2.10.  Направленная дифференциальная антенна - модификация антенны, представленной выше - добавлен отражатель, что дает примерно +3 дБм к коэффициенту усиления

Антенна самим - это просто

Имея некоторые представления о процессах распространения радиоволн или просто некоторую практику радиолюбителя вполне можно получить вполне приемлемые антенны для беспроводных узлов самостоятельно. Особенно это касается проволочных антенн или простых печатных антенн.

Достаточно неплохим инструментом, позволяющим оценить параметры антенн, а также моделировать антенны с целью подбора и оптимизации их характеристик является свободно распространяемый продукт - MMANA [8].

Ниже рассмотрены некоторые примеры простых антенн, а также результаты моделирования диаграммы их направленности в свободном пространстве.

Четвертьволновой диполь (Рис. 2.11, Рис. 2.12) - классическое решение для дифференциальной антенны, отличающееся возможностью аналитического расчета, простотой изготовления и достаточно высокой повторяемостью параметров.

увеличить изображение

Рис. 2.11.  Диаграмма направленности четвертьволнового диполя, в плоскости XY и трехмерный вид

увеличить изображение

Рис. 2.12.  Внешний вид четвертьволнового диполя для частоты 2.4ГГц

Возможны также модификации, позволяющие несколько сократить габаритные размеры антенны при незначительном изменении эксплуатационных характеристик (Рис. 2.13-2.15).

U-образный диполь - данная антенна интересна тем, что имеет практически изотропную диаграмму направленности в свободном пространстве. Для конфигурации, представленной на рисунке волновое сопротивление антенны не оптимально для подключения напрямую к дифференциальным выводам приемопередатчиков. Лучшим вариантом () является U-образный диполь с ближе расположенными плечами, длины, несколько большей, чем 0.25.

Рис. 2.13.  Диаграмма направленности четвертьволнового U-образного диполя, в плоскости XY и трехмерный вид

увеличить изображение

Рис. 2.14.  Внешний вид U-образного четвертьволнового диполя для частоты 2.4ГГц

Рис. 2.15.  Диаграмма направленности дифференциальной спиральной антенны, в плоскости XY и трехмерный вид

Рис. 2.16.  Дифференциальная спиральная антенна

Рекомендации по топологии печатной платы

При создании печатной платы для беспроводного узла принято следовать определенным рекомендациям, позволяющим создать хорошее решение без проведения большой вычислительной работы по моделированию поведения платы в условиях высокочастотных сигналов [5].

Необходимо стремиться к снижению индуктивности переходов и межслойных соединений - обычно это сводится к увеличению размеров переходных отверстий или созданий большого количества параллельных рядом лежащих переходов.

Размеры земли верхнего слоя должны быть как можно больше, это е касается и нижнего слоя. Количество возвратных линий токов для цифровых линий и для линий радиосигналов должно быть одинаковым, что бы снизить влияние импульсных токов цифровой части схемы на аналоговую радиочасть. Более предпочтительными являются более компактные линии с радиосигналами и более компактное их расположение, но при сохранении достаточной степени электромагнитной изоляции между ними.

Слой медного покрытия сохраняется для использования в качестве нулевого (земли), следует избегать разрывов в слоях заземления (в ряде случаев они могут работать, как щелевые антенны). Соединения до источников питания минимизируются. Предпочтительнее использовать компоненты поверхностного монтажа типа SMT 402, поскольку они имеют меньшую паразитную емкость и более высокие резонансные частоты. Предпочтительнее использовать независимые линии отрицательного питания (общего провода) для всех компонент устройства (особенно для радиочасти и цифровых микросхем), при этом надо избегать образования петель. Для повышения частоты собственного резонанса схемы (в идеале выше, чем основная частота сигналов). Сигнальные линии и расстояния между компонентами должны быть больше, чем 0,012 дюйма (), а размеры переходных отверстий более 0,0145 дюйма при расстоянии между ними более, чем 5,2 от их диаметра.

Длина линии схемы, по возможности, должна быть менее 1/4 длины волны. Геометрия линий не должна содержать прямых узлов и острых изгибов.

При самостоятельной разработке узлов рекомендуется следовать типовой конфигурации печатной платы (приводимой в специализированных руководствах или в документации на микросхемы), особенно в радиочасти - антенна, развязывающие конденсаторы, печатная антенна, обвязка частотных генераторов.

Следует отметить, что для всех своих продуктов производители чаще всего предоставляет типовые рекомендованные топологии разводки печатных плат, вплоть до исходных файлов разводки. Это существенно упрощает и ускоряет процесс разработки собственного решения и освоения нового продукта.

Варианты построения беспроводных систем

Для обмена данными во всем мире предоставляются нелицензируемые радиочастотные диапазоны. В РФ на основании Решения Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) № 08-24-01-001 от 28.04.2008 и № 07-20-03-001 от 07.05 2007 для этих целей выделены частотные диапазоны 433.075 - 434.750 МГц и 868,7-869,2 МГц, 915 МГц, 2,45 ГГц, 5,8ГГц. Эти частоты могут использоваться без оформления специального разрешения ГКРЧ и совершенно бесплатно при условии соблюдения требований по ширине полосы, излучаемой мощности (до 10 мВт в районе частоты 434 МГц и до 25 мВт в районе частоты 868 МГц, до 100 мВт в диапазоне 2,4 ГГц) и назначению радиопередающего изделия.

Помимо законодательных критериев, при выборе частотного диапазона следует учитывать и технические факторы.

Для диапазона 2,400-2,4835 ГГц доступно больше частотных каналов, доступны более высокие скорости передачи, возможен непрерывный режим работы (для радиочасти), более компактные антенны. С другой стороны, устойчивая работа реализуется на более коротких расстояниях, возрастает влияние различных помех (интерференционные, многолучевое распространение, препятствия).

Для частот менее 1 ГГц разрешенные частотные диапазоны в различных странах могут отличаться и не всегда возможно использовать одну и ту же элементную базу. Также не везде разрешена непрерывная радио активность устройства.

Преимущества касаются лучшей дальности устойчивой работы по сравнению с частотами 2,4 ГГц диапазона, при одинаковой выходной мощности передатчика, уменьшению влияния препятствий на прохождение сигнала (особенно актуально для работы внутри зданий и офисных помещений).

Беспроводные сети применяются для организации связи, как в пределах здания, так и вне помещений, а также на подвижных объектах.

На программном уровне, на рынке беспроводных систем представлено несколько протоколов для сетей датчиков, обеспечивающих надежную связь, поддерживающих сети различных топологий, и снижающих энергопотребление узлов сети.

Беспроводные решения могут быть использованы для организации беспроводной связи с помощью пользовательских протоколов передачи данных, либо для реализации решений, использующих стандартные сетевые стеки коммуникации на основе спецификации IEEE 802.15.4 или решений фирм-производителей компонентов для беспроводных систем. Так, стандарт IEEE 802.15.4 является основой для таких приложений, как ZigBee RF4CE (бытовая электроника), поддерживающих профиль дистанционного управления (ZRC) или профиль устройств ввода (ZID). Широкое распространение получили ZigBee PRO-совместимые беспроводные сети, такие как сети автоматизации помещений (ZHA), автоматизации зданий (ZBA), управления освещением (ZLL) или интеллектуального распределения электроэнергии (ZSE). Стандарт IEEE 802.15.4 также используется для реализации коммуникационного уровня протокола IPv6/6LoWPAN для маломощных беспроводных систем.

Появление и развитие стандартов постоянно расширяет сферу применения беспроводных технологий. Внедрение систем автоматики и автоматизации, несмотря на кажущуюся порой избыточность, показало свою эффективность. В основе этого лежат разветвленные сети датчиков, управляемых узлов и механизмов. Даже для небольшого автоматизированного объекта их количество может превышать несколько сотен. Более того, современные задачи автоматизации требуют прозрачного межмашинного взаимодействия (M2M interaction), развитых сервисов, взаимодействия с базами данных, и даже пользовательского интерфейса. Основными критериями разработчиков при выборе элементной базы становятся энергопотребление, радиочастотные характеристики (чувствительность приемника, выходная мощность передатчика), объем памяти, доступный приложениям. Оптимизация стратегии энергопотребления с учетом особенностей приложения важна для систем с автономным питанием. Не последним требованием является и безопасность передаваемых данных.

Производителями беспроводных компонентов предлагается и развивается три подхода к построению беспроводных узлов.

Подход первый - приемопередатчик совместно с управляющим микроконтроллером. В этом случае микроконтроллер отвечает за работу сетевого стека и за работу прикладных задач. Приемопередатчик подключается к контроллеру посредством SPI или UART интерфейса. Данный подход позволяет комбинировать беспроводные компоненты и управляющие контроллеры для получения оптимальных показателей по одному или нескольким показателям: энергопотребление, массо-габаритные показатели, набор требуемых функций, наличие программных библиотек, стоимость решения. Кроме того, вполне допускается комбинация решений от различных производителей, хотя чаще всего бывает достаточно элементной базы, предлагаемой отдельно взятым производителем.

Вторым вариантом является применение систем-на-кристалле, содержащих в одном корпусе и приемопередатчик, и микроконтроллер. Процессорное ядро контроллера при этом также выполняет и стек протоколов и приложения. Данное решение является более компактным, требует меньшего количества компонентов.

И в том, и в другом случае при отладке приложения необходимо отслеживать работу и стека протоколов, и приложения. Кроме этого, некорректная работа приложения может привести к прекращению выполнения процедур стека протоколов, и, как следствие, выхода узла из сети, что в свою очередь может повредить выполнению распределенного приложения в целом. Аналогично, ошибки в работе стека протоколов могут привести к зависанию микроконтроллера или прекращению выполнения приложения. Узел, в таком случае, перестает выполнять свои функции.

Многофункциональные однокристальные беспроводные решения обеспечивают разработчикам возможность удовлетворения самых высоких требований потребителей при одновременном увеличении гибкости приложений, сокращении количества необходимых комплектующих и занимаемого места на печатной плате. На сегодняшний день на рынке однокристальных беспроводных микроконтроллеров присутствуют несколько фирм: Atmel, Freescale Semiconductor, Microchip, Nordic, NXP, Silicon Laboratories, ST Microelectronics, Texas Instruments. Условия достаточно сильной конкуренции вынуждают компании постоянно совершенствовать архитектуру систем-на-кристалле, оптимизировать параметры приемопередатчиков, режимы энергосбережения, развивать программное обеспечение, предлагая программные библиотеки, стеки протоколов, среды и средства разработки.

Аппаратные возможности микроконтроллеров беспроводных систем-на-кристалле отличаются друг от друга, как по разрядности обрабатываемых данных, так и по максимальным рабочим частотам. Представлены 8-, 16-, и даже 32-битные процессорные ядра. Достаточно часто в качестве управляющих микроконтроллеров в беспроводных системах-на-кристалле встречаются общепринятые стандартные процессорные ядра, такие как, 8-битные ядра архитектуры х51 и 32-разрядные ARM-ядра. В ряде случаев фирмами предлагаются законченные решения - беспроводные системы сбора данных, интегральные датчики физических величин.

Третьим вариантом является разнесение выполнения прикладной задачи и стека протоколов на разные микроконтроллеры. Один из контроллеров выполняет прикладную задачу, контроллер с интегрированным беспроводным интерфейсом, так называемый, сетевой процессор, выполняет сетевые задачи - подключение к сети, маршрутизация, передача данных. Данные решения предлагаются как для общепринятых стандартов (например, сети ZigBee, 6LoWPAN или Bluetooth), так и для проприетарных протоколов. В качестве сетевого контроллера, как правило, выступает беспроводная система-на-кристалле. В данном случае также остается свобода выбора прикладного и сетевого контроллера в зависимости от потребностей конкретных приложений.

Жизненный цикл разработки беспроводных систем

Каждая область применения беспроводных систем характеризуется наличием определенного количества узлов и предназначено для решения определенного класса задач или предоставления пользователям определенных сервисов.

Как правило, количество узлов зависит от числа агентов, выявленных в результате декомпозиции задачи, и может варьироваться от двух до нескольких тысяч. При декомпозиции задачи анализируются потоки данных между агентами, выясняется их направленность, интенсивность, определяется расположение конечных узлов сети и требования к их мобильности.

Разработчику доступны как проприетарные решения, так и решения, основанные на международных стандартах, потенциально расширяющие возможный рынок потребления конечных устройств и гарантирующие совместимость и совместную работу систем - в частотности поддержка стандарта 802.15.4 и протоколов на его основе ZigBee и 6LoWPAN.

Каждая из топологий требует, естественно поддержки в виде сетевого приложения или протокола.

Фактически, каждая прикладная задача в области беспроводных систем представляется как отдельный проект со своими этапами развития и жизненным циклом. Типичный цикл разработки для беспроводных систем следующий:

1. Определение требований:
   • количество узлов сети;
   • анализ и выбор необходимой топологии сети;
   • среднее расстояние между узлами;
   • диапазон требуемых скоростей передачи данных;
   • энергопотребление узлов и источники их питания (стационарное питание, автономные устройства);
   • типичное время работы узлов в автономном режиме.
2. Выбор технологий реализации:
   • адаптация типовых решений или разработка "с нуля";
   • выбор или разработка стека протоколов;
   • приведение в соответствие с правовыми, техническими и медицинскими нормами;
   • выбор между использованием модулей и микросборок и самостоятельной разработке узлов на основе наборов микросхем - оценка временных и денежных затрат.
3. Проектирование:
   • выбор линейки продуктов для построения решения;
   • выбор антенн;
   • разработка печатной платы;
   • выбор средств разработки программного обеспечения сетевого приложения;
   • поддержка разработки - симуляция, отладочные платы, эскизный проект.
4. Тестирование приложения:
   • сертификация;
   • проверка совместной работы с другими беспроводными системами или обеспечение совместимости с ними;
   • тестирование работы приложения.
5. Производство:
   • планирование жизненного цикла продукта и его сопровождение;
   • система контроля качества.

Лекция 3. Популярные и перспективные стандарты и протоколы беспроводных сенсорных сетей

Одной из последних тенденций современности является становление так называемого "Интернета вещей" (Internet of things) - совокупности устройств, способных взаимодействовать друг с другом, выполняя при этом определенные функции. Иногда это кажется излишеством, но во многих случаях небольшие автоматизированные или автоматические устройства способны составить элегантное решение многих прикладных задач - сбор показаний датчиков, сигнализация событий, мониторинг состояния объектов, управление приборами и устройствами. Популярность и сфера применения небольших автономных устройств с сетевыми возможностями постоянно растет. Этому немало способствует уменьшение их размеров и стоимости, а также развитие программной инфраструктуры в виде стеков протоколов и библиотек приложений.

Сети ZigBee

На сегодняшний день альянсом ZigBee представлены десять профилей, стандартизующие и регламентирующие состав и функции и способы взаимодействия узлов сетей различного назначения - ZigBee Smart Energy™, ZigBee Home Automation™, ZigBee Remote Control™, ZigBee Health Care™, ZigBee Telecom Services™ , ZigBee Building Automation™, ZigBee Retail Services ™ , ZigBee 3D Sync™, ZigBee Input Device™, ZigBee Light Link™ [9].

Стандарты ZigBee Smart Energy™, ZigBee Home Automation™, ZigBee Building Automation™ предлагают комплексный подход к автоматизации управления различными системами и приборами жилых, коммерческих и промышленных помещений и включают в себя функции управления и осветительными приборами (в частности профиль ZigBee Home Automation). Стремительное развитие и совершенствование производства светодиодов и светильников на их основе позволило в полной мере реализовать функции управления освещением, поставив, тем не менее, ряд новых задач. Снижение стоимости светодиодных светильников способствуют их более широкому распространению и постепенному вытеснению устаревающих светильников (ламп дневного света, ламп накаливания). Немаловажным фактором при замене светильников на светодиодные является простота интеграции их в существующие системы управления освещением, а также интеграция с системами автоматизации помещений. Большинство из перечисленных выше стандартов сетей при их развертывании требуют комплексного подхода, часто с участием квалифицированных специалистов. Вместе с тем потенциальный рынок устройств и систем, не требующих профессиональной установки и настройки (типа включил-работает), достаточно объемен.

ZigBee Smart Energy

Профиль ZigBee Smart Energy стандартизует функции устройств, предназначенных для мониторинга, управления и автоматизации доставки, распределения и потребления энергии и воды (Рис. 3.1). Он помогает системы интеллектуального управления, распределения и учета электроэнергии, тепла и воды с целью построения т.н. экологичных домов, предоставляя разработчикам средства для уменьшения времени и средств на разработку системы.

Рис. 3.1.  Целевые приложения профиля ZigBee Smart Energy

Этот стандарт отражает текущий взгляд потребителей, разработчиков оборудования, правительственных групп на развитие потребностей в энергии и воде с учетом возможного влияния на глобальную экологическую систему.

Все продукты со знаком ZigBee Smart Energy - сертифицированы стандартом ZigBee, что позволяет приобретать их независимо от производителя. Доступны любые продукты, необходимые для реализации сети уровня здания - home area network (HAN). Продукты, поддерживающие данный стандарт, позволяют создавать масштабируемые, безопасные, легко интегрируемые решения.

ZigBee Home Automation

ZigBee Home Automation - глобальный стандарт для продуктов в рамках проектов "умный дом", стандартизующий управление различными приборами, освещением, климатом, потреблением энергии с возможностью подключения к другим ZigBee сетям.

Системы типа "умный дом" позволяют потребителям экономить деньги, повысить уровень комфорта и безопасности.

ZigBee Home Automation поддерживает платформы различных поставщиков услуг и разработчиков продукции, предназначенных для создания новых разработок, рынка устройств для самостоятельной сборки и изготовления, реконструкции старых систем.

Основные свойства систем

• простота установки устройств, достаточная для самостоятельной установки устройств;
• самоорганизующаяся сеть, легкая в установке и эксплуатации;
• доступ к среде передачи, предотвращающий конфликты при выполнении операций.

Предусматривается возможность управления устройствами посредством доступа из глобальной сети, а также с использованием мобильных телефонов. В управлении возможен и контроль энергопотребления устройств, вплоть до удаленного включения-выключения.

Типовые области использования устройств ZigBee Home Automation следующие.

Системы безопасности:

• интеграция новых устройств в систему безопасности дома;
• системы открывания/закрывания окон;
• встраиваемые охранные системы, интегрированные в систему "умный дом".

Системы контроля освещения:

• настройка необходимого уровня освещенности в зависимости от активности и интерьера в помещении.

Поддерживаемые устройства:

• ключи включения-выключения;
• ключи, срабатывающие по уровню;
• бинарные сигнализаторы;
• сигнализаторы уровня;
• классификаторы явлений;
• инструменты конфигурации;
• удаленное управление;
• комбинированные интерфейсы;
• устройства аварийного отключения питания;
• дверные замки;
• простые сенсорные устройства.

Управление освещением:

• включение-выключение света;
• регулировка освещенности;
• регулировка тона света;
• управления ключами включения-выключения света;
• управление ключам регулировки тона света;
• датчики света;
• датчики присутствия.
• контроль затенения;
• управление окнами.

HVAC

• блоки нагрева-охлаждения;
• термостаты;
• контроллеры насосов;
• датчики давления;
• датчики потока.

Охранные системы:

• окружение контроля и индикации IAS систем;
• контроль вспомогательных служебных систем;
• IAS зоны;
• тревожные устройства IAS.

ZigBee Remote Control

ZigBee Remote Control разработан для устройств радиоуправления, способных к управлению устройствами, находящимися вне поля зрения, двунаправленного обмена данными, продления времени автономной работы. Он был разработан для различной пользовательской электронной аппаратуры, включая HDTV, домашние кинотеатры, аудио аппаратура.

ZigBee Remote Control освобождает разработчиков от необходимости размещать управляющие и управляемыt устройства пределах прямой видимости, расширяет выбор материалов для лицевых панелей устройств - нет необходимости в оптической прозрачности.

ZigBee Remote Control является открытым профайлом спецификации ZigBee RF4CE specification.

Сценарии использования

ZigBee Remote Control предусматривает упрощение работы достаточно большого количества типов устройств. Примерные три сценария использования устройств ZigBee Remote Control:

Домашний кинотеатр:

При запуске DVD в плеере, TV автоматически переключается на нужный сигнальный вход, переходя к просмотру DVD. При этом компоненты аудио системы продолжают работу, освещение в помещении подстраивается под выбранные настройки, при необходимости закрываются шторы или жалюзи.

Управление мультимедийным центром:

Аппаратура воспроизведения в данном случае может находится в другом помещении, чем центр управления.

Для воспроизведения может выбираться различное содержимое - музыка, фотографии, видео.

Возможно удаленное управление при помощи интерфейсных панелей с LCD or DTV/STB GU.

Внутрисхемное удаленное программирование устройств:

Устройства управления могут поставляться без программного кода и могут получать данные о возможностях управляемых устройств непосредственно на месте при первоначальной инициализации.

Для OEM модулей возможны обновления прошивки, добавления новых функций или исправления ошибок, выявленных в процессе эксплуатации.

Функции двунаправленного обмена добавляют следующие потенциальные возможности:

• более управляемые устройства;
• больший контроль над ходом выполнения команд;
• добавляется возможность поиска удаленного устройства;
• возможно управление с удаленного пульта с ЖК или сенсорной панелью;
• прочие интерактивные возможности.

Переход к радиоканалу позволяет:

• разработчикам пользоваться большей свободой выбора в расположении приемника команд;
• устройствами становится легче управлять;
• нет необходимости в обеспечении прямой видимости между устройствами управления;
• способствует уменьшению случаев возвратов товара и звонков в службу поддержки;
• увеличивается дистанция, на которой возможно управление.

Стандартизация команд

• отпадает необходимость поддерживать большую базу данных команд IR управления;
• нет необходимости в нескольких управляющих устройствах, т.к. все устройства поддерживают один и тот же набор команд.

Значительно уменьшается энергопотребление по сравнению с ИК устройствами, соответственно меньше затрат на источники питания.

Поддерживаемые типы устройств:

• телевизионная аппаратура;
• проекторы;
• плееры;
• рекордеры;
• видеоплееры (VCR, DVR, DVD, Blu-ray и др.);
• аудиоустройства;
• домашние кинотеатры;
• игровые консоли;
• приемники спутниковых сигналов;
• мониторы;
• расширители ИК устройств;
• пульты удаленного управления.

Топология сети

Сеть ZigBee RF4CE состоит из узлов двух типов - управляющий узел и целевой (упарвляемый) узел. Целевой узел имеет возможности координатора сети (в данном случае PAN сети) и, соответственно, может инициировать создание сети (RC PAN). Управляющий узел может войти в состав сети целевого узла. Несколько RC PAN сетей составляют общую сеть контроля и узлы из различных RC PAN сетей могут взаимодействовать в рамках данной сети. Для взаимодействия с целевым узлом, управляющий узел переключается на другой радиоканал, получает идентификатор целевой сети RC PAN ID. Затем, используя сетевой адрес регистрируется в целевой сети и взаимодействует с выбранным узлом в целевой сети. На Рис. 3.2 показан пример топологии сети ZigBee RF4CE, включающей в себя три целевых устройства: TV, DVD, CD каждый из которых организует собственную RC PAN. Каждое из целевых устройств имеет в своей сети управляющий узел. Многофункциональный RC способен управлять каждым из трех целевых устройств, вступая в их RC PAN.

Рис. 3.2.  Пример топологии сети ZigBee RF4CE, включающей в себя три целевых устройства: TV, DVD, CD каждый из которых организует собственную RC PAN

ZigBee Health Care

Стандарт ZigBee Health Care разработан для обеспечения совместимости, безопасной работы устройств, предназначенных для мониторинга и управления некритичными медицинскими системами, предназначенными для отслеживания хронических заболеваний, общего состояния здоровья, как в бытовых условиях, так и при занятиях спортом.

ZigBee Health Care предоставляет экосистему для осуществления функций автоматизации мониторинга, сбора данных о состоянии здоровья человека с целью предотвращения и раннего обнаружения заболеваний и патологий, вне зависимости от местонахождения человека.

При работе над стандартом ZigBee Health Care, ZigBee Alliance объединил усилия с Continua Health Alliance (открытая коалиция компаний, работающих в области здравоохранения, медицинских приборов персонального пользования). ZigBee Health Care был одобрен Continua, как стандарт энергоэконономных локальных сетей (LAN) в рекомендациях по проектированию the Continua 2010 Design Guidelines.

Aging Independently

• надежный удаленный контроль состояния пациентов;
• сохранение мобильности пациентов;
• сенсоры активности и состояния для домашнего и профессионального применения;
• возможность определения местоположения в реальном времени.

Мониторинг хронических заболеваний

• улучшенная обратная связь для лучшего самостоятельного мониторинга;
• возможно взаимодействие между несколькими устройствами в случае нескольких хронических заболеваний;
• потенциально возможное объединение устройств в большую сеть для профессиональных нужд (например, в рамках поликлиник, больниц или медицинских центров).

Общее здоровье и самочувствие

• носимые сенсоры для контроля во время занятий спортом или фитнесом;
• временные штампы для повышения точности и синхронизации показаний сенсоров;
• оптимизация скорости передачи данных для различного фитнес-оборудования;
• разрешены режимы потоковой передачи, передачи с промежуточным хранением, режим массированной передачи данных.

Поддерживаются следующие типы устройств:

• полная поддержка профилей спецификации IEEE 11073;
• медицинские устройства типа - глюкометров, измерителей пульса, давления, электрокардиографы, весы, термометры, респирометры;
• немедицинские приборы - устройства оповещения окружающих о критическом состоянии человека, персональные мониторы активности человека, напоминатели о необходимости приема препаратов, фитнес-оборудование;
• устройства управления данными, такие, как мобильные телефоны, КПК, персональные компьютеры, ноутбуки;
• домашние приборы накопления данных с использованием автономных устройств, таких, как магнитики на холодильник, дисплеи отображения данных о здоровье.

ZigBee Building Automation

Стандарт, регламентирующий интегрированное и централизованное управление освещением, обогревом, вентиляцией, кондиционированием, охранно-пожарными системами, автоматизацию и согласование управления несколькими системами с сохранением гибкости и безопасности.

Задачи управления:

• интеграция и централизация управления освещением, отоплением, охлаждением и сигнализацией зданий.

Экологичность:

• уменьшение перерасхода энергии путем оптимизации управления HVAC оборудованием;
• учет фактического потребления коммунальных услуг.

Гибкость:

• сохранение возможности реконфигурации системы освещения при изменении конфигурации или функций внутренних помещений.

Системы безопасности:

• организация сети и интеграция данных от различных точек контроля доступа;
• развертывание беспроводной сети мониторинга для повышения степени защиты периметра.

ZigBee Telecommunication Services

Данный стандарт для обеспечения интероперабельности продуктов, нацеленных широкий спектр дополнительных услуг, включая предоставление информации, мобильные игры, основанные на местоположении услуги, безопасные мобильные платежи, мобильная реклама, зоны биллинга, управления для мобильных устройств доступа офис, отдел платежей, и услуг обмена данными между устройствами.

Этот единый стандарт предлагает доступный и простой способ для внедрения инновационных новых услуг, которые касаются почти всех, кто использует мобильные телефоны и другие портативные электронные устройства. Он предлагает различные дополнительные услуги для операторов сетей мобильной связи, учреждений розничной торговли, сферы бизнеса и правительства.

Потребители могут использовать свои мобильные телефоны для оплаты услуг и сервисов, создания собственных игровых и социальных сетей, получения бонусов и скидок от поставщиков товаров и услуг, получения информации о направлении движения при взаимодействии с устройствами спутниковой навигации.

ZigBee Telecom Services поддерживает нужды области разработчиков продуктов, операторов сетей мобильной связи, представителей бизнеса и правительственных структур.

Сервисы доставки информации

Мобильные телефоны, оборудованные SIM картой с поддержкой ZigBee могут получать разнообразную информацию, предлагаемую сетевым оператором:

• погода;
• оповещения о чрезвычайных ситуациях и авариях;
• уведомления местных муниципальных властей;
• информацию о трафике;
• объявления;
• спортивные новости;
• биржевые данные;
• положение внутри помещения (например в гипермаркетах и торговых центрах).

Также возможно использование таких телефонов для оплаты сервисов в ряде областей:

• магазины;
• рестораны;
• парковки;
• кинотеатры под открытым небом;
• междугородних переговоров;
• врачебных услуг.

Локализованные сервисы

Устройства с ZigBee SIM картами могут быть использованы для подсчета пройденного расстояния, определения местоположения внутри зданий без использования GPS. Это может помочь сориентироваться в больших помещениях типа аэропортов, торговых центров дополнении к предоставляемой информацией о предлагаемых услугах.

Мобильные игры

Два и более устройств, оборудованных устройствами ZigBee Telecom Services могут быть объединены в сеть.

Основные черты решений на базе ZigBee Telecom Services:

Масштабируемость:

• поддерживаются сети с количеством узлов до нескольких тысяч;
• возможность выхода в Интернет при помощи шлюзов;
• добавление новых сервисов в устройства.

Стандартизованный набор команд:

• использование отрытого стандарта для интероперабельности и межсетевого взаимодействия;
• поддержка простого обмена данными и контентом при помощи легких и масштабируемых решений;
• возможность использования и подключения устройств поддерживающих другие открытые профили ZigBee.

На физическом уровне предусмотрен механизм предотвращения коллизий и интерференций и анализ занятости канала. Продемонстрирована совместимость с WiFi и Bluetooth устройствами.

Дополнительные сервисы

• локализованная реклама;
• локализованные сервисы;
• голосовая информация;
• общие данные;
• доставка информации;
• безопасные мобильные платежи;
• мобильный офис;
• дополнительная реальность.

ZigBee Retail Services

Retail Services™ - новый стандарт, разрабатываемый с учетом специфики использования в торговой сфере на протяжении всей цепочки от производителя до продавца, с целью получения новых возможностей и сервисов.

В частности, один из секторов применения данного профиля - сфера розничной торговли. Цель - повышение уровня сервиса, предоставляемого клиентам. Профиль будет определять приложения для мобильных терминалов и подключаемых модулей. Также профиль будет определять новую методологию предоставления различных сервисов:

• информация о магазине - ассортимент, способы доставки, обмен данными с клиентами, взаимодействие с платежными системами;
• сервисы, привязанные к помещению - отслеживание, регистрация товара, информация о местоположении;
• закупки на дому - установка беспроводной сети в домах покупателей для осуществления покупок, отслеживания уровня запасов, формирования заказов;
• устройства помощи в розничной торговле - голосовое информирование продавцов и покупателей;
• забота о здоровье - проверка возможного взаимодействия продуктов с принимаемыми лекарственными препаратами, заполнение заказов, проверка доступности товара, оповещения;
• управление цепочками поставок - управление складом, сквозное управление поставками.
• проверка соответствия нормативным требованиям - условия хранения и доставки, отслеживание сроков годности товара для пищевых, фармацевтических и других товаров с ограниченным сроком годности;
• управление энергопотреблением - поддержка разнородных датчиков и возможность интеграции с системой управления зданием.

ZigBee 3D Sync

Разрабатываемый стандарт ZigBee 3D Sync нацелен на поддержание более приятного и удобного просмотра трехмерных сцен. Разработка и внедрение устройств данного стандарта обеспечит большую свободу движений во время просмотра 3D - без нарушения эффекта объемного изображения, позволит снизить воздействие внешних источников света, сделает устройства более энергоэкономичными и экологичными.

Стандарт разрабатывается для поддержки взаимодействия 3D очков и источников трехмерных сцен - 3D HDTV, игровыми консолями, Blu-ray проигрывателями и другими. Устройство, связанное с 3D очками, передает информацию о движении головы, источник трехмерной сцены корректирует работу затворов таким образом, чтобы не нарушать эффект трехмерности. Предусматривается возможность поддержки различных частот смены кадров - для совместимости с существующими и будущими устройствами воспроизведения, и поддержка различных режимов воспроизведения - автоматическая смена режимов при смене 3D картинки на 2D.

Устройства, поддерживающие стандарт также будут более энергоэффективными, чем устройства, использующие инфракрасный канал. Поскольку ZigBee 3D Sync разрабатывается специально для спецификации ZigBee RF4CE, то устройства, его поддерживающие будут совместимы с существующими устройствами управления ZigBee Remote Control.

ZigBee Input Device

ZigBee Input Device - новый глобальный стандарт для обеспечения взаимодействия разнообразных устройств ввода (мыши, клавиатура, тач-пады, сенсорные перья и т.п) с персональными компьютерами и с другой потребительской электроникой (consumer electronic - CE). Стандарт позволяет использовать данные устройства на большем расстоянии и вне зависимости от интерьера или его цветовой гаммы.

Также для устройств поддерживающих этот стандарт, сохраняется высокая энергетическая эффективность - что положительно скажется на времени жизни батареек и на их общем количестве вообще.

Стандарт предлагает естественную поддержку команд-жестов и команд множественных прикосновений, также есть возможность добавить специальные функции и увеличить производительность устройств ввода.

Предполагается поддержка и совместимость с устройствами стандарта ZigBee Remote Control (он разрабатывался специально с учетом спецификации ZigBee RF4CE).

Поддерживаемые устройства:

• телевизоры;
• плееры;
• записывающие устройства;
• телевизионные приставки;
• пульты дистанционного управления;
• манипуляторы типа - мышь;
• клавиатура;
• сенсорные устройства ввода;
• планшеты;
• указатели.

ZigBee Light Link

В конце апреля 2012 альянс ZigBee объявил о завершении разработки и ратификации стандарта ZigBee Light Link [10-13], предназначенного для реализации беспроводных систем управления осветительным оборудованием. Инициаторами разработки стандарта выступили такие известные производители осветительного оборудования как Philips, Osram, GreenWave, Sylvania, GE, в содружестве с фирмами производителями программного обеспечения, электронных компонентов: STMicroelectronics, Atmel, Texas Instruments, Ember, NXP.

Предполагается, что устройства на базе нового стандарта будут так же просты в использовании, как и обычные домашние регуляторы освещения. Энергосберегающие лампы, светодиодные светильники, датчики, таймеры и пульты управления, выполненные с использованием ZigBee Light Link, будут подключаться в единую сеть без применения каких-либо специальных координирующих устройств, что позволит потребителям легко дополнять свои сети освещения новыми приборами. При этом от потребителя не требуется каких-либо навыков в установке и конфигурировании сетевых устройств, их программирования.

Как и все устройства, использующие стандарты ZigBee, световые приборы ZigBee Light Link могут управляться через компьютеры, планшеты и смартфоны, подключенные к сети Интернет. Благодаря новому стандарту потребители получат множество преимуществ беспроводного управления освещением, а также возможностью комбинировать в одной системе устройства от разных производителей.

ZigBee Light Link - краткая характеристика

ZigBee Light Link стандартизует функции и взаимодействие управляемых светильников, регуляторов света, устройств управления, обеспечивая совместимость устройств различных производителей, а также легкую интеграцию устройств в существующую сеть и развертывание сети. Стандарт позволяет пользователям удаленно управлять освещением помещений или зданий в зависимости от текущего времени суток, освещенности, времени года, позволяя получить приемлемый уровень комфорта в сочетании с экономией электроэнергии.

В сети стандарта ZigBee Light Link не предусмотрено специально выделенных устройств, управляющих сетью (координаторов). В результате этого предельно упростилось использование данных сетей и устройств с поддержкой ZigBee Light Link в повседневной жизни.

Поскольку ZigBee Light Link является одним из стандартов ZigBee, устройства с его поддержкой являются совместимыми с устройствами ряда стандартов, включая ZigBee Home Automation, ZigBee Input Device, ZigBee Remote Control, ZigBee 3D Sync и ZigBee Health Care [10-13].

Структура профиля ZigBee Light Link

Также как и другие профили ZigBee, профиль Light Link работает поверх стека протоколов ZigBee PRO (Рис. 3.3) [12, 13]. Приложение в данном случае обеспечивает выполнение команд профиля на конкретной аппаратуре. Профиль предусматривает не только стандартизованные функции для управления светильником, но и механизм подключения новых устройств к сети, называемый Touchlink, без координатора сети и с достаточным уровнем безопасности.

Структура профиля ZigBee Light Link представлена на Рис. 3.4. Для поддержки межсетевого взаимодействия совместно со стеком протоколов ZigBee PRO действует компонент APS/NWK. Сам профиль включает три основных компонента:

• поддержка подключения и работы устройств в сети без координатора;
• компонент обеспечения безопасности;
• библиотека функций управления - кластер Light Link (основанный на функциях ZigBee Cluster Library с добавлением специализированных функций управления).

В сеть профиля ZigBee Light Link входит только два типа устройств - устройства освещения (светильники) и устройства управления (пульты управления, контроллеры устройств).

Основные устройства освещения:

• светильник с функциями включения/выключения;
• выключатель;
• светильник с регулируемым уровнем яркости;
• регулятор света;
• RGB-светильник (цветная подсветка);
• подсветка интерьера и внешняя подсветка зданий;
• светильник с регулируемой цветовой температурой.

Устройства управления освещением:

• RGB-контроллеры;
• RGB-контроллеры подсветки сцен;
• контроллеры управления освещением;
• выключатели;
• мосты передачи команд управления.

увеличить изображение

Рис. 3.3.  Семейство стандартов альянса ZigBee

увеличить изображение

Рис. 3.4.  Структура профиля ZigBee Light Link

Список кластеров функций, поддерживаемых в ZigBee Light Link, представлен в Табл. 3.1.

Для рынка готовых устройств или устройств самостоятельной установки простота использования или пуска в работу является ключевым фактором их популярности и успеха. Приборы освещения, безусловно, относятся именно к данному классу приборов - не так часто потребитель вызывает мастера для смены лампочки дома или настройки телевизионных каналов.

Легкость развертывания сети или интеграции в существующую сеть Light Link нового прибора обеспечивается механизмом Touchlink, не требующим наличия в сети координатора.

Touchlink использует механизм межсетевого взаимодействия (inter-PAN) для интеграции устройства в сеть. Передаваемые Touchlink сообщения содержат команды кластера ZigBee Light Link (ZLL) [12, 13]. После первого подключения устройства к сети оно продолжает работу под управлением стека протоколов ZigBee PRO.

Процесс подключения устройства выглядит следующим образом:

1. Первоначально пользователь имеет светильник и контроллер.
2. Включив питание светильника, пользователь на контроллере нажимает кнопку, инициирующую на нем процедуру подключения Touchlink (Рис. 3.5)

   Таблица 3.1. Список кластеров функций, поддерживаемых в ZigBee Light Link

   Идентификатор кластера	Кластер	Библиотека	Атрибуты	Команды	Таблица сцен (при наличии её поддержки)
   0х0000	Базовые функции - формирование атрибутов идентификатора	ZLC	Дополнительные	-	-
   0х0003	Идентификация состояния - механизм переключения эффектов.
   0х0004	Группы	ZCL	-	-	-
   0х0005	Сцены - поддержка смен состояния с градациями до 1/10 секунды, поддержка механизма копирования сцен.	ZCL	-	Дополнительные	Дополнительные
   0х0006	Включение/выключение - механизмы управления сценой (возврат к предыдущему состоянию освещенности), задание режимов выключения, включение света на определенное время.	ZCL	Дополнительные	Дополнительные
   0х0008	Управление уровнем освещенности - 16-битные градации уровня	ZCL	Расширенные	-	-
   0х0300	Управление цветом - 16-битные градации уровня, управление цветовой температурой, задание последовательности циклического изменения цвета.	ZCL	Дополнительные	Дополнительные	Дополнительные
   0х1000	Подключение к сети ZLL	ZLL	-	Новые	-

   
   
   
   увеличить изображение
   
   Рис. 3.5.  Последовательность работы процедуры подключения Touchlink

3. По завершении процедуры пользователь получает возможность управлять светильником с данного управляющего контроллера.

Поскольку при дальнейшей работе устройств ZigBee Light Link после подключения используется стек ZigBee PRO, они могут взаимодействовать с устройствами других профайлов ZigBee. Например, светильник может маршрутизировать и пересылать сообщения для системы кондиционирования, пакеты, предназначенные приборам освещения могут быть переданы другими устройствами автоматизации, один и тот же пульт управления может быть использован для контроля за всеми устройствами в доме или помещении (Рис. 3.6).

увеличить изображение

Рис. 3.6.  Пример взаимодействия устройств ZigBee Light Link с устройствами других профилей

Вопросы безопасности сети ZigBee Light Link

Поскольку сети ZigBee Light Link функционируют без координатора, и, следовательно, без доверительного центра, в них нет возможности использовать традиционный для сетей ZigBee механизм обеспечения безопасности. ZigBee Light Link использует механизм безопасности сетевого уровня, а, значит, стороны, участвующие в обмене данными, должны обменяться сетевым ключом.

Инициатор процедуры Touchlink отвечает за генерацию ключа и передачу его второму устройству при установлении соединения. Для того, чтобы ключ не передавался в открытом виде, он шифруется мастер-ключом ZigBee Light Link, который присваивается устройству при подтверждении соответствия спецификации.

Устройства обнаруживают друг друга посредством Touchlink. Инициатор генерирует случайный ключ, шифрует его мастер ключом, передает на сетевой уровень. Инициатор запрашивает у устройства запуска сети или присоединения к его сети, одновременно передавая шифрованный ключ. Устройство расшифровывает ключ мастер ключом и передает его на сетевой уровень. Полученный ключ будет в дальнейшем использован при сетевом обмене между устройствами (Рис. 3.7).

Сети ZigBee LightLink могут быть использованы для повышения уровня комфорта за счет возможности удаленного управления устройствами освещения, регулировки уровня яркости, наличия функций управления освещением по таймеру. Внедрение устройств ZigBee LightLink позволяет более рационально использовать энергию за счет регулировки освещения в зависимости от уровня освещенности, мониторинга энергопотребления, включения/выключения света в зависимости от присутствия человека в помещении.

Типичный радиус сети Light Link может составлять до нескольких десятков или даже сотни метров (с учетом маршрутизации сообщений узлами сети). При помощи шлюза Интернет-ZigBee Light Link пользователь получает возможность контролировать свою сеть светильников удаленно через глобальную сеть.

Стандарт ZigBee Light Link ориентирован на при применение в экономичных, энергоэффективных светильниках, прежде всего, в светодиодных светильниках основного освещения и декоративной подсветки. В отличие от сетей других профилей, сети Light Link рассчитаны на развертывание самим потребителем.

увеличить изображение

Рис. 3.7.  Процедура установления безопасного соединения между устройствами Light Link

Интернет шлюзы позволяют управлять домашними осветительными приборами удаленно, используя достаточно простые программы, установленные на смартфонах, коммуникаторах, планшетных компьютерах.

6LoWPAN

Сенсорная сеть глобального масштаба? Отслеживание процессов и событий через обычную компьютерную сеть? Сети 6LoWPAN открывают такую возможность - взаимодействие с беспроводными сенсорными сетями становится удобнее.

"Сеть - это компьютер" - гласит девиз компании Sun Microsystems.

Мощь сети определяется количеством задействованных в ней узлов и способностью протоколов эффективно использовать заложенные возможности. Сетевые возможности применяются во многих отраслях деятельности - мониторинг и управление объектами, сбор, передача и первичная обработка данных и многое другое. При этом узлы сети могут иметь существенные различия по вычислительным, коммуникационным ресурсам и по ресурсам памяти.

Особенно ценным качеством сети является её способность интегрировать в себе различные устройства с различными функциями и предоставляемыми ресурсами. Определяющую роль при этом играют сетевые протоколы - стек протоколов. Яркий пример этому - стек протоколов TCP/IP, лежащий в основе подавляющего большинства современных сетей различного уровня, масштаба и назначения. Самая крупная и самая используемая из них - сеть Internet, предоставляющая глобальные коммуникации, услуги, сервисы. Более важным фактором является то, что разработаны стандарты обработки информации и разработки приложений для сетей TCP/IP. Сеть Internet уж включает в себя несколько миллиардов узлов и стоит на пороге перехода на новую версию протокола IP - IPv6, обеспечивающего более гибкую схему адресации и приличный запас адресного пространства.

Повсеместное внедрение систем автоматики и автоматизации, несмотря на кажущуюся порой избыточность, показало свою эффективность. В основе этого разветвленные сети датчиков (сенсоров), управляемых узлов и механизмов. Даже для небольшого автоматизированного объекта их количество может превышать несколько сотен. Более того, современные задачи автоматизации требуют прозрачного межмашинного взаимодействия (M2M interaction), развитых сервисов, взаимодействия с базами данных, и даже пользовательского интерфейса. В этом ключе, использование инфраструктуры сети Internet для построения распределенной масштабируемой системы выглядит весьма соблазнительно.

Прямая поддержка протоколов Internet для подавляющего большинства узлов сенсорных сетей невозможна. Причин тому несколько:

• ограниченные ресурсы источника питания (автономные устройства);
• недостаточные вычислительные возможности;
• малый объем памяти.

К этому добавляются достаточно большой объем заголовков и пакетов сетевых протоколов.

Для выхода из данной ситуации IETF разработан стек протоколов 6LoWPAN [14] - версия протокола IPv6 для беспроводных сенсорных сетей с низким энергопотреблением. Ключевые особенности сетей 6LoWPAN являются:

• доступность любого узла сети по его адресу;
• нет необходимости в шлюзе прикладного уровня для работы с узлами сети.

Так как 6LoWPAN является протоколом сетевого уровня, то может использоваться с любым физическим и канальным уровнем, аналогичная ситуация и со стеком TCP/IP. Более того, не обязательно использовать беспроводную среду передачи. Для поддержки больших сетей узлы 6LoWPAN могут выполнять роль маршрутизаторов, есть возможность маршрутизации, ориентируясь на уровень сигнала, что позволяет передавать данные на низкой мощности, экономя энергоресурс источника питания. Отсутствует единая точка отказа сети.

Предлагаемая на текущий момент реализация стека протоколов 6LoWPAN рассчитана на субгигагерцовый диапазон, и это не случайно [15]. Причина заключается в следующем. Во-первых, данный диапазон не требует лицензирования практически во всех странах мира (так, или иначе, ряд частотных полос этого диапазона доступен для свободного использования). Во-вторых, при равных затратах энергии на прием и передачу, по сравнению с диапазоном 2.4 ГГц, за счет большей длины волн, можно обеспечить устойчивую связь на большее расстояние. Также заметно меньше влияние препятствий в виде стен, перегородок машин, деревьев, что важно для систем, работающих в городских условиях. Это позволяет применять субгигагерцовые приемопередатчики для организации сетей как персонального (до 10 метров), так и локального масштаба. Верхний предел дальности связи колеблется на отметке 800 метров. Скорости передачи данных также хватает для типовых приложений сенсорных сетей - от 50 до 200 кбит/с.

Целевые приложения стека 6LoWPAN включают в себя достаточно большие сети с масштабируемые сети с подключением к IP сетям (Internet, intranet или extranet). Несмотря на хорошую масштабируемость и потенциально прозрачное управление, и доступ к узлам, подходят не для всех приложений. В частности, текущая версия стандарта стека протоколов требует постоянной активности маршрутизаторов для корректной передачи данных.

Некоторые области перекликаются с рядом профайлов ZigBee (см. Рис. 3.8), но не стоит думать, что назревает конкуренция стандартов и решений, скорее взаимовыгодное взаимодействие и дополнение друг друга, особенно в плане интеграции сервисов, расширения зон действия сети.

увеличить изображение

Рис. 3.8.  Сравнительные области применения и возможный территориальный охват сервисов ZigBee и 6LoWPAN

Основные области применения:

• интеллектуальные системы учета;
• управление уличным освещением;
• промышленная автоматика;
• логистические системы, отслеживание товаров или объектов инвентаризации;
• коммерческие охранные системы, системы контроля и управления доступом;
• возможные военные приложения.

Список, конечно же, не окончательный и всегда решение остается за разработчиком.

Архитектура сетей 6LoWPAN несколько отличается от традиционных архитектур IP сетей (наличие специализированного коммутационного оборудования, маршрутизаторов, медиа-конверторов), и от сложившихся архитектур беспроводных сетей сбора данных. Ближе всего к ней находится архитектура WiFi сетей, хотя и от неё есть ряд отличий.

Прежде всего, сети 6LoWPAN являются подсетями IPv6 сетей, т.е. они могут взаимодействовать с другими сетями и узлами IP сети, но не являются транзитными для сетевого трафика IP сетей. Сети 6LoWPAN состоят из узлов, которые могут также выполнять роль маршрутизаторов (host и router), кроме этого в сети может присутствовать один или более так называемых граничных маршрутизаторов (edge routers). Участие в маршрутизации не является обязательным требованием для узла сети, и он может играть роль, аналогичную роли конечного устройства в сетях ZigBee или устройства с ограниченной функциональностью для сетей 802.15.4, в терминологии 6LoWPAN - хост-узел (host). Узел способный выполнять маршрутизацию в пределах сети 6LoWPAN называется роутером, или маршрутизатором (router). Граничный маршрутизатор отвечает за взаимодействие подсети 6LoWPAN с сетью IPv6, участвует в процедуре инициализации и маршрутизации в подсети 6LoWPAN, осуществляет компрессию/декомпрессию заголовков IPv6 при обмене с внешней сетью, в случае подключения к сети IPv4 может играть роль шлюза IPv6<>IPv4. Узлы подсети разделяют 64-битный префикс IPv6, который также является частью сетевого адреса граничного маршрутизатора. Для адресации внутри сети можно пользоваться оставшимися 64-мя битами (MAC адрес сетевого интерфейса), или использовать сжатие адреса и укороченную 16-битную схему адресации (младшие 2 байта MAC адреса). Предполагается, что сетевой адрес напрямую включает адрес сетевого интерфейса, это исключает необходимость применения протокола разрешения сетевых адресов (протокола ARP).

Выделяют три типа сетей 6LoWPAN: ad-hoc, простая 6LoWPAN сеть, расширенная 6LoWPAN сеть (Рис. 3.9).

Ad-hoc сеть не имеет подключения к внешней IP сети, не имеет граничного маршрутизатора. Является самоорганизующейся сетью, использующей стек протоколов 6loWPAN для организации работы и передачи данных между узлами.

Простая 6LoWPAN сеть подключена к другой IP сети при помощи одного граничного маршрутизатора. Граничный маршрутизатор может быть подключен к внешней IP сети напрямую (подключение типа точка-точка, например GPRS/3G модем) или входить в состав кампусной сети (например, сети организации).

Расширенная 6LoWPAN сеть состоит из одной или нескольких подсетей, подключенных к внешней IP cети через несколько граничных маршрутизаторов, подключенных к одной сети (например локальная сеть организации). При этом, граничные маршрутизаторы в расширенной сети разделяют один и тот же сетевой префикс. Узлы расширенной сети могут свободно перемещаться в пределах сети и осуществлять обмен с внешней сетью через любой граничный маршрутизатор (обычно выбирается маршрут с наилучшими показателями качества сигнала - уровень ошибок, уровень сигнала).

увеличить изображение

Рис. 3.9.  Архитектура сетей 6LoWPAN

Взаимодействие между узлами сети 6LoWPAN, а также взаимодействие с внешними узлами осуществляется, как и в обычной IP сети. Каждый узел имеет свой уникальный IPv6 адрес и может принимать и передавать пакеты IPv6. Упрощенная структура стека протоколов 6LoWPAN в сравнении со стеками TCP/IP и ZigBee представлена на Рис. 3.10. Обычно узлы имеют поддержку протокола ICMPv6 и UDP. Прикладные протоколы чаще всего используют бинарный формат данных при работе по UDP протоколу в сетях 6LoWPAN. В отличие от TCP/IP стека, в 6LoWPAN нет поддержки протокола транспортного уровня TCP - из-за больших накладных расходов на формирование пакетов, и из-за особенностей работы протокола, которые существенно затрудняют его применение в сенсорных беспроводных сетях - подтверждение пакетов, установление/разрыв соединения, что требует частой работы приемопередатчика узла, и, как следствие, повышенное потребление энергии.

увеличить изображение

Рис. 3.10.  Сравнительная структура стеков TCP/IP, 6LoWAPN, ZigBee

Так же как и сети ZigBee, сети 6LoWPAN являются самоорганизующимися. Для этого используется стандартная техника сетей IPv6. Основываясь на установленных параметрах стека, автоматически устанавливается оптимальная топология связей между узлами в сети. Оптимальные маршруты определяются на основе метрик.

Процедура инициализации и работы сети 6LoWPAN заключается в следующем:

• соединение узлов на канальном уровне (commissioning);
• инициализация сетевого уровня, обнаружение соседних узов, регистрация в сети (bootstrapping);
• установление маршрутов (route initialization).
• предыдущие пункты периодически повторяются для поддержания работоспособности сети.

Для мониторинга работы сети 6LoWPAN применяется специальный программный механизм, называемый доской объявлений (whiteboard) хранимой на граничном маршрутизаторе. Whiteboard применяется для:

• обнаружения дублирования адресов;
• поддержки мобильности узлов (для расширенных сетей 6LoWPAN);
• генерации коротких адресов;
• локализации узлов сети;
• ведение черного списка узлов.

Беспроводной стандарт Bluetooth Low Energy (BLE)

Пожалуй, одной из наиболее часто встречающихся в повседневной жизни беспроводных сетевых технологий, после сотовой связи, является Bluetooth. Благодаря относительно высоким скоростям передачи данных и неплохим энергетическим показателям технология Bluetooth получила широкое распространение в мобильных электронных устройствах, персональных компьютерах, ноутбуках, беспроводных наушниках, гарнитурах, мультимедийных центрах. Стандарт позволяет поддерживать достаточно разветвленную и сложную сеть устройств. Однако, для применения в сенсорных сетях классический Bluetooth подходит мало из-за значительно для автономных источников питания энергопотребления, вследствие особенностей работы стека протоколов.

Технология Bluetooth Low Energy (BLE) [15-17] - Bluetooth 4.0 является технологией беспроводной связи для ближних коммуникаций, разработанной группой Bluetooth Special Interest Group (SIG). В отличие от предыдущих стандартов - Bluetooth 2.0, Bluetooth 2.1 + EDR, Bluetooth 3.0, стандарт BLE изначально ориентирован на применение в системах сбора данных, мониторинга с автономным питанием. В отличие от технологий сенсорных сетей, таких как, ZigBee, 6LoWPAN или Z-Wave, ориентированных на разветвленные распределенные сети с многочисленными передачами данных между узлами сети, Bluetooth Low Energy ориентирован на топологии типа точка-точка и звезда. Основными областями применения BLE являются устройства обеспечения безопасности, управления электроприборами и отображения показаний, датчиках с батарейным питанием, домашних медицинских приборах, спортивных тренажерах.

Успех предыдущих версий Bluetooth, подтвержденный практически массовым применением беспроводных интерфейсов данных стандартов в большом количестве устройств, и в частности, устройств, рассчитанных на обычного потребителя, позволяет ожидать аналогичной ситуации и с устройствами, поддерживающими стандарт BLE. В частности IEFT 6LoWPAN Working Group рассматривает BLE как одну из значительных составляющих т.н. "Интернета вещей" (Internet of Things) и разрабатывает спецификацию, позволяющую транслировать пакеты IPv6 посредством BLE [16, 17].

Стек протоколов Bluetooth Low Energy

Структура стека

Также как и классический стек протоколов Bluetooth, стек BLE состоит из двух основных частей: контроллера (Controller) и узла сети (Host). Контроллер включает в себя физический и канальный уровень и часто реализуется в виде системы-на-кристалле (СнК) и интегрированным беспроводным трансивером. Часть стека, именуемая узлом сети реализуется программно на микроконтроллере приложений и включает в себя функциональность верхних уровней: уровень логической связи (Logical Link Control - LLC), протокол адаптации (Adaptation Protocol - L2CAP), атрибутов (Attribute Protocol - ATT), протокол атрибутов профилей устройств (Generic Attribute Profile - GATT), протокол обеспечения безопасности (Security Manager Protocol - SMP), протокол обеспечения доступа к функциям профиля устройств (Generic Access Profile (GAP). Взаимодействие между верхней и нижней частями стека осуществляется интерфейсом Host Controller Interface (HCI). Дополнительная функциональность прикладного уровня может быть реализована поверх уровня узла сети. На Рис. 3.11 представлена структура стека протоколов BLE [15, 17].

Несмотря на то, что некоторые функции контроллера BLE заимствованы от классического Bluetooth, они не совместимы между собой, т.е. устройство, поддерживающее только BLE (однорежимное устройство - single-mode device) не сможет взаимодействовать с устройством, поддерживающим только Bluetooth 2.x/3.0. Для осуществления взаимодействия между ними хотя бы одно из устройств должно поддерживать оба стека протоколов (двухрежимное устройство - dual-mode device).

увеличить изображение

Рис. 3.11.  Структура стека протоколов Bluetooth Low Energy (BLE) - а) и пакета данных BLE - б)

Однорежимные устройства обладают наименьшим потреблением и, в основном, представляют собой конечные исполнительные устройства. Двухрежимные устройства предполагают возможность периодического получения энергии, располагаются на различных мобильных устройствах, а также могут функционировать и как обычные Bluetooth устройства. Схема взаимодействия между однорежимными, двухрежимными устройствами и классическим Bluetooth-устройствами представлена на Рис. 1.2 [15, 18].

Физический уровень

Устройства BLE работают в диапазоне 2.4 ГГц. В стандарте определено 40 частотных каналов с расстоянием в 2 МГц между каналами. На физическом уровне применена GFSK модуляция (Gaussian Frequency Shift Keying) с индексом модуляции в пределах от 0.45 до 0.55, что позволяет уменьшить пиковое потребление энергии. Скорость передачи на физическом уровне 1 Мбит/с. В стандарте BLE чувствительность приемника определена как уровень сигнала на приемнике, при котором частота битовых ошибок (Bit Error Rate - BER) достигает уровня 10^-3, и должна быть -70 дБм или лучше. Выделяют два типа каналов - каналы объявления и каналы данных. Каналы объявления используются для поиска устройств, установления соединения, широковещательных передач, тогда как каналы данных используются для двунаправленного обмена данными между устройствами, между которыми установлено соединение.

Для каналов объявления выделено три частотных канала в центре полосы, что минимизирует перекрытие с каналами 1, 6 и 11 стандарта IEEE 802.11. Остальные 37 каналов используются для обмена данными. Для снижения влияния помех, многолучевого распространения, а также снижения влияния соседних устройств, при обмене данными происходит скачкообразное переключение частоты (Рис. 3.12) [15].

увеличить изображение

Рис. 3.12.  Схема взаимодействия между однорежимными, двухрежимными устройствами и классическими Bluetooth-устройствами

Канальный уровень

В BLE для передачи широковещательных пакетов применяются каналы объявления. Любой устройство, передающее пакеты по данным каналам называется объявителем. Передача пакетов по каналам объявлений происходит только в течение специальных выделенных интервалов времени, называемых событиями объявлений. Во время этих событий устройство-объявитель передает пакеты объявлений последовательно по каждому из трех каналов. Устройства, только принимающие пакеты объявлений называются сканерами [17].

Двунаправленный обмен между BLE-устройствами возможен только после установления соединения между ними. Создание нового соединения между двумя устройствами является асимметричной процедурой, в течение которой устройство-объявитель по каналам объявления сигнализирует о своей готовности к соединению, в то время как другое устройство (инициатор соединения) прослушивает данные каналы. Когда инициатор обнаруживает нужное устройство, он может послать запрос на установление соединения (Connection Request) объявителю, который устанавливает между ними соединение. С этого момента устройства могут осуществлять обмен по каналам данных. Пакеты, относящиеся к установленному соединению, будут отмечены сгенерированным случайным образом 32-битным кодом доступа.

Также как и в классическом варианте Bluetooth, в BLE для установленного соединения одно из устройств выступает в качестве ведущего (master), второе - ведомого (slave). В ходе процедуры установления соединения - инициатор и объявитель, соответственно. Ведущее устройство может поддерживать несколько соединений с ведомыми, в то время как ведомое устройство может иметь только одно подключение - к ведущему. Таким образом, BLE-устройство одновременно может принадлежать только одной пико-сети. В этом кроется еще одно отличие BLE от Bluetooth - в последнем случае ведомое устройство в свою очередь могло выступать в качестве ведущего устройства своей собственной пико-сети.

увеличить изображение

Рис. 3.13.  Соотношение частотных каналов BLE и каналов IEEE 802.11

Для экономии энергии ведомое устройство по умолчанию находится в спящем состоянии, периодически просыпаясь для проверки наличия пакетов данных от ведущего. Ведущий определяет для своих ведомых устройств моменты времени, в которые ведомый просыпается для прослушивания канала, регулируя, тем самым, доступ устройств к среде передачи осуществляется по схеме разделения времени (Time Division Multiple Access - TDMA). Ведущее устройство также задает ведомым схему переключения частотных каналов. Параметры соединения передаются в сообщении запроса на установление соединения и могут быть обновлены при необходимости (например при смене схемы переключения каналов для устранения перекрытия с частотными каналами других устройств).

После установления соединения физический канал передачи данных разделяется на неперекрывающиеся временные интервалы, называемые событиями соединения (connection events) или фреймами. В течение фрейма все пакеты передаются по одному частотному каналу. Каждый фрейм начинается с передачи пакета ведущим устройством. В том случае, если ведомое устройство получило пакет, оно должно послать пакет-подтверждение. В тоже время, подтверждения от ведущего устройства ведомому не требуется. Между двумя последовательными пакетами должен быть выдержан интервал времени, как минимум 150 мкс - т.н. межкадровый интервал (Inter Frame Space - IFS).

До тех пор, пока между ведущим и ведомым продолжается обмен пакетами, событие соединения (или фрейм обмена) считается открытым. В пакетах данных, в случае необходимости дальнейшего обмена, установлен бит More Data (MD). Если не одно из устройств не имеет данных для передачи, событие соединения будет закрыто, и ведомое устройство уже не должно прослушивать канал до начала следующего фрейма. Другими причинами, приводящими к закрытию события соединения, являются два последовательно принятых пакета с ошибками, неверный адрес устройства в пакете. Для контроля битовых ошибок в пакете, после поля данных следует поле 24-битной контрольной суммы.

Для нового события соединения ведущий и ведомый используют новый частотный канал, заданный в карте переключения каналов. Время между началом двух последовательных событий соединения задается параметром connInterval, является кратным 1.25 мс и может лежать в пределах от 7.5 мс до 4 с. Вторым важным параметром для пико сети BLE является параметр connSlaveLatency определяющий количество последовательных фреймов в течении которых ведомое устройство не прослушивает канал и может на это время отключить трансивер. Данный параметр является целым числом в пределах от 0 до 499 и не должно превышать контрольного интервала супервизора - параметр connSupervisionTimeout. Параметр connSupervisionTimeout может принимать значения в диапазоне от 100 мс до 32 с. Его назначение - обнаружение потери соединения с устройством из-за ухудшения качества канала связи или перемещения его за пределы досягаемости [17].

На канальном уровне для управления потоком данных действует механизм остановки и ожидания (stop-and-wait mechanism) на основе т.н. кумулятивного подтверждения, служащего одновременно и оповещением об ошибке. Заголовок каждого пакета, передаваемого по каналам данных, содержит два однобитных поля, называемых порядковым номером и следующим ожидаемым порядковым номером (Sequence Number (SN) и Next Expected Sequence Number (NESN) соответственно). SN идентифицирует пакет, тогда как, NESN показывает, какой пакет ожидается от устройства, с которым установлено соединение. Если пакет устройством принят успешно, поле NESN в его следующем пакете будет увеличено, и такой пакет одновременно будет считаться пакетом подтверждения. В противном случае, если устройство обнаруживает ошибку (не сходится контрольная сумма), полю NESN в принятом пакете нельзя доверять и устройство, принявшее такой пакет, повторяет отправку своего последнего пакета, что на стороне приемника в такой ситуации будет воспринято как сообщение об ошибке.

L2CAP

Протокол L2CAP в BLE является упрощенной и оптимизированной версией соответствующего протокола в Bluetooth 2.x/3.x. В BLE основной задачей L2CAP является мультиплексирование данных трех протоколов (ATT, SMP, Link Layer) для соединения канального уровня. Отвечает за установление логического соединения. Не производится сегментирования пакетов или сборки пакетов, т.к. максимальная полезная нагрузка L2CAP в BLE составляет 23 байта.

ATT

Определяет коммуникационные сообщения между двумя устройствами, выступающими в контексте данного протокола в качестве клиента и сервера. Сервер поддерживает набор атрибутов, представляющих собой структуру данных, позволяющую получать доступ к информации, управляемой протоколом GATT. Роли клиента и сервера определяются протоколом GATT и не зависят от роли устройства в соединении (ведущий/ведомый).

Клиент посредством запросов может получить доступ к атрибутам сервера. Кроме того, сервер посылает клиенту два типа сообщений, содержащих атрибуты:

• уведомления, не требующие подтверждения;
• индикаторы, на которые клиент обязан ответить.

Клиент также может послать серверу команды на изменение значений атрибутов.

GATT

Протокол GATT определяет среду исполнения, используемую ATT для обнаружения сервисов и обмена характеристиками между устройствами. Характеристика в данном случае представляет собой набор данных, включающих в себя значения и свойства. Данные, относящиеся к сервисам и характеристикам, сохраняются в атрибутах.

К примеру, сервер с работающим сервисом "температурный датчик" может быть связан с характеристикой "температура", которая используется для описания датчика, а другой атрибут может применяться для хранения результатов измерений.

Вопросы безопасности BLE

BLE предлагает несколько сервисов безопасности для защиты данных, передаваемых между парой соединенных устройств. Большинство из поддерживаемых сервисов могут быть описаны в терминах двух режимов: LE Security Mode 1 и LE Security Mode 2. Эти режимы обеспечивают сервисы безопасности на канальном уровне и уровне ATT соответственно [17].

Канальный уровень BLE поддерживает шифрование и аутентификацию на основе алгоритма Cipher Block Chaining-Message Authentication Code (CCM) и блочного шифра AES-128. При использовании шифрования и аутентификации в соединении, к полезной нагрузке (PDU) добавляется 4-байтное сообщение проверки целостности - Message Integrity Check (MIC), после чего поля PDU и MIC шифруются.

Также возможна передача аутентификационных данных поверх нешифрованного соединения канального уровня. В данном случае, на уровне ATT к полезной нагрузке добавляется 12-байтная сигнатура. Сигнатура вычисляется путем использования алгоритма AES-128 как блочного шифра. Одним входом алгоритма является счетчик, позволяющий предотвратить атаки типа повтора сообщений. Если приемнику удается верифицировать сообщение, считается, что оно пришло от достоверного источника.

В дополнение к описанным сервисам, BLE поддерживает механизм, называемый приватным (или частным) адресом, который позволяет устройству множество часто меняемых адресов. Этот механизм снижает угрозу отслеживания BLE устройства по его адресу. Приватные адреса генерируются на основе публичного адреса устройства путем его шифрования с использованием ключа, полученного от доверенного устройства.

Каждый режим безопасности предусматривает наличие нескольких уровней, применяемых в зависимости от типа соединения пары устройств (Табл. 3.2).

Логическое соединение устройств (pairing) происходит в три этапа. На первом этапе соединенные на канальном уровне устройства объявляют свои доступные возможности ввода-вывода, и на основе их принимается решение о методе взаимодействия на втором этапе.

Целью второго этапа является генерация короткоживущего ключа (Short-Term Key - STK), который будет использован на третьем этапе для обеспечения безопасности передачи распространения ключевой информации. На втором этапе устройства первоначально договариваются о временном ключе (Temporary Key - TK) при помощи одного из методов:

• Out Of Band;
• Passkey Entry;
• Just Works.

Метод Out Of Band (передача вне полосы) предполагает передачу временного ключа по альтернативным каналам, например, использую NFC. Метод Passkey Entry ключ задает пользователь в виде последовательности из 6 цифр. Когда применение обоих методов не возможно, используется метод Just Work, хотя он не поддерживает проверку аутентификаций, и не защищен от атаки типа "посредник" (Man In The Middle - MITM).

На базе ключа ТК и случайным числам, генерируемым каждым из узлов, создается STK, что является завершением второго этапа.

На третьем этапе каждая из конечных точек соединения может передать другой конечной точке до трех 128-битных ключа, называемых Long-Term Key (LTK), Connection Signature Resolving Key (CSRK) и Identity Resolving Key (IRK).

LTK используется для генерации 128-битного ключа для шифрования и аутентификации на канальном уровне, CSRK для подписи данных на уровне ATT, а IRK - для генерации частных адресов.

Протокол управления безопасностью Security Manager Protocol (SMP), работающий поверх фиксированного канала уровня L2CAP и отслеживает выполнение всех трех этапов.

Уязвимым местом BLE на текущий момент является незащищенность ни одного из реализованных в нем методов установления соединения от пассивного прослушивания. Однако, в следующих версиях BLE планируется использование эллиптической криптографической кривой и алгоритм Диффи-Хэлмана обмена открытыми ключами.

Уровень GAP и профили приложений

Протокол GAP определяет ролу устройств, режимы и процедуры обнаружения устройств и сервисов, управление установлением соединения и безопасностью. В BLE GAP выделяет четыре роли для контроллера - широковещательный, наблюдатель, периферийный и центральный.

Широковещательный узел может только передавать пакеты по каналам объявления и не поддерживает соединение с другими устройствами. Наблюдатель способен только прослушивать каналы объявлений, в частности, способен принимать пакеты, передаваемые широковещательным узлом. Центральные узлы представляют собой устройства, способные поддерживать несколько соединений, в то время как периферийные устройства представляют собой простые устройства, способные поддерживать одно соединение с центральным узлом. Роли центрального и периферийного узла предполагают, что устройство способно выполнять функции ведущего или ведомого устройства соответственно. Устройство может поддерживать несколько ролей, но одновременно активной может быть только одна из них.

Поверх GAP могут быть построены дополнительные профили приложений, поддерживающие необходимую пользователю функциональность. В BLE поддерживается иерархия профилей - профиль верхнего уровня может использовать функции профиля низкого уровня.

Эксплуатационные характеристики BLE

Одним из важных показателей, определяющих возможность применения технологии беспроводной связи к той или иной задаче, является энергопотребление узлов сети, работающей по данной технологии. Это будет определять время автономной работы устройств, и, соответственно, схему технического обслуживания сети.

Для устройств BLE их потребление будет зависеть от роли устройства в соединении и параметрах соединения, в частности от connInterval, connSlaveLatency, connSupervisionTimeout, а также от качества связи.

Среднее энергопотребление узла в режиме ведомого в зависимости от величины connInterval представлено на Рис. 3.14 [17].

В также [17] представлены результаты теоретического анализа времени автономной работы BLE устройства в качестве ведомого в зависимости от интервала следования событий связи connInterval, уровня битовых ошибок (BER) (Рис. 3.15 и Рис. 3.16 соответственно).

увеличить изображение

Рис. 3.14.  Средний ток потребления BLE устройства в режиме ведомого (узел построен на базе СнК CC2450, connSlaveLatency=0)

увеличить изображение

Рис. 3.15.  Теоретические оценки времени автономной работы BLE-устройства на основе CC2540 от батареи емкостью 230 мАч в режиме ведомого устройства при уровне ошибок равном 0 и максимальном значении connSlaveLatency

увеличить изображение

Рис. 3.16.  Теоретические оценки времени автономной работы BLE-устройства на основе CC2540 от батареи емкостью 230 мАч в режиме ведомого устройства при различном уровне ошибок и различных значениях параметров connInterval и connSlaveLatency

Данные результаты, хотя и представляют максимальные оценки времени работы BLE устройств, но показывают, что BLE вполне подходит для сенсорных устройств с автономным питанием и среднее потребление BLE-устройств вполне сравнимо с потреблением устройств "традиционных" для сенсорных сетей технологий.

Сравнительные характеристики технологий BLE, Bluetooth, ZigBee, 6LoWPAN, Z-Wave представлены в Табл. 3.3 [15, 17].

Области применения BLE

Безусловно, большая часть областей применения Bluetooth может быть успешно заменена или дополнена устройствами BLE, продлив срок службы устройств за счет более эффективного управления энергопотреблением. В частности, возможно применение двухрежимных устройств BLE в мобильных телефонах, планшетных компьютерах, ноутбуках. Однорежимные устройства могут применяться в качестве беспроводного интерфейса датчиков с батарейным питанием, применяющихся как отдельно, так и в составе других устройств - часах, пульсометрах, шагомерах, домашних тонометрах, термометрах и тому подобных устройств.

В составе мобильных устройств BLE может быть использован для управления домашней автоматикой, устройствами освещения или охраны как минимум, в пределах одного помещения. Для управления устройствами в пределах всего дома возможно использование BLE в качестве шлюза между управляющим устройством и сетью домашней автоматики.

Низкое энергопотребление и более устойчивая работа в условиях большого количества аналогичных устройств в ряде случаев позволяет рассматривать BLE как альтернативу устройствам NFC, в частности RFID меткам. Но более интересен вариант использования BLE совместно с NFC. В этом случае первые обеспечивают больший радиус устойчивой работы и большое количество совместно работающих устройств, а вторые служат для установления логического соединения между парой устройств, обеспечиваю более высокий уровень безопасности за счет меньшего радиуса действия.

Лекция 4. Примеры аппаратных решений решения для беспроводных сетей различных технологий

Аппаратные решения от Texas Instruments

TI предлагаются несколько линеек продуктов с низким энергопотреблением для беспроводных систем со всем необходимым программным и аппаратным обеспечением. Фактически это избавляет разработчиков от необходимости применения специализированных протоколов для снижения энергопотребления - эта часть проблемы решается на уровне компонентов. Особенно хорошо это заметно по линейке приемопередатчиков Performance Line. Для многих случаев возможна оптимизация стоимости решений - например, использование на узлах сети только приемников или только передатчиков.

Одна из ключевых особенностей политики компании - всесторонняя поддержка разработчика - документация, свободные средства настройки и тестирования, форумы разработчиков, в том числе и русскоязычные.

Беспроводные решения TI позволяют реализовать любую стратегию развития продукта, выбранную разработчиком [19]. Карта предлагаемых программных и аппаратных решений TI для различных уровней представлена на Рис. 4.1.

увеличить изображение

Рис. 4.1.  Спектр аппаратно-программных решений TI

В качестве программных платформ TI предлагается несколько фирменных протоколов и стандартизованных стеков протоколов. [20-26]

Универсальные решения - <1 ГГц / 2.4 ГГц - проприетарные и стандартные [4, 5]

SimpliciTI

SimpliciTI™ представляет собой несложный протокол с открытым исходным кодом для небольших беспроводных сетей с низкой интенсивностью обмена данными диапазонов до 1 ГГц, 2,4 ГГц и диапазонов стандарта IEEE 802.15.4 (Рис. 4.2) [20, 24]. Разработан для сетей преимущественно с автономным батарейным питанием на основе систем-на-кристалле (например, CC2530, CC2430) или на основе связки низкопотребляющих контроллеров серии MSP430 и любого из приемопередатчиков, предлагаемых TI (MSP430 + CC1XXX/CC25XX).

В качестве средств отладки или тестирования приложений предлагаются платы SmartRF с CC2430EM и CC2520EM, отладочные наборы MSP430FG4618/F2013 совместно с CC1100EM, CC1101EM, или CC2500EM.

Ключевые свойства:

• является протоколом, разработанным TI для минимизации энергопотребления с поддержкой спящего режима узлов сети;
• низкие системные требования: < 8 Кбайт флеш памяти и менее 1 Кбайта ОЗУ для работы, зависимости от конфигурации;
• поддержка топологий точка-точка, звезда (с расширителями радиуса действия - до 4х промежуточных узлов);
• легок в применении - с точки зрения программиста - небольшой набор API функций;
• большой выбор поддерживаемых платформ.

увеличить изображение

Рис. 4.2.  Структура стека протоколов SimpliciTI

Типовые приложения:

• сигнализация и системы охраны (датчики проникновения, датчики света, СО датчики, датчики разбития стекла);
• пожарная сигнализация - датчики дыма;
• системы учета (счетчики воды, газа, электричества);
• приложения RFID с активными метками.

TI MAC

TIMAC является свободно распространяемым программным обеспечением для приемопередатчиков и систем на кристалле TI ориентированных на стандарт IEEE 802.15.4 [27]. Предоставляется в виде объектных кодов без авторских или патентных отчислений за его использование.

Сертифицирован как стандарт, поддерживающий IEEE 802.15.4, легок с применении. Поддерживает несколько аппаратных платформ:

• системы-на-кристалле CC2530 и CC2430;
• MSP430F5438 + CC2520;
• MSP430F2618 + CC2520.

Применение TIMAC оправдано в случаях:

• организации беспроводных сетей типа точка-точка, точка-многоточка (например, связь нескольких сенсоров с центральным узлом);
• необходим стандартизованный протокол;
• используются узлы с батарейным питанием;
• нужна поддержка подтверждения приема или ретрансляция пакетов;
• используются низкие скорости передачи данных (порядка 100 Кбит/сек).

Remo TI

Для задач дистанционного управления устройствами Texas Instruments предлагается протокол RemoTI™ с поддержкой соответствующими беспроводными устройствами, отвечающий спецификации ZigBee® RF4CE (Рис. 4.3) [25].

Протокол RemoTI основывается на стандарте IEEE 802.15.4, добавляя к нему уровень сетевого взаимодействия и набор базовых команд управления. Включает в себя:

• поддержку нескольких каналов;
• безопасные транзакции;
• режимы энергосбережения;
• простой механизм объединения устройств для совместной работы.

увеличить изображение

Рис. 4.3.  Структура стека протоколов RemoTI

Z-Stack

Для организации сложных сетей TI предлагает стек протоколов Z-Stack™, один из линейки программных продуктов ориентированных на стандарт IEEE 802.15.4 [26].

Z-Stack™ совместим со стандартами ZigBee (ZigBee и ZigBee PRO) и позволяет реализовывать функционал, заложенный в данных стандартах на платформах TI: CC2530, MSP430+CC2520, Stellaris LM3S9B96+CC2520, CC2591. Более того, Z-Stack™ поддерживает профайлы ZigBee - Smart Energy и Home Automation.

Основные возможности:

• полная поддержка стандарта ZigBee PRO;
• возможность обновления прошивки узлов сети по радиоканалу;
• предоставляет набор API, уменьшающих время разработки приложения (дополнительно предоставляются примеры программ);

Сеть, построенная на базе Z-Stack™, обладает следующими свойствами:

• самоорганизация сети (топология Mesh);
• низкая стоимость установки узлов;
• низкая стоимость узлов сети;
• поддерживаются большие сети (сотни узлов);
• нацелена на приложения контроля и мониторинга систем и объектов;
• используются стандартизованные протоколы.

Z-Stack тестировался и разрабатывался с применением компиляторов фирмы IAR (www.iar.com). При покупке отладочных комплектов TI пользователь получает 30 дополнительных дней для ознакомления с продуктами IAR. Если пользователь уже имеет полную лицензию, он может свободно скачать новую или любую из предыдущих версий компилятора, используя свой аккаунт на www.iar.com. Для компиляции Z-Stack под различные платформы необходимы соответствующие версии кросс-компиляторов:

• CC2530: IAR EW8051 7.60;
• CC2520+MSP: IAR EW MSP 5.10;
• CC2520+LM9B96: IAR EW ARM 5.50.5.

Благодаря партнерским отношениям Texas Instruments с Ubilogix можно в качестве еще одного инструмента разработчика, а также для тестирования работы сети применять анализатор протоколов для сетей IEEE 802.15.4 and ZigBee - Ubiqua Protocol Analyzer. Данный программный продукт имеет поддержку платы TI's CC2531USB Dongle из отладочного комплекта CC2531EMK.

Ubiqua Protocol Analyzer позволяет анализировать трафик IEEE 802.15.4, ZigBee 2007, ZigBee 2007 PRO, ZigBee RF4CE, 6LowPAN сетей и протоколов.

BLEStack

Стек протоколов TI's Bluetooth® low energy (BLE) предоставляет все необходимое программное обеспечение для разработки приложений Bluetooth® low energy на базе системы-на-кристалле CC2540. BLEStack включает в себя объектный код самого стека протоколов BLE, примеры программных проектов и приложений с исходными текстами, приложение для ПК BTools для тестирования BLE-приложений, техническая документация, включая пособие разработчика и справочник по API функциям BLE.

Основные возможности BLEstack:

• отвечает требованиям спецификации Bluetooth specification version 4.0;
• режим хост устройства, контроллера;
• поддерживаются специализированные профили устройств;
• поддержка режимов мастера и подчиненного устройства, поддержка совмещенного режима;
• небольшой объем кода;
• высокая энергоэффективность.

Объектный код оптимизирован для CC2540, не требуется каких-либо авторских или патентных отчислений.

Области применения:

• аксессуары для мобильных телефонов;
• приборы для занятий спортом, отдыха, бытовые медицинские приборы;
• игровые консоли, интерфейсные устройства, устройства удаленного управления;
• возможно применение в системах безопасности.

ANT™

ANT предлагается как простое недорогое энергоэффективное решение для организации простых сетей типа точка-точка, звезда. Подходя для многих приложений, ANT на сегодняшний день является признанной технологией для сбора, автоматической передачи и отслеживания данных датчиков при занятиях спортом, оздоровительных процедурах, мониторинга состояния здоровья в домашних условиях.

Основные области применения:

• Спорт/фитнес;
• Бытовая медицинская аппаратура;
• аксессуары для мобильных телефонов;
• беспроводные сенсорные сети.

TI предлагает решения для ANT для широкого спектра систем - от интеллектуальных сенсоров, до смартфонов, разработанные в сотрудничестве с компанией Dynastream Innovations Inc, одной из компаний, работающих с технологией ANT на рынке (www.thisisant.com). В качестве аппаратной платформы используется связка микромощного микроконтроллера семейства MSP430™ и сетевого процессора CC257x.

В сотрудничестве с Dynastream Innovations Inc Texas Instruments предлагает полный спектр ANT "решений под ключ", включая поддержку программного и аппаратного обеспечения. Интересным решением является микросхема CC2567 поддерживающая и BlueTooth и ATN. Модули CC2567-PAN1327/17 позволяют подключать к мобильным телефонам или компьютерам устройства поддерживающие BlueTooth, ANT+ и организовывать взаимодействие между ними, также уменьшается время на разработку проекта, меньшие затраты на производство, экономится пространство печатных плат, упрощается процесс сертификации продуктов.

WiLink™ первое комплексное однокристальное решение для работы с беспроводными сетями, GPS, Bluetooth®, Bluetooth low energy, ANT и FM (www.ti.com/wilink).

Целевое назначение WiLink - продукты широкого потребления - смартфоны, нетбуки, портативные медиа плееры. Существующие устройства с WiLink и BlueLink могут также работать с ANT-устройствами после обновления программного обеспечения.

PurePath™ Wireless Audio

PurePath™ Wireless Audio - уникальная технология, разработанная Texas Instruments для беспроводной передачи потокового аудио потока на небольшие расстояния в диапазоне 2,4 ГГц, вылившаяся в серию однокристальных устройств CC85хх. Два или более устройства СС85хх составляют сеть аудиоустройств. Особое внимание было уделено вопросам поддержания непрерывной связи между устройствами в условиях различного окружения и совместимости с другими беспроводными устройствами, работающими в диапазоне 2,4 ГГц.

Большинство приложений с использованием PurePath™ Wireless Audio могут быть реализованы без разработки программного обеспечения. - CC85xx просто подключается к источнику внешнего аудио сигнала (аудио-кодек, интерфейс S/PDIF, усилитель класса Д) с парой кнопок или светодиодов в качестве интерфейса с пользователем. В более сложных случаях возможно подключение внешнего хост-процессора или ДСП для прямого управления аудио-потоком или для контроля сетевых операций.

Беспроводные наушники-гарнитура:

• сниженная стоимость разработки;
• удвоенное время работы по сравнению с обычными решениями (порядка 22 часов с батареей 465 мАч);
• хорошо подходит для высококачественных аудио-устройств.

Для настройки функциональности и обновления прошивки используется ПК приложение PurePath Wireless Configurator. Все устройства семейства CC85xx напрямую могут взаимодействовать с расширителем диапазона CC2590 для более широкого охвата территории и повышения надежности связи.

Встроенный протокол передачи аудио использует несколько технологий для обеспечения нужного качества передачи данных и совместимости с другими устройствами:

• адаптивную схему переключения частот;
• коррекцию ошибок передачи;
• буферизации и ретрансляция данных;
• маскировка ошибок;
• эффективные алгоритмы сжатия;
• скорость передачи данных 5 Мбит/с;
• выходная мощность до +4 дБм;
• чувствительность -83 дБм;
• несжатый канал CD качества (44.1/48 КГц, 16/24 бит);
• задержка аудиосигнала менее 20 мс;

Некоторые интерфейсные функции CC85xx, такие, как управление питанием, выбор аудиоканала, управление уровнем могут быть отображены на линии ввода-вывода.

Приложения:

• беспроводные наушники, гарнитуры;
• беспроводные микрофоны;
• замена кабелю;
• беспроводной домашний кинотеатр.

6LoWPAN

6LoWPAN - это открытый стандарт IETF (Internet Engineering Task Force) (RFC 4944), определяющий реализацию протокола IPv6 поверх маломощных недорогих беспроводных сетей.

Технология 6LoWPAN обеспечивает поддержку адресов IPv6 для всех узлов беспроводной сети с поддержкой ячеистой технологии для организации масштабируемых сетей, поддержкой маршрутизации и самовосстановления в случае выхода каких-либо узлов из сети. 6LoWPAN может поддерживать несколько физических уровней (PHY), в частности поддиапазона до 1 ГГц и диапазона 2,4 ГГц, работая поверх протоколов стандарта IEEE 802.15.4.

Решение TI для 6LoWPAN основывается на аппаратуре TI и программном обеспечении Sensinode Ltd - одного из лидеров в области программных продуктов для 6LoWPAN. Texas Instruments совместно с Sensinode предлагают элегантное решения для развертывания сетей 6LoWPAN - сетевой процессор CC1180 с встроенным стеком протоколов NanoStack lite [28-31].

NanoStack 2.0 lite

Решения Texas Instruments для 6LoWPAN основываются на собственных аппаратных и программном обеспечении фирмы-партнера Sensinode Ltd - одного из лидеров в области программных продуктов для 6LoWPAN. Компанией Sensinode разработан стек протоколов NanoStack lite 2.0 для организации сетей 6LoWPAN.

6LoWPAN является более простым по структуре, чем стек ZigBee, более прозрачным с точки зрения прикладного программного обеспечения. Следствием этого является меньший объем бинарного кода, так для стека Sensinode NanoStack составляет примерно 20 КБ, что в среднем в 4-6 раз меньше размера стека ZigBee.

По сути, NanoStack 2.0 lite является операционной системой ориентированной на обработку событий. Периферийные устройства, такие как таймеры, АЦП, интерфейсы ввода-вывода обрабатываются в основной программе. Обработка прерываний осуществляется драйверами устройств.

Также как и стек протоколов ZigBee, NanoStack lite 2.0 использует физический и канальный уровни стандарта 802.15.4.

Стек протоколов NanoStack может применяться как на однокристальных системах - системы-на-кристалле серий CC430, так и в связке сетевой процессор СС1180 плюс микроконтроллер. Для поддержки этого в состав стека входят два различных набора API-функций: NAPSocket API и NanoSocket API. Программный интерфейс предоставляет возможности для работы приложения в сети, такие как опрос узлов, конфигурирование беспроводных сетевых интерфейсов.

Для построения маршрутов стек NanoStack от Sensinode использует протокол RPL 0.13 (draft-ietf-roll-rpl-13 от IETF). Гибкий механизм определения метрик позволяют настроить протокол на определение путей в соответствии с требованиями конкретного приложения. При этом в NanoStack протокол RPL входит как модуль, что позволяет Sensinode производить его независимую модернизацию и оптимизацию. NanoStack позволяет формировать при наличии соответствующей вычислительной мощности у граничного маршрутизатора формировать достаточно большую и разветвленную сеть 6LoWPAN - максимальное количество переходов в маршруте (хопов) 254. Единственным ограничением является то, что от данные от узла к узлу всегда проходят через граничный маршрутизатор.

Структура стека NanoStack lite 2.0 представлена на Рис. 4.4. Каждому узлу ставится в соответствие ранг, таким образом, что он возрастает по мере удаления узла от граничного маршрутизатора. В протоколе RPL это называется ориентированным направленным графом расстояний (Destination Oriented Directed Acyclic Graph - DODAG). Пересылка пакета граничному роутеру состоит в пересылке его соседнему узлу с наименьшим рангом. Узлы, на которых запущен RPL обмениваются сигнальной информацией (т.н. информационные объекты графа расстояний - объекты DAG или DIO) для поддержания графа DODAG в актуальном состоянии. Все узлы в сети периодически генерируют DIO пакеты для оповещения соседей о своем ранге. Каждый узел кроме информации о ближайшем маршрутизаторе, хранит информацию о нескольких альтернативных с большими рангами (от 0 до 3 альтернативных узлов), и при выходе из строя маршрутизатора или нарушении связи с ним, передача пакетов будет идти через один из резервных узлов. Это позволяет обеспечить сети отказоустойчивость. Все беспроводные узлы, работающие под управление NanoStack lite способны выполнять роль маршрутизаторов.

увеличить изображение

Рис. 4.4.  Структура стека протоколов NanoStack lite 2.0

NanoSocket API

Для систем-на-кристалле (для случая выполнения стека протоколов и прикладной задачи на одном контроллере) используется библиотека NanoSocket API [34, 35] (Рис. 4.5), предоставляющая интерфейс для задания настроек беспроводного приемопередатчика, стека протоколов и работы с самим стеком. Библиотека подключается на этапе компиляции проекта в среде IAR и представляет собой файл библиотеки .lib с несколькими заголовочными файлами.

увеличить изображение

Рис. 4.5.  Взаимодействие стека протоколов NanoStack с прикладным приложением

Командный интерфейс отвечает за обработку всех запросов и ответов на них, связанных с конфигурацией узла, стека протоколов или сети. Сокетный интерфейс используется при обмене данными 6LoWPAN. События генерируются при приходе пакетов данных, ответов на запросы или других событий стека NanoStack 2.0.

Для обработки событий стека протоколов пользователь переопределяет функцию tasklet_main(). Данная функция вызывается каждый раз при приходе данных в буфер сокетов или при генерации событий стека.

Основные типы обрабатываемых событий, кроме событий, связанных с приемом или передачей данных являются:

• инициализация библиотеки;
• прием данных через UART;
• события таймера;
• ряд служебных событий стека.

Сетевой процессор CC1180

Сетевой процессор CC1180 является системой-на-кристалле CC1110F32 поставляющейся с прошитым стеком протоколов NanoStack 2.0 Lite компании Sensinode для сетей 6LoWPAN [30, 13]. CC1180 выполняет все критически важные и ресурсоемкие процессы, связанные с работой сетевых протоколов, экономя ресурсы внешнего микроконтроллера для решения прикладных задач. Взаимодействие с внешним контроллером (часто называемого прикладным контроллером или контроллером приложений) осуществляется по интерфейсу UART с протоколом обмена NAP. Например, возможно использование микроконтроллеров серии MSP430 или любых других. Сетевой процессор позволяет легко расширить функциональность создаваемой или существующей системы за счет подключения к 6LoWPAN сети.

Версия прошивки стека может быть обновлена при помощи т.н. загрузчика NanoBoot, позволяющего загрузить образ стека в микроконтроллер.

Протокол NAP содержит небольшое количество достаточно простых функций, позволяющих настраивать параметры беспроводного узла, принимать и передавать данные. Программный интерфейс близок к сокетам, знакомым по TCP/IP сетям, что отчасти упрощает жизнь прикладному программисту.

Ключевые особенности:

• простая интеграция в сеть 6LoWPAN;
• распространенный UART интерфейс;
• простой и функциональный протокол взаимодействия;
• обновление прошивки через радио (при условии, что у узла достаточно памяти для временного хранения образа);
• большой выбор возможных диапазонов частот - 315/433/868/915 МГц;
• выходная мощность радиосигнала от -30 до +10 дБм;
• скорости передачи данных: 50, 100, 150, 200 Кбит/с;
• AES шифрование в пределах подсети;
• диапазон напряжений питания от 2 до 3.6 В;
• компактные размеры - корпус QFN36 - 6x6 мм.

NAPSocket API

При работе с сетевым процессором CC1180 приложение на хост-контроллер компилируется совместно с библиотекой NAPSocket API, аналогично содержащей скомпилированную библиотеку и набор заголовочных файлов [33-35]. Функции, предоставляемые NAPSocket API аналогичны функциям NanoSocket API с тем отличием, что библиотека выполняется на отдельном микроконтроллере и обмен сообщениями и данными с частью стека, выполняемой на сетевом процессоре, происходит по последовательному интерфейсу (UART или SPI) при помощи протокола NAP [8] (Рис. 4.6). В случае с процессором CC1180 используется UART интерфейс. Также как и в предыдущем случае, прикладной программист должен определить функцию, ответственную за обработку событий. Обработчик событий прописывается при вызове функции инициализации библиотеки - library_init() [33, 35].

увеличить изображение

Рис. 4.6.  Взаимодействие внешнего контроллера с сетевым процессором

В принципе, разработчик может взаимодействовать с СС1180, не используя NanoSocket API, самостоятельно формируя и обрабатывая сообщения NAP протокола.

Обе библиотеки для передачи данных между узлами предоставляют привычный интерфейс сокетов с поддержкой основных операций: socket, bind, send, read, close и ряда других. Также выделены API для настроек беспроводного приемопередатчика: выходная мощность, скорость передачи данных, режим перестройки частот, разнесение каналов, и функции конфигурации сети: старт сети, остановка сети, задание AES ключа и т.д.

Изюминки беспроводных решений TI - приемопередатчики диапазона <1ГГц

Для субгигагерцового диапазона Texas Instruments предлагается достаточно широкий спектр продукции [19, 32, 36]:

• антенные усилители - серии CC1190;
• приемники - серии CC113L;
• передатчики - CC115L, CC1150, CC1050, CC1070;
• приемопередатчики - серии CC110L, CC1000, CC102x, CC1101, CC1100;
• системы на кристалле:
  • СС430 - на основе приемопередатчика СС1101 с аппаратной поддержкой шифрования AES-128 и 16-битным контроллером (ядро MSP430);
  • СС111x - с 8-битным контроллером (ядро 8051), поддержкой шифрования AES-128.

В основе беспроводных решений TI рассматриваемого диапазона лежит хорошо зарекомендовавшая себя архитектура многоканального приемопередатчика CC1101.

Приемопередатчики CC1101

В основе беспроводных решений TI рассматриваемого диапазона лежит хорошо зарекомендовавшая себя архитектура многоканального приемопередатчика CC1101 (Рис. 4.7) с выходной мощностью до 12 дБм, чувствительностью -112 дБм и поддерживаемыми скоростями передачи данных до 600 кбит/с с управлением по интерфейсу SPI [36].

увеличить изображение

Рис. 4.7.  Упрощенная структура приемопередатчика CC1101

Данный приемопередатчик требует для своей работы лишь несколько пассивных компонентов благодаря встроенному частотному синтезатору. Способен работать в частотных диапазонах 300-348, 387-464, 779-928 МГц. Поддерживает несколько режимов частотной и амплитудной модуляции - 2-FSK, 4-FSK, GFSK, MSK и OOK, ASK. Обладает малым временем выхода из режима низкого энергопотребления и режим приема или передачи (всего 240 мкс) и установлением частоты синтезатора (75 мкс), что позволяет использовать приемопередатчик в системах, использующих перестройку частоты (FHS). Поддерживается автоматическое прослушивание канала перед началом передачи (Clear Channel Assessment - CCA), имеется программируемый индикатор наличия несущей. Качество приема может быть оценено при помощи измерения уровня принятого сигнала (RSSI) - для отдельного пакета и при помощи индикатора качества связи (LQI) - в целом по статистике успешного/неуспешного приема пакетов.

СС1101 ориентирован на применение в системах с пакетной передачей данных, имеет аппаратную поддержку детектирования синхрослова, проверку адреса, автоматический подсчет длины пакета и вычисление контрольной суммы. Также имеются два раздельных 64-байтных FIFO буфера на прием и передачу (настраиваемый индикатор заполнения/опустошения буфера).

Кодовое усиление, как средство повышения надежности связи

Для уменьшения количества ошибок при приеме/передаче данных в CC1101 может быть задействован блок защиты от ошибок (Forward Error Correction - FEC) работающий по принципу избыточного кодирования [19, 38].

Кодирование реализовано при помощи сверточного нерекурсивного кодера (Рис. 4.8) постоянной длины (4) с частотой потока 1/2 (один входной бит порождает один двухбитный кодовый символ).

увеличить изображение

Рис. 4.8.  Структура сверточного кодера

Поскольку сверточное кодирование лучше всего работает в условиях случайного появления ошибки в передаваемой/принимаемой битовой последовательности, а природа ошибок в радиоканале чаще всего способствует повреждению нескольких последовательно передаваемых бит дополнительно при передаче/приеме используется блок перемежения/деперемежения. В CC1101 для перемежения используется матрица 4х4 - по одной ячейке на кодированный выходной бит. В итоге полная схема работы блока защиты от ошибок выглядит следующим образом - Рис. 4.9.

увеличить изображение

Рис. 4.9.  Схема работы блока защиты от ошибок

Следует учитывать, что применение FEC ведет к падению фактической скорости передачи в два раза. Для сохранения прежней скорости передачи данных необходимо будет удвоить битовую скорость (или перейти от двоичного кодирования к четвертичному), что в ряде случаев может потребовать увеличения ширины частотного канала.

Режим Wake-on-Radio в приемопередатчиках CC1101

Приемопередатчик CC1101 является достаточно энергоэффективным решением - так, токи потребления в режиме приема лежат в пределах 14-17 мА, токи в режиме передачи - 15 - 35 мА в зависимости от заданного уровня выходной мощности и частотного диапазона. CC1101 имеет несколько режимов низкого энергопотребления, начиная от уровня 0.2 мкА до 200 мкА - в зависимости от задействованных узлов [4, 6].

В дополнении к этому реализован специальный режим работы - пробуждение по наличию радиосигнала - Wake-on-Radio (WOR). В данном режиме радиоприемная часть CC1101 периодически активируется для прослушивания канала в течение заданного времени для приема пакетов без участия внешнего контроллера. Для этого используется специальный таймер тактируемый от внутреннего RC-генератора, периодически генерирующий два сигнала - включение регулятора напряжения цифровой части и запуск кварцевого генератора (Event0) - режим IDLE и, через некоторое время, включение режима приема (Event1) - RX. Если в течение установленного времени пакет не пришел, приемопередатчик переходит в режим IDLE, а затем в режим SLEEP. Момент срабатывания Event0 может быть отслежен на одном из GDOx выводов (Рис. 4.10).

увеличить изображение

Рис. 4.10.  Принцип работы режима Wake-on-Radio

На Рис. 4.11 качественно показаны уровни потребления тока в режиме WOR.

Если пакет пришел - работа устройства в режиме приема продолжится до окончания приема пакета. После этого внешний контроллер должен обработать пакет и перевести приемопередатчик в режим SLEEP командой SWOR. Следует учитывать два факта:

• данные пакета теряются при переходе в режим SLEEP;
• время на прием, обработку пакета и перевод в спящий режим должно быть меньше периода генерации таймером WOR сигнала Event0.

Применение режима WOR позволяет в несколько раз снизить ток потребления при приеме системы на прием пакетов.

CC1101 выпускается в малогабаритном низкопрофильном корпусе - QLP20 - размеры 4x4 мм.

увеличить изображение

Рис. 4.11.  Качественное распределение потребления тока при работе в режиме Wake-on-Radio

Дальнейшее развитие серии вылилось в начале 2011 года в две линейки продуктов - Perfomance Line и Value Line. Первая ориентирована, прежде всего, на приложения с высокой производительностью, требующими широкого спектра аппаратных возможностей для работы в самых разнообразных условиях, и вторая - линейка недорогих устройств, рассчитанных на массовое применение.

В линейке Perfomance представлены узкополосные (12.5 КГц / до 8 КГц) многоканальные приемопередатчики CC1120 и модифицированные приемопередатчики CC1101 - CC1121.

В линейку Value вошли приемопередатчик СС110L и отдельные микросхемы приемников CC113L и передатчиков CC115L - бюджетные микросхемы (цена единицы в крупной партии менее 1$) совместимые с приемопередатчиками CC1101[40-43].

Основные особенности семейства CC11xL

CC110L (Рис. 4.12) - приемопередатчик для частотных диапазонов 300 - 348 МГц, 387 - 464 МГц, и 779 - 928 МГц, основанный на CC1101 с аналогичными характеристиками производительности радиотракта [40].

увеличить изображение

Рис. 4.12.  Структура приемопередатчиков серии CC110L

Приемопередатчик имеет аппаратную поддержку обработки пакетов (детектирование синхрослова, автоматический подсчет контрольной суммы), буферизации данных (FIFO буферы по 64 байта на прием и передачу), непрерывной передачи больших объемов данных. Наилучшие показатели чувствительности -116 дБм при скорости передачи данных 0.6 кбит/с. Скорость передачи данных варьируется в пределах от 0.6 до 600 кбит/с.

Приемопередатчик поддерживает частотную (2-FSK, 4-FSK, GFSK) и амплитудную (OOK) модуляции сигнала. Время выхода из режима низкого энергопотребления (ток потребления ~200 нА) в режим приема или передачи порядка 240 мкс. Отсутствие режима пробуждения по наличию радиосигнала (Wake-on-Radio - WOR) и блока коррекции ошибок (Forwarding Error Correction - FEC) несколько снижает функциональность устройства, но зато положительно сказывается на его цене. Отсутствует также аналоговый датчик температуры.

CC110L повыводно и схемотехнически совместим с CC1101 и выпускается в таком же корпусе - QLP20 (4x4 мм).

Для случаев, когда поток данных только однонаправленный идеально подойдут отдельные микросхемы приемников CC113L и передатчиков CC115L (Рис. 4.13 и Рис. 4.14), полностью совместимые с CC110L и имеющие еще меньшую стоимость [40-43].

увеличить изображение

Рис. 4.13.  Структурная схема приемника CC113L

увеличить изображение

Рис. 4.14.  Структурная схема передатчика CC115L

Основные особенности семейства CC112x

Серии CC112x [43] являются усовершенствованными версиями приемопередатчика CC1101. Усовершенствования коснулись и радиотракта, и цифровой части, и режимов работы. В результате получился экономичный высокоселективный, чувствительный приемопередатчик, что позволяет использовать его в условиях высокого уровня шума, плотного использования радиоканала, высоком уровне интерференционных помех или больших расстояниях между узлами.

Высокопроизводительные многоканальные приемопередатчики CC112х (Рис. 1.2) обладают максимальной выходной мощностью до 16 дБм, чувствительностью -123 дБм и поддерживаемыми скоростями передачи данных от 1.2 до 200 кбит/с с управлением по интерфейсу SPI. Выходная мощность регулируется с шагом 0.5 дБм, а чувствительность может быть еще улучшена за счет применение схемы кодового усиления до -125 дБм (один информационный бит кодируется четырьмя чипами). Все это позволяет увеличить максимальную дальность передачи на расстояния до 10 километров.

Сердцем приемопередатчика является встроенный частотный синтезатор с низким уровнем фазовых шумов, что способствует высокой избирательности системы.

Приемопередатчик способен работать в частотных диапазонах 164-192, 410-480, 820-960 МГц. Поддерживается режимы модуляции 2-FSK, 4-FSK, 2-GFSK, 2-GFSK, MSK, OOK, ASK и аналоговая частотная модуляция. По сравнению с СС1101 уменьшено временя выхода из режима низкого энергопотребления в режим приема - до 150 мкс. Также поддерживается автоматическое прослушивание канала перед началом передачи (Clear Channel Assessment - CCA), имеется программируемый индикатор наличия несущей. Качество приема может быть оценено при помощи измерения уровня принятого сигнала (RSSI) с высокой степенью линейности в широком диапазоне.

СС112х имеют аппаратную поддержку детектирования синхрослова, проверку адреса, автоматический подсчет длины пакета и вычисление контрольной суммы. Добавлена поддержка ретрансляции пакетов, автоматическая отправка подтверждения принятия пакета. Размеры приемного и передающего буфера увеличены до 128 байт каждый, что упрощает передачу больших объемов данных (Рис. 4.15).

увеличить изображение

Рис. 4.15.  Упрощенная структурная схема приемопередатчиков CC112x

Следует отметить, что в сигнальном тракте СС112х используются цифровые фильтры, обеспечивающие высокую стабильность параметров вне зависимости от напряжения питания, температуры. Благодаря фильтрам обеспечивается высокий уровень подавления сигнала вне текущего частотного канала - более 80 дБ (65 дБ при отступлении от центральной частоты канала на 12.5 КГц, 90 дБ при отступлении от центральной частоты канала на 10 МГц), что позволяет применять приемопередатчики в условиях плотного использования частотного диапазона или при большом количестве устройств на одной территории. Это повышает совместимость систем, использующих СС112х, как друг с другом, так и с другими системами, использующими радиоканал, упрощает процесс установки.

Версия СС1120 позволяет использовать ширину канала менее 12.5 КГц - например, при скорости 4.8кбит/c ширина канала может достигать всего 6.25 КГц.

Новый режим пониженного энергопотребления - Sniff Mode

В серии СС112х был улучшен режим пробуждения для прослушивания канала (пробуждение по наличию радиосигнала) - уменьшено энергопотребление 32 КГц RC-таймера, есть возможность автоматической калибровки таймера.

Важным дополнением к энергосберегающим режимам приемопередатчика стал новый режим прослушивания радиоканала (т.н. Channel Sniff Mode). Приемнику в СС112х требуется всего лишь время четырех бит преамбулы пакета для установления режима, включая компенсацию смещения частоты и автоматическую регулировку усиления. В режиме прослушивания возможность быстрой установки комбинируется с преамбулой большей длины для автоматической периодической проверки наличия сигнала. В этом режиме приемник автоматически через короткие промежутки времени проверяет наличие передачи в канале после чего отключается, и в следующем периоде времени ситуация повторяется.

Режим прослушивания канала абсолютно прозрачен для пользователя и никак не влияет на характеристики приемопередатчика (чувствительность, избирательность) и позволяет уменьшить энергопотребление в режиме приема. Конечно, среднее потребление в режиме приема будет зависеть от текущей скорости передачи и длины преамбулы, но выигрыш заметен даже при больших скоростях. Так применение данного режима при длине преамбулы 4 бита на скорости 1.2 кбит/с снижает потребление на приеме с 21 мА до 3 мА, а на скорости 50 кбит/с до 16 мА.

Некоторые сравнительные характеристики приемопередатчиков серий СС1101, СС110L, CC112x представлены в Табл. 4.1 [40-43].

Из представленных данных видно, что модули CC110L могут быть использованы для эффективной организации радиоканала узлов сети АСКУЭ при относительно небольшой плотности размещения узлов. Отсутствие режима WOR во многих случаях будет означать немного возросшую нагрузку на управляющий контроллер и необходимо будет это также учесть при построении сетевого протокола (например, работа по расписанию). Для части узлов, например в счетчиках внутри квартиры или частного дома, в целях снижения стоимости можно использовать микросхемы передатчиков CC115L.

Для работы в условиях плотной застройки оптимальны узкополосные приемопередатчики СС1120, кроме того, с данными приемопередатчиками возможно построение систем с переключением частот, что позволит полнее использовать бюджет частотного диапазона.

Приемопередатчики CC112x также хорошо подходят и для случая сильного территориального разнесения отдельных объектов учета в АСКУЭ.

Наличие готовых решений для печатных плат радиомодулей также можно считать важным преимуществом, т.к. это ощутимо снижает затраты на разработку отдельного узла системы.

Пожалуй, семейство приемопередатчиков является одним из самых популярных при разработке беспроводных систем субгигагерцового диапазона. Учитывая это, а также динамику развития рынка потребления данной продукции Texas Instruments уделяет большое внимание развитию семейства.

Приемопередатчики CC1101 сочетают в себе компактные размеры, низкое энергопотребление, низкопрофильный корпус. Благодаря уникальной схемотехнике, на базе приемопередатчиков данной серии можно строить беспроводные приемопередатчики практически для всего частотного субгигагерцового диапазона, начиная от 300 МГц, и до 960.

Линейка LPRF Value Line представлена сериями недорогих устройств, рассчитанных на массовое применение. В неё вошли приемопередатчик СС110L и отдельные микросхемы приемников CC113L и передатчиков CC115L - бюджетные микросхемы (цена единицы в крупной партии менее 1$) совместимые с приемопередатчиками CC1101.

увеличить изображение

Рис. 4.16.  Развитие беспроводных решений Texas Instruments диапазона <1ГГц

Целевая аудитория LPRF Perfomance Line - приложения с высокой производительностью, требующие широкого спектра аппаратных возможностей, а также для работы в условиях зашумленной или плотно занятой частотной полосы. В линейке Perfomance представлены узкополосные (6 - 50 КГц) многоканальные приемопередатчики CC1120/CC1121, высокопроизводительный передатчик CC1175 (Рис. 4.16).

Особенности линейки LPRF Performance Line

Усилия специалистов Texas Instrument по увеличению производительности воплотились в жизнь в новой линейке LPRF Performance Line. В основу беспроводных приборов линейки LPRF Performance Line легла архитектура приемопередатчиков CC1101.

Внешне практически ничего не изменилось. Тот же низкопрофильный корпус поверхностного монтажа, правда, уже QFN32 (Рис. 4.17) [40-43].

увеличить изображение

Рис. 4.17.  Внешний вид приемопередатчика CC112x

Схема включения микросхем также не усложнилась, и одна и та же микросхема может быть использована для создания радио-тракта в пределах всего диапазона <1ГГц. Приемопередатчик способен работать в частотных диапазонах 164-192, 410-480, 820-960 МГц. Поддерживается режимы модуляции 2-FSK, 4-FSK, 2-GFSK, 2-GFSK, MSK, OOK, ASK и аналоговая частотная модуляция.

Фактически, при построении схемы для конкретной частоты изменяются номиналы элементов в соответствии с рекомендованными в документации параметрами (Рис. 4.18) [13].

увеличить изображение

Рис. 4.18.  Типовая схема включения СС112х

Усовершенствования, направленные на увеличения производительности и стабильности работы устройств коснулись радиотракта, схем и способов обработки сигналов, подходов к управлению отдельными узлами и прибором в целом (Рис. 4.19).

Сердцем приемопередатчика является встроенный частотный синтезатор с низким уровнем фазовых шумов, что также способствует высокой избирательности системы. По сравнению с предшественниками (серия СС1101), уровень фазовых шумов генератора снижен до уровня -109 дБц/Гц в полосе 10 КГц относительно центральной частоты, и в полосе 10 МГц до уровня -130 дБц/Гц (данные представлены для частотного диапазона 170 МГц).

По сравнению с СС1101 уменьшено время выхода из режима низкого энергопотребления в режим приема - до 150 мкс. Также поддерживается автоматическое прослушивание канала перед началом передачи (Clear Channel Assessment - CCA), имеется программируемый индикатор наличия несущей. Уровня принятого сигнала может быть оценен с высокой степенью линейности в широком диапазоне. Приятным дополнением к работе радиочасти устройств линейки Performance является режим совместимости с устройствами стандарта 802.15g. Это позволяет без опаски использовать проприетарные протоколы, без нарушения работоспособности существующих сетей (например, возможна совместная работа с сетями стандартов ZigBee или 6LoWPAN).

СС112х имеют аппаратную поддержку детектирования синхрослова, проверку адреса, автоматический подсчет длины пакета и вычисление контрольной суммы. Добавлена поддержка ретрансляции пакетов, автоматическая отправка подтверждения принятия пакета. Размеры приемного и передающего буфера увеличены до 128 байт каждый, что упрощает передачу больших объемов данных, кроме того, возможен прием пакета без участия внешнего контроллера.

увеличить изображение

Рис. 4.19.  Структурная схема приемопередатчиков СС112х

Цифровой тракт обработки сигнала

Высокопроизводительные многоканальные приемопередатчики CC112х (Рис. 1.2, Рис. 2.1) обладают максимальной выходной мощностью до 16 дБм, чувствительностью -123 дБм при скорости передачи данных 1.2 Кбит/с в диапазонах 400 и 900 МГц. Чувствительность может быть еще улучшена за счет применение схемы кодового усиления - один информационный бит кодируется четырьмя чипами. Кодовое усиление дает дополнительно 2-3 дБм, таким образом, суммарная чувствительность может достигать -125 дБм. Выходная мощность регулируется с шагом 0.5 дБм. Простой расчет бюждета канала дает величину, порядка 140дБм. Максимальная дальность устойчивой связи в хороших условиях может быть порядка десяти километров. Однако, высокая выходная мощность и высокая чувствительность не являются единственными гарантами успешного приема или передачи данных. Так, достаточно мощный сигнал в соседнем частотном канале, способен повлиять на прием сигнала текущего канала при недостаточной избирательности фильтра.

Применение в сигнальном тракте АЦП с динамическим диапазоном 90 дБ позволяет полностью перейти на последующую цифровую обработку сигнала, включая его фильтрацию. Цифровые фильтры, помимо лучших характеристик в полосе пропускания и подавления сигнала вне полосы, обеспечивают высокую стабильность параметров вне зависимости от напряжения питания, температуры, и вариаций технологического процесса.

Фильтрами обеспечивается высокий уровень подавления сигнала вне текущего частотного канала - более 80 дБм. На Рис. 4.20a представлена типовая частотная характеристика фильтров, примененных в серии CC112x.

Высокий уровень подавления соседних каналов позволяет применять приемопередатчики в условиях плотного использования частотного диапазона, или при большом количестве устройств на одной территории, повышает совместимость систем, использующих СС112х, как друг с другом, так и с другими системами, использующими радиоканал. Упрощается процесс установки беспроводных узлов, так как ограничивается зона взаимного влияния узлов, в том числе узлов, работающих как в одной, так и в разных частотных полосах и каналов. Высокий уровень подавления соседних каналов и высокая селективность создают важное конкурентное преимущество линейке Performance Line (Рис. 4.20б).

увеличить изображение

Рис. 4.20.  Частотные характеристики цифровых фильтров CC112x а) уровень ослабления сигнала в зависимости отклонения его частоты от центральной частоты канала; б) сравнительные уровни подавления сигнала серий СС1101, С110L, CC1120/CC1121, CC1125 (скорость передачи данных 38.4 Кбит/с, GPSK модуляция, диапазон 868/915 МГц) [40-43].

Новые режимы пониженного энергопотребления - RF Sniff Mode и eWOR

Важным дополнением к энергосберегающим режимам приемопередатчика стал новый режим прослушивания радиоканала (т.н. Channel Sniff Mode) [40-43]. Для узлов беспроводной сети ток потребления в режиме приема, является одним из важных показателей энергоэффективности. Особенно остро данный вопрос стоит для устройств с автономным питанием. Не секрет, что основное потребление для подобных устройств приходится на моменты активности передатчика или приемника. Моменты активности передатчика, в принципе, приложению известны, и он активируется только на относительно короткое время для передачи пакета данных ил набора пакетов. Время прихода данных по радиоканалу для приемного устройства в большинстве случаев не определено. Для большинства типов приложений сенсорных сетей время ожидания входящего пакета может быть довольно велико, и, конечно же, нет никакого желания бесполезно тратить ресурс источника питания.

Для снижения энергопотребления в режиме приема в линейке Performance Line реализован новый режим - RF Channel Shiff Mode - режим прослушивания канала. Режим RF Channel Shiff Mode позволяет автоматически обнаруживать активность в радиоканале. В этом режиме приемник автоматически через короткие промежутки времени проверяет наличие передачи в канале после чего отключается, и в следующем периоде времени ситуация повторяется. Период включения приемника установлен меньшим, чем длина преабулы пакета. Приемнику в СС112х требуется всего лишь время четырех бит преамбулы пакета для установления режима, включая компенсацию смещения частоты и автоматическую регулировку усиления - время перехода из режима IDLE в режим приема (RX) около 150 мкс. Всего время активности приемника, начиная от запуска генератора до начала прослушивания эфира составляет порядка 500 мкс, при общей длительности активной фазы цикла около 670 мкс (зависит от текущих настроек приемопередатчика) Рис. 4.21 иллюстрирует принцип работы приемника в режиме прослушивания и осциллограмму потребляемого тока.

увеличить изображение

Рис. 4.21.  Режим прослушивания канала RF Channel Shiff Mode

Режим прослушивания канала RF Channel Shiff Mode абсолютно прозрачен для пользователя и никак не влияет на такие характеристики приемопередатчика, как (чувствительность, избирательность) и позволяет уменьшить энергопотребление в режиме приема без снижения производительности. Как видно из осциллограммы тока, основной пик потребления приходится на работу приемника и настройку аналоговой части приемника, включение усилителей, настройка коэффициента усиления. Конечно, среднее потребление в режиме приема будет зависеть от текущей скорости передачи и длины преамбулы, но выигрыш заметен даже при больших скоростях. Так применение данного режима при длине преамбулы 4 бита на скорости 1.2 кбит/с снижает потребление на приеме с 21 мА до 3 мА, а на скорости 50 кбит/с до 16 мА.

Улучшения в линейке Performance Line коснулись и режима Wake-on-Radio - режим пробуждения для прослушивания канала (пробуждение по наличию радиосигнала). Wake-on-Radio (WOR). В данном режиме радиоприемная часть периодически активируется для прослушивания канала в течение заданного времени для приема пакетов без участия внешнего контроллера. Для этого используется специальный таймер, тактируемый от внутреннего RC-генератора, который периодически генерирует два сигнала - включение регулятора напряжения цифровой части и запуск кварцевого генератора - режим IDLE и, через некоторое время, включение режима приема - RX. Если в течение установленного времени пакет не пришел, приемопередатчик переходит в режим IDLE, а затем в режим SLEEP.

По сравнению с приемопередатчиками CC1101 уменьшено энергопотребление 32 КГц RC-таймера, добавлена возможность автоматической калибровки таймера, изменена схема работы приемника в активной фазе [13]. В активной фазе режима Wake-on-Radio приемник работает в режиме прослушивания канала RF Sniff Mode (Рис. 4.22). Новый режим работы получил название Enhanced Wake-on-Radio (eWOR). В результате потребление мощности в режиме eWOR дополнительно снижается несколько раз.

увеличить изображение

Рис. 4.22.  Работа режима Enhanced Wake-on-Radio (eWOR)

Основные характеристики производительности

Микросхемы линейки Performance Line могут работать с более узкополосными каналами, чем их предшественники. Так при ширине канала всего 6.25 КГц, поддерживается скорость передачи до 4.8 Кбит/с, а, при канале в 12.5 КГц - 9.6 Кбит/с. Таких скоростей передачи данный вполне хватает для многих задач телеметрии.

Некоторые сравнительные характеристики микросхем серий СС1101, СС110L, CC112x представлены в Табл. 4.2 [40-43].

Средства разработки

Традиционно, средства разработки, предлагаемые TI, включают набор аппаратных и программных средств - отладочные модули, отладочные платы, средства разработки [36-38].

Отладочные модули - небольшие платы, содержащие только беспроводную микросхему, необходимую обвязку и разъемы для подключения питания, периферийных узлов, антенны.

Отладочные платы - имеют разъемы для подключения отладочных модулей и являются платформой для тестирования работы беспроводных элементов и отладки программного обеспечения.

Средства разработки позволяют подключать отладочные платы к персональному компьютеру для тестирования работы, как аппаратной, так и программной частей сетевых приложений.

Для тестирования и отладки сетевого приложения предлагается несколько видов наборов аппаратных средств (Табл. 4.3).

Наборы разработчика - содержат все необходимое аппаратное обеспечение для начала разработки. Как правило, состоят из двух отладочных плат, двух отладочных модулей, антенн и кабелей.

Мини-наборы разработчика - содержат необходимое оборудование для разработки небольших демонстрационных приложений.

Наборы отладочных модулей - содержат два беспроводных модуля, антенны и кабеля - могут быть использованы для расширения возможностей других отладочных комплектов.

USB устройства - небольшие отладочные платы, имеющие возможность подключения к USB портам ПК, чип или печатную антенну. Чаще всего сроятся на базе систем-на-кристалле.

Отладочные наборы ZigBee - ZigBee Development Kit (ZDK) - имеют возможности отладочных наборов, но содержат дополнительные беспроводные узлы для обеспечения возможности тестирования возможностей ячеистых сетей ZigBee. В данных наборах узлы имеют предустановленное тестовое приложение.

Программные средства разработки

Кроме стеков протоколов TI предоставляет ряд программных инструментов разработчика, предназначенных для конфигурирования устройств, анализа их работоспособности, а также наборы программных библиотек для встроенных микроконтроллеров [36-38].

SmartRF™ Studio - приложение для ПК, позволяющее пользователю выставить необходимые настройки для выбранного устройства - частота передачи данных, канал, скорость передачи, выходная мощность и ряд других. При подключении отладочных модулей возможна удаленная установка параметров. Кроме этого приложение предоставляет простые инструменты тестирования беспроводного канала - проверка возможности приема-передачи данных, пакетов, измерение качества канала связи (количество ошибок связи). Предоставляется свободно для всей линейки продуктов TI.

SmartRF™ Packet Sniffer - анализатор пакетов для стандартных и фирменных сетевых протоколов - SimpliciTI, TIMAC, ZigBee, RemoTI. Работает совместно с любыми беспроводными модулями и отладочными платами TI, позволяет прослушивать сеть на выбранной частоте и частотном канале. Имеет графический интерфейс для облегчения разбора и анализа пакето.

SmartRF Flash Programmer используется для обновления прошивки отладочных модулей, программирования флеш-памяти систем-на-кристалле.

Примеры библиотек - содержат основные функции, необходимые для осуществления сетевого взаимодействия между узлами сети.

USB Libraries - библиотеки, реализующие USB интерфейс для систем-на-кристалле и модулей (CC2511, CC1111, CC2531).

MSP430 Code Library - библиотеки программ и функций для МК MSP430 для систем-на-кристалле серий CC1100/2500.

PurePath™ Wireless Configurator - приложение на ПК с графическим интерфейсом для настройки параметров CC85xx.

Отладочная платформа TRXEB

Для оценки возможностей приемопередатчиков серий СС110L предлагается отладочный набор CC110LDK-868-915 [19] содержащий:

• две платы TRXEB;
• два модуля с приемопередатчиками CC110L, по одному оценочному модулю с передатчиками CC115L и приемниками CC113L;
• комплект соединительных кабелей и документации (Рис. 4.23).

Рис. 4.23.  Отладочный набор CC110LDK-868-915

Оценочные модули представляют собой печатные платы с установленными беспроводными устройствами и спиральными антеннами и разъемами для подключения внешней антенны (Рис. 4.24).

Рис. 4.24.  Оценочные модули с CC110L

Плата TRXEB (Рис. 4.25) содержит микроконтроллер MSP430F5438 MCU, светодиодные индикаторы, разъемы для подключения внешних устройств, оценочных модулей, набор кнопок, индикатор освещенности, трехосевой датчик ускорения, точечный жидкокристаллический экран 128х64 точки. В качестве примера в TRXEB предустановлен тест канала передачи данных на ошибки передачи (PER test) и тест на дальность связи, исходные тесты демонстрационной программы также предоставляются. Подключение к персональному компьютеру через USB интерфейс.

Рис. 4.25.  Отладочная плата TRXEB

На этой же плате базируется отладочный комплект (Рис. 4.26) для представителя линейки Perfomance CC1120 - СС1120DK [19].

В его состав входит две платы TRXEB, два модуля с CC1120 в конфигурации на диапазон 868/915 МГц (для других диапазонов модули могут быть заказаны отдельно), две штыревые антенны, набор соединительных кабелей, батареи питания. В качестве примера предварительно прошит тест канала на количество ошибок (PER test).

Отладочные средства для устройств линейки Performance Line базируются на плате TRXEB содержащей микроконтроллер MSP430F5438, светодиодные индикаторы, разъемы для подключения внешних устройств, оценочных модулей беспроводных приемопередатчиков, набор кнопок, индикатор освещенности, трехосевой датчик ускорения, точечный жидкокристаллический экран 128х64 точки. В качестве примера в предустановлен тест канала передачи данных на ошибки передачи (PER test) и тест на дальность связи, исходные тесты демонстрационной программы также предоставляются. Подключение к персональному компьютеру через USB интерфейс.

Рис. 4.26.  Отладочный набор СС1120DK

В качестве программной поддержки предоставляется инструментарий SmartRF Studio 7 для тестирования модулей и для задания настроек приемопередающего тракта. Для целей отладки работы беспроводной сети свободно доступно приложение Packet sniffer, являющееся сетевым снифером для радиоканала, построенного на базе LPRF микросхем от Texas Instruments.

Среды IAR Embedded workbench и CCS позволяют вести разработку прикладного программного обеспечения для систем, использующих связку - контроллер типа MSP430+CC11xx.

Ознакомительный комплект CC-6LOWPAN-DK-868

Ознакомительный комплект CC-6LOWPAN-DK-868 (Рис. 4.27) позволяет пользователям посмотреть работу сетей 6LoWPAN, начать разработку собственных сетевых приложений на базе данного протокола. В составе комплекта беспроводные модули Texas Instruments с программным обеспечением от Sensinode (стек протоколов NanoStack) [36].

CC-6LOWPAN-DK-868 демонстрирует два способа реализации и применения стека NanoStack - для систем-на-кристалле, и с использованием сетевого процессора CC1180.

В состав комплекта входят:

• граничный маршрутизатор 6LoWPAN на базе микроконтроллера OMAP-L138 с модулем CC1180EM в качестве беспроводного интерфейса;
• две отладочные платы EM430F5137RF900 Rev 3.2;
• две платы CC1180DB.

Граничный маршрутизатор содержит программное обеспечение Sensinode NanoRouter 2.0 и способен присоединять к сети и работать с узлами, работющими под управлением стека протоколов NanoStack 2.0 lite. В предлагаемой в ознакомительном комплекте версии NanoRouter 2.0 установлено ограничение в 10 узлов на один граничный маршрутизатор.

Платы EM430F5137RF900 и CC1180DB используются в комплекте как узлы беспроводной сети. Системы-на-кристалле CC430 демонстрируют работу со стеком протоколов через библиотеку NanoSocket API.

увеличить изображение

Рис. 4.27.  Ознакомительный комплект CC-6LOWPAN-DK-868

CC1180DB содержат сетевой процессор CC1180, выполняющий основную часть стека, и хост-контроллер MPS430F5438A, выполняющий прикладные задачи, в частности демонстрационное приложение. Взаимодействие между сетевым и хост-процессорами идет по интерфейсу UART с помощью протокола Sensinode NAPSocket API.

В качестве демонстрационного приложения для работы с сетью 6LoWPAN идет приложение монитор сети NodeView 2.0, позволяющее управлять граничным маршрутизатором, отслеживать состояние сети в реальном времени. Прикладной управляющий протокол основывается на протоколе UDP стека NanoStack lite. NodeView 2.0 также позволяет создавать небольшие пользовательские java-приложения.

Все представленные беспроводные узлы могут выступать в роли маршрутизаторов в данной подсети 6LoWPAN. Платой за это выступает необходимость постоянной активности приемопередатчика, и питание узлов целесообразнее брать стационарное.

Texas Instruments предлагает широкий спектр продуктов для самых различных областей применения:

• охранно-пожарные системы;
• дистанционное управление;
• беспроводные аудио системы;
• бытовые медицинские приборы;
• периферийные устройства (HID);
• системы домашней автоматики, управления освещением;
• системы сбора данных и др.

Одна из ключевых особенностей политики компании - всесторонняя поддержка разработчика - документация, свободные средства настройки и тестирования, форумы разработчиков.

Беспроводные решения Maxim для систем сбора данных с приборов учета ресурсов

Компания Maxim известна, прежде всего, как производитель всего спектра компонентов для сигнального тракта: датчиков, операционных и инструментальных усилителей, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, микросхем управления питанием, специализированных контроллеров, драйверов интерфейсов. Компания является крупнейшим производителем микросхем для интеллектуальных систем измерения расхода ресурсов. Отличительные черты продукции Maxim - миниатюрные размеры и малое энергопотребление. Ассортимент продукции Maxim позволяет на базе её компонентов строить системы учета расхода ресурсов, начиная с датчиков и расходомеров, до блоков обработки и передачи данных.

В данном обзоре будут рассмотрены микросхемы для построения беспроводного канала передачи данных систем сбора данных со счетчиков энергоресурсов.

Интегральные беспроводные решения Maxim для субгигагерцового диапазона

На Рис. 1.2 цветом выделены те элементы интеллектуального счетчика, компоненты для которых предлагаются компанией Maxim - это большинство элементов за исключением первичных датчиков, силовых реле, средств визуализации и памяти. Не обойден вниманием и беспроводной канал передачи данных. Если рассматривать только микросхемы интегральных приемников, передатчиков и приемопередатчиков, то можно видеть, что предлагаются решения как для лицензируемых диапазонов (сотовая связь, GPS навигация, телевидение, радио, сети WiMax), так и для не лицензируемых частот (локальные сети WiFi, сенсорные сети) [44].

Для считывания показаний счетчиков наиболее подходящими являются микросхемы, работающие в нижней части разрешенного диапазона (т.н. субгигагерцовая область).

С учетом законодательных ограничений практический интерес представляют микросхемы серии MAX70xx, в число которых входят интегральные приемопередатчики, передатчики и приемники, ориентированные на работы с частотами от 300 МГц до 450 МГц.

Основные микросхемы данных серий с их краткими характеристиками представлены в Табл. 4.4-4.6 [45-47].

MAX7031 -экономичный приемопередатчик с частотной модуляцией сигнала, предварительно установленной частотой (заводские установки), встроенным переключателем приема/передачи и выходной мощностью до 10 дБм (при нагрузке 50 Ом).

MAX7030 - приемопередатчик с амплитудной модуляцией/манипуляцией сигнала (ASK/OOK), встроенным переключателем приема/передачи и выходной мощностью до 10 дБм (при нагрузке 50 Ом). Возможна работа с напряжениями питания от 2.1 В до 3.6 В или от 4.5 В до 5.5 В. Чувствительность приемника -114 дБм, уровень подавления за пределами канала более 45 дБм.

MAX7032 - универсальный АМ/ЧМ приемопередатчик (ASK/OOK или FSK) с выходной мощностью до 10 дБм, способен работать при напряжениях питания от 2.1 В до 3.6 В или от 4.5 В до 5.5 В. Встроенный переключатель режимов приема/передачи, режимы пониженного энергопотребления, выход индикации уровня принятого сигнала. Программируемая частота приема/передачи, настраиваемое отклонение от центральной частоты (для режима частотной модуляции). Чувствительность по приему -114 дБм/-110дБм для АМ/ЧМ режимов соответственно.

Для приложений, в которых не требуется двунаправленного обмена данными между узлами возможно установка на ряде узлов сети или приемников, или передатчиков. Это несколько снизит цену и энергопотребление конечных устройств. Доступные устройства для ISM диапазона представлены в Табл. 4.5 и Табл. 4.6.

MAX7049 - работает в диапазоне питающих напряжений от +2.1В до +3.6В, токи потребления 21 мА при выходной мощности 10 дБм и порядка 43 мА при 15 дБм. Токи утечки в выключенном состоянии менее 100 нА, ток потребления в состоянии низкого энергопотребления не превышает 400 нА. Поддерживает режимы амплитудной и частотной модуляции, отвечает требованиям стандартов ETSI EN300-220, FCC Part 15 (перестройка частоты), встроенный датчик температуры.

Передатчики MAX7057, MAX7060 также работают с однополярным питанием в диапазоне от +2.1 в до +3.6 В, имеет регулируемую выходную мощность (до 13 дБм) и частоту передачи. Токи потребления в режиме лежат в пределах от 8.5 мА (амплитудная модуляция) до 12.5 мА (частотная модуляция).

Передатчики поддерживают скорости передачи до 100 Кбит/с (код NRZ).

Двухчастотный MAX7058 поддерживает передачу данных в режиме амплитудной модуляции и амплитудной манипуляции, а также переключение между частотами передачи 315/390 МГц

Экономичный MAX1479 при напряжениях питания 2.1-3.6 В потребляет не более 6.5 мА/10.5 мА (АМ/ЧМ режимы соответственно) при выходной мощности свыше 10 дБм. Поддерживает режимы амплитудной модуляции и манипуляции, совместим со стандартами ETSI, EN300 220.

MAX7044/MAX1472 - экономичные АМ-передатчики с малым током потребления поддерживающие с глубину модуляции до 90 дБм при выходной мощности до 13/10 дБм соответственно.

Серии MAX2903, MAX2904 помимо амплитудной и частотной модуляции поддерживают режимы амплитудной манипуляций и расширение спектра при помощи двоичной фазовой манипуляции (BPSK). Данные серии обеспечивают выходную мощность до 20 дБм при питании 3.0 В и до 23 дБм при напряжении питания 4.5 В.

MAX7034 - приемник с малой зависимостью чувствительности от температуры и уровнем подавления зеркального канала 44 дБ. Обладает малым временем запуска - менее 250 мкс.

АМ-/ЧМ-приемники MAX1471 способны работать в широком температурном диапазоне - от -40°С до+125°С при напряжении питания 3.3 В или 5 В. Сохраняют работоспособность при понижении питающего напряжения до 2.4 В. Ток потребления в режиме приема 7 мА, в режиме низкого энергопотребления не более 1.1 мкА. Интересным решением являются разнесенные выходы демодулированных АМ- и ЧМ-данных.

При чувствительности порядка -144 дБм приемники серии MAX7033 работают при температурах от -40°С до +105°С. Обладают высоким уровнем подавления сигнала вне частотного канала (44 дБм), могут работать как с 3.3 В, так и с 5 В источниками питания, ток потребления в активном режиме не более 5.2 мА, в режиме пониженного потребления менее 3.5 мкА.

MAX7042 обеспечивает прием ЧМ-сигналов с уровнями до -110 дБм при подавлении сигнала вне канала на 45 дБм. Работают при напряжении питания 3.3 В и с 5 В с током потребления в пределах 6.2 мА (минимальное напряжение питания 2.4 В).

Для сложных условий эксплуатации (большие расстояния, высокий уровень помех) подойдет серия АМ-приемников MAX1473, которая, благодаря встроенному АРУ с широким динамическим диапазоном обеспечивает чувствительность приема до -115 дБм. Дополнительно к этому, обеспечивается высокий уровень подавления сигнала вне канала - до 53 дБм.

Как видно, большинство из представленных устройств способно напрямую работать от автономных источников питания, таких как, солевые батареи, литиевые аккумуляторы, никелевые аккумуляторные батареи, даже при их существенном разряде. Широкий диапазон питающих напряжений позволяет включать беспроводные микросхемы Maxim совместно с управляющим контроллером практически любого типа.

Универсальный приемопередатчик MAX7032

Для задачи организации сети сбора данных со счетчиков вариант с двусторонним обменом данными является более предпочтительным. Причиной этому является необходимость постоянного отслеживания состояния счетчика, оповещение о нештатных ситуациях или несанкционированных действиях, а также обеспечение возможности оперативной настройки счетчика - например, в случае изменения тарифов, обновления программного обеспечения. Следовательно, в качестве основы для построения канала передачи данных будут выступать приемопередатчики.

Одним из наиболее подходящих решений является универсальный приемопередатчик MAX7032 [48] диапазона 300 МГц - 450 МГц. Передатчик работает с амплитудно-модулированными и манипулированными сигналами (режимы ASK/OOK), а также с частотно модулированными сигналами (FSK). Обеспечивает достаточно большую для данного диапазона скорость обмена данными - до 33 Кбит/с в манчестерском коде и до 66 Кбит/с в коде без возвращения к нулю - NRZ.

Выходная мощность при работе на 50-омную антенну до 10 дБм. MAX7032 демонстрирует прекрасную чувствительность в режиме приема - до -114 дБм в режиме амплитудной и до -110 дБм в режиме частотной модуляции.

MAX7032 имеет раздельные выводы для передаваемых и принимаемых сигналов (PAOUT, LNAIN), встроенный RF-ключ для подключения передающих и принимающих выводов к одной общей антенне.

Частота передачи в MAX7032 генерируется 16-битным синтезатором частот с фазовой синхронизацией (PLL) с дробным коэффициентом умножения частоты (fractional-N). В режиме приема опорная частота генерируется синтезатором с целочисленным коэффициентом умножения. Подобная гибридная архитектура исключает необходимость в отдельных внешних резонаторах для приема и передачи сигналов. Так, PLL с дробным умножением позволяет установить частоту передачи в пределах 2 КГц от частоты приема - минимальный шаг настройки частоты передачи . Применение PLL с целым коэффициентом умножения на приеме позволяет снизить ток потребления в данном режиме (рабочий ток дробного PLL несколько выше). Таким образом снижается стоимость конечного изделия, благодаря сокращению числа внешних компонентов и минимизируется ток потребления при приеме, что продлевает время автономной работы устройства.

Кроме этого, архитектура дробного PLL позволяет настроить девиацию частоты в режиме частотной модуляции, что полностью исключает проблему затягивания частоты генератора. Все компоненты, необходимые для генерации частот интегрированы на кристалле, для подключения MAX7032 требуется всего несколько внешних компонент, среди которых кварцевый резонатор, фильтр промежуточной частоты на 10.7 МГц, некоторое количество дискретных элементов (Рис. 4.28) [49].

Приемопередатчик может работать как с внешней, так и с печатной антенной (в последнем случае эффективность работы будет несколько ниже).

Управляющим интерфейсом выступает интерфейс SPI, используемый для настройки приемопередатчика, линии DATA, EN, TR, RSSI отображают состояние приемопередатчика, управляют направлением передачей данных, а также служат для приема-передачи данных. В качестве управляющего контроллера может быть использован практически любой из контроллеров семейства MAXQ.

Основа автоматического счетчика с беспроводной передачей данных - MAX7032+MAXQ610

Прекрасной базой для собственных разработок является пример автоматической системы считывания показаний на базе демонстрационного набора LFRD002 [9-10, 12, 13]. В связке с MAX7032 в данном наборе задействован 16-разрядный низкопотребляющий контроллер MAXQ610.

MAXQ1610 [51] содержит в себе 16-разрядное RISC ядро, два интегрированных последовательных порта USART, SPI, модуль ИК интерфейса, а также набор линий ввода-вывода. 64 Кбайта флеш-памяти и 2 Кбайта вполне достаточно и для прикладной программы, и для реализации достаточно сложного стека протоколов. Потребление контроллера в режиме останова составляет всего 0.2 мкА.

увеличить изображение

Рис. 4.28.  Схема включения приемопередатчика MAX7032

LFRD002 может быть с успехом использован для демонстрации возможностей и приемопередатчика MAX7032 и контроллера MAXQ610. В набор входит три платы - две с контроллеров и приемопередатчиком (MTR) - для работы со счетчиками - измерительные узлы, и одна плата, в которой к приемопередатчику и контроллеру добавлен ЖК-дисплей и клавиатура - управляющий узел (RDR). Размеры плат MTR всего 3 см х 3 см, плата RDR несколько больше - 11.5 см х 6.1 см - см. Рис. 4.29.

Рис. 4.29.  Демонстрационный набор LFRD002

Контроллеры плат доступны для программирования посредством JTAG интерфейса. Изначально в контроллеры зашито демонстрационное приложение, иллюстрирующее подключение/отключение измерительных узлов к управляющему, а также прием-передачу данных от них.

Разработчикам также доступны Gerber файлы плат, электрические принципиальные схемы, списки комплектующих и исходные тексты программ [9 - 13].

Как представлено в документе [53], платы из набора LFRD002 вполне успешно могут быть использованы и в качестве самостоятельных узлов в составе счетчиков (Рис. 4.30).

увеличить изображение

Рис. 4.30.  Плата MRT в составе счетчика расхода воды

Безусловно, контроллер MAXQ610 может быть настроен для работы с датчиками практически любых типов.

Как видно, на основе компонентов компании Maxim возможно создание экономичного но достаточно эффективного решения для индивидуальных систем учета расхода ресурсов. Работа в диапазоне 433 МГц снимает ряд проблем, связанных с распространением радиосигнала - сигналы данного диапазона менее чувствительны к наличию препятствий, характерных для помещений (перегородки, мебель, офисная техника и т.п.), что позволяет работать при меньших мощностях сигнала, а также снизить требования к протоколам передачи данных. Maxim предоставляет практически все необходимые компоненты для создания интеллектуальных счетчиков расхода ресурсов с беспроводным интерфейсом.

Модули Bluetooth Low Energy компании BlueGiga

BlueGiga одной из первых компаний, которая начала внедрять технологию Bluetooth Low Energy в своих устройствах. Однорежимные устройства (single-mode) выпускаются с 2010 года, и с 2011 года выпускаются двухрежимные устройства (dual-mode) [54, 55].

На данный момент BlueGiga предлагает серии BLE устройств:

• модуль BT111 Bluetooth Smart Ready HCI Module;
• USB-устройство BLED112 Bluetooth low energy dongle;
• модуль BLE112 Bluetooth low energy module.

Модуль BT111

BT111 предназначен для приложений, в которых необходима работа и с классическими Bluetooth устройствами, и с устройствами Bluetooth Low Energy и представляет собой миниатюрный модуль поверхностного монтажа со встроенной антенной (Рис. 4.31).

Рис. 4.31.  Внешний вид двухрежимного BLE модуля BT111

При выходной мощности до 8 дБм модули BT111 могут поддерживать соединение на расстоянии порядка 100м в пределах прямой видимости. Чувствительность приемника составляет -89 дБм.

В основе BT111 лежит беспроводная система-на-кристалле CS8510 [56] содержащая Bluetooth трансивер, 16-битный RISC микроконтроллер с достаточно эффективной схемой управления энергопотреблением и распределением памяти. Ядро микроконтроллера при поддержке контроллера прерываний, таймера исполняет стек протоколов Bluetooth, а также отслеживает беспроводной интерфейс и интерфейс к хост-контроллеру. Встроенный в CS8510 LDO регулятор позволяет модулю работать в диапазоне напряжений от 1.8 до 3.6 В.

CSR8510 дополнительно имеет SPI, PCM и USB (Full-speed 12 Мбит/с) интерфейсы. Кроме того, доступны до четырех линий ввода-вывода, которые могут быть использованы в качестве линий индикаторов, в качестве входных линий, а также в режиме совместимости с Wi-Fi.

Помимо самой однокристальной системы CS8510 в состав BT111 входят: монопольная керамическая антенна, входной фильтр, EEPROM объемом 32 Кбайта и кварцевый резонатор на 26 МГц. Структурная схема BT111 представлена на Рис. 4.32.

увеличить изображение

Рис. 4.32.  Структурная схема BLE модуля BT111

Антенна обеспечивает усиление порядка 0.5 дБм, радиочастотный фильтр позволяет уменьшать уровень помех модуля. Встроенная EEPROM может быть использована для хранения настроек модуля, таких как, выходная мощность передатчика, конфигурация периферийных интерфейсов, настройки и идентификаторы USB, адрес Bluetooth.

BT111 может работать совместно с Wi-Fi устройствами. Для этого предусмотрено три режима совместимости:

• Unity-3;
• Unity-3e;
• Unity+.

CS8510 обладает весьма впечатляющими объемами памяти и эффективной схемой управления ею. Так, модуль управления памятью поддерживает несколько кольцевых буферов для передачи данных между хост-контроллером и беспроводным интерфейсом при минимальном участии в этом процессорного ядра.

В CS8510 56 Кбайт оперативной памяти разделятся между кольцевыми буферами для голосовых данных или для пакетов данных для каждого из поддерживаемых активных соединений. Встроенная постоянная память объемом 5 Мбайт предназначена для хранения прошивки стека протоколов, настроек модуля и кода прикладных программ.

Модуль BLE112

Модуль BLE112 (Рис. 4.33) является однорежимным BLE-модулем, предназначенным для сенсорных систем и BLE-аксессуаров с батарейным питанием. BLE112 поддерживает практически все возможности устройств BLE - беспроводная передача данных, поддержка стека протоколов BLE и ряда профилей BLE-устройств, дополнительно присутствует возможность хранения пользовательских приложений, таким образом, возможна работа модуля BLE без внешнего контроллера.

BLE112 отличает достаточно низкое энергопотребление и широкий диапазон напряжений питания. Так он может напрямую работать от 3В батарейки типа "монета" или от пары "мизинчиковых" батареек (тип ААА). В режиме сна модуль потребляет только порядка 400 нА, переход в активный режим осуществляется за доли миллисекунд, а в режиме передачи ток потребления составляет около 27 мА (при выходной мощности 0 дБм).

Трансивер BLE112 обеспечивает выходную мощность в пределах от -23 до 3 дБм и чувствительность по приему порядка -85…-91 дБм.

Рис. 4.33.  Внешний вид модуля BLE112

BLE112 основан на BLE-процессоре от Texas Instruments СС2540 [8], и в дополнении к самому беспроводному процессору имеет встроенные кварцевые резонаторы на 32 МГц и на 32.678 КГц, обеспечивающие тактирование CC2540, согласующий фильтр и миниатюрную керамическую антенну. На печатной плате модуля предусмотрено также посадочное место для UFL разъема, позволяющего подключать внешнюю антенну. Структурная схема BLE112 представлена на Рис. 4.34.

увеличить изображение

Рис. 4.34.  Структурная схема модуля BLE112

СС2450 содержит высокопроизводительный микроконтроллер архитектуры 8051 с 8 Кбайтами оперативной памяти и до 256 Кбайтами флеш-памяти с возможностью перепрограммирования самим устройством. Пяти канальный контроллер прямого доступа в память позволяет весьма эффективно организовать работу с периферийными устройствами и памятью, существенно экономя ресурсы процессорного ядра. Контроллер прерываний обслуживает до 18 каналов прерываний с четырьмя уровнями приоритета, включая прерывания от таймеров, периферийных устройств, линий ввода-вывода.

Набор периферийных устройств включает в себя:

• таймер с ультранизким потреблением, работающий от внешнего 32 КГц резонатора;
• сторожевой таймер;
• 40-битный таймер, используемый стеком протоколов BLE;
• 16-битный таймер с функциями счетчика, ШИМ-генератора и таймера;
• два 8-битных многофункциональных таймера (таймер/счетчик/ШИМ);
• два асинхронных последовательных интерфейса;
• модуль шифрования (AES128);
• 8-канальный АЦП с разрядностью от 7 до 12 бит и скоростями преобразования от 30 до 4 КГц и встроенным датчиком температуры;
• аналоговый компаратор.

Еще одним устройством, предлагаемым BlueGiga для приложений BLE, является USB-BLE модуль BLED112 (Рис. 4.35). Сохраняя функциональность, аналогичную модулю BLE112 (за исключением возможностей ввода-вывода) он выполнен в формате USB устройства и позволяет подключать другие BLE к персональному компьютеру. BLED112 может также выполнять роль виртуального COM-порта или USB-HID устройства.

Рис. 4.35.  Внешний вид USB-BLE модуля BLED112

BLED112 может также быть полезен при отладке и демонстрации приложений, использующих стек протоколов Bluetooth Low Energy.

Программное обеспечение

BlueGiga предоставляет ряд инструментов и сред, для разработки BLE-приложений, а также для настройки модулей и отладки встроенного программного обеспечения.

Программный интерфейс BGAPI™ совместно с библиотекой BGLib™ C-library позволяет достаточно легко и эффективно использовать ресурсы модулей BlueGiga внешним хост-контроллером. Программный пакет Profile Toolkit™ позволяет производить разработку и отладку пользовательских приложений для BLE-модулей.

BGScript™ предназначен для быстрой разработки приложений без глубоких знаний особенностей работы стека протоколов, для отладки и тестирования логики работы приложений. Приложения на BGScript™ могут разрабатываться и для хост-контроллера и для самих модулей (Рис. 4.36).

увеличить изображение

Рис. 4.36.  Структурная схема программного обеспечения, предоставляемого BlueGiga

Области применения

Ассортимент устройств с технологией Bluetooth Low Energy от BlueGiga позволяет строить решения на их основе для самых различных секторов рынка встраиваемых беспроводных устройств:

• спортивное оборудование и аксессуары - измерители пульса, шагомеры, регистраторы ритма - выполненные в виде наручных часов, браслетов;
• датчики - температуры, влажности, присутствия;
• системы сбора и отображения данных;
• бытовые медицинские устройства - весы, тонометры, глюкометры, датчики температуры, дистанционные устройства вызова (в частности, т.н. "радионяни");
• устройства бытовой электроники - пульты и консоли управления, беспроводные устройства ввода (мышки, клавиатуры, графические планшеты);
• средства автоматизации - части систем домашней автоматики, в частности как шлюзы между домашней сенсорной сетью и мобильными телефонами с Bluetooth;
• информационные устройства - распространение информации о помещениях, объектах, отделах посредством широковещательных сообщений.

Отдельно можно выделить возможность применения BLE устройств BlueGiga в устройствах обеспечения безопасности. Это могут быть тревожные кнопки, бесконтактные ключи, выполненные в виде отдельных брелоков или функционирующие на базе мобильных телефонов.

Ряд задач может быть решен на основе обнаружения присутствия других BLE устройств в радиусе действия сигнала центрального узла. К таким задачам относятся устройства-сигнализаторы, позволяющие обнаруживать удаление владельца от сумочек, багажа, кошельков, портмоне со встроенным BLE модулем и сигнализирующее ему и окружающим (при необходимости) о потере владельца. Модули серий BLE111, BLE112 благодаря своим компактным размерам, низкому профилю и малому потреблению позволяют встраивать сигнализирующие устройства непосредственно в сами предметы (карманы сумочек, корочки кошельков и записных книжек, стенки портфелей). Будучи встроенными в браслеты или брелоки, подобные устройства помогут, к примеру, не потерять ребенка в местах с большим скоплением людей (рынки, вокзалы, супермаркеты, аэропорты), как бы это не казалось странным, но такая проблема существует.

Примерно аналогичным образом BLE устройства могут служить для учета времени прихода/ухода работников - устанавливаются на входе или выдаются по приходу на работу. Возможна также реализация систем мониторинга присутствия:

• в случае офисного применения - проверка прав доступа работника к данному компьютеру или информации, автоматическая блокировка-разблокировка системы в целях предотвращения несанкционированного доступа к информации, учет нахождения на рабочем месте (в частности достаточно полезно при внутреннем расследовании инцидентов, связанных с нарушением политики информационной безопасности компании);
• в промышленном применении - автоматическая блокировка/разблокировка оборудования для защиты от несанкционированного включения (например, на время проведения ремонтных или регламентных работ) или выключения;
• для строительной отрасли, при погрузочно-разгрузочных работах - для сигнализации нахождения в опасной зоне или индикации присутствия человека в зоне проведения работ.

Специализирующаяся на Bluetooth устройствах фирма BlueGige выпускает одно- и двухрежимные устройства BLE, включая модули поверхностного монтажа и USB-устройства, позволяющие благодаря компактным размерам и низкому энергопотреблению реализовывать приложения практически любых областей применения технологии BLE.

RFID-устройства

Интересной разновидностью мобильных беспроводных устройств является класс устройств, не требующих для своего функционирования собственного источника питания. Их питание осуществляется за счет получения энергии от внешнего электромагнитного поля. Они становятся активными в некоторой области вблизи источника радиоволн определенной частоты. Возможно, когда-нибудь, они достигнут возможностей, описанных в романе В. Винджа "Глубина в небе" (создание полноценной сети с возможностью передачи звука и изображений). На данный момент устройства с питанием от радиоимпульсов, так называемые радиочастотные метки, или RFID-метки, способны передавать в ответ на запрос некоторую идентифицирующую их информацию с возможностью занесения в них новых данных.

Идентификационные данные и показатели работы, передаваемые RFID-устройствами в зависимости от объекта автоматизации и решаемых задач могут использоваться как самостоятельно, так и совместно с информационными ресурсами внешних информационных систем.

На территории Российской Федерации разрешены для свободного использования диапазоны рабочих частот:

• НЧ - 125-134 кГц;
• ВЧ - 13,56 МГц;
• УВЧ - 865-868 и 915-921 МГц;
• микроволны - 2,4 ГГц.

Рабочая частота выбирается из диапазонов, разрешенных к свободному использованию частот с учетом следующих факторов:

• максимального расстояния считывания:
• для НЧ - несколько сантиметров;
• для ВЧ - 0,5-0,6 м;
• для УВЧ - до нескольких метров;
• для микроволн - до 200-300 м;
• типа прикладной системы идентификации;
• условий эксплуатации;
• цены устройств.

Основные области применения RFID лежат в системах:

• обеспечения безопасности:
• идентификация личности;
• ключ допуска в помещение;
• отслеживание перемещений товара или оборудования;
• системы "анти вор";
• сбора данных - т.н. "даталоггеры";
• логистики.

Можно также выделить и новые тенденции - смена режима работы мобильных вычислительных устройств в зависимости от окружения. В частности, появляются приложения для устройств на платформе Android с поддержкой NFC (Near Field Communications), позволяющие в зависимости от расположенной рядом метки активировать те или иные приложения. Данную идею вполне можно расширить и на более серьезные задачи, например, запрет или разрешение на доступ к данным или приложениям в зависимости от окружения - офис, удаленный офис, конференц-зал, дом.

В нашей стране пока наиболее распространены RFID-системы использующие диапазоны НЧ и ВЧ (125-134 КГц и 13.56МГц соответственно), считается, что в системах контроля доступа, отслеживания выноса товара и т.п. они менее чувствительны к попыткам блокировки их работы.

Семейство EEPROM c двойным интерфейсом доступа

Обычно RFID устройства представляют собой электрически стираемую энергонезависимую память с доступом по радиоканалу. S™icroelectronics предлагает оригинальное семейство EEPROM M24LRxxх c двойным интерфейсом доступа - данные доступны по интерфейсу I2C и по радиоинтерфейсу стандарта ISO 15693, работающему на частоте 13.56 МГц [56, 57]. По каждому из интерфейсов данные защищены 32-битным паролем доступа - один пароль для I2C шины и четыре пароля для доступа по радиоканалу. Данные, записанные в EEPROM по интерфейсу I2C могут быть прочитаны смартфоном со встроенным ISO 15693-совместимым NFC-интерфейсом или обычным RFID-считывателем (Рис. 4.37).

Память с двойным интерфейсом, хотя и проигрывает обычным RFID-устройствам, не имеющим корпуса, в размерах, открывает целый спектр новых возможностей, сочетая достоинства внешней энергонезависимой памяти и памяти с бесконтактным доступом.

увеличить изображение

Рис. 4.37.  Типовая структура системы, использующей память с двойным интерфейсом

В семейство M24LRxxx входят микросхемы EEPROM емкостью от 4 до 64 Кбит (таблица 14 [56]). Серии M24LRxxE имеют выход индикации наличия поля и выход индикации обращения к памяти по радиоканалу, в серии M24LRxx вместо данных выводов расположения выводы выбора адреса (Рис. 4.38) [57].

увеличить изображение

Рис. 4.38.  Отличия в выводах между сериями M24LRxx и M24LRxxE

Структурная схема M24LRxxx представлена на Рис. 4.39.

Рис. 4.39.  Структурная схема EEPROM M24LRxxx

Основные характеристики:

• диапазон напряжений питания - от 1.8 до 5.5В;
• ток потребления (при питании со стороны I2C интерфейса):
  • в режиме чтения 50 (Vcc=1.8, f_scl=100 КГц) - 400 (Vcc=5.5, f_scl=400 КГц) мкА;
  • в режиме записи 220 мкА;
  • в режиме ожидания 30 - 40 мкА.
• режимы одиночного чтения и чтения последовательных блоков;
• рабочие тактовые частоты I2C интерфейса от 25 до 400 КГц;
• со стороны I2C интерфейса доступ к данным осуществляется побайтно, со стороны радиоинтерфейса - блоками по 32 бита;
• более 1 миллиона циклов перезаписи;
• время записи - по I2C - <5 мс, по радиоканалу - 5.75 мс;
• время хранения данных до 40 лет.

Для разрешения конфликтов одновременного доступа к памяти по I2C и по радиоканалу семейство M24LRxxx имеет встроенную схему арбитража.

В схему арбитража входит:

• менеджер питания, отслеживающий наличие питания от внешнего источника или от поля;
• арбитр доступа, отслеживающий режим доступа к памяти со стороны радиоканала и со стороны шины I2C.

Основные правила арбитража следующие:

• при отсутствии питания на линии VCC доступ к памяти возможен только по радиоканалу;
• при наличии и поля считывателя и проводного питания выполняется первая из распознанных команд, пришедшая или по радиоканалу или по шине I2C, и до завершения её выполнения остальные команды игнорируются.

Типовая схема включения памяти M24LRxxx представлена на Рис. 4.40 [58].

Представленная схема включения является одной из оптимальных с точки зрения применения в системах с ограниченными ресурсами энергии (необходимость длительной автономной работы, батарейное питание). Благодаря низкому собственному потреблению EEPROM питание её можно осуществлять непосредственно от линии порта микроконтроллера. При необходимости, для серий M24LRxxE приложением могут быть использованы выходы индикации наличия поля считывателя и доступа к EEPROM по радиоканалу. Применение контроллера с ультранизким энергопотреблением, к примеру, одного из контроллеров S™icroelectronics линейки S™8L. В этом случае общее потребление устройства будет лежать в пределах 1 мкА (потребление S™8L в режиме Acitve-Alt), дополнительно:

• в режиме ожидания отключается также питание M24LRxxx, и нет утечки тока через подтягивающий резистор на линии SDA;
• в активном режиме работы контроллера приложение получает полный контроль над питанием EEPROM, подавая его только при необходимости обращения к памяти по I2C.

увеличить изображение

Рис. 4.40.  Типовая схема включения M24LRxxx

Индуктивность антенны, подключаемой к выводам AC0, AC1 рассчитывается\ таким образом, чтобы резонансная частота параллельного колебательного контура, образованного индуктивностью антенны и встроенной емкостью (параметр ) была равна 13.65 МГц. В зависимости от требуемого форм-фактора конечного устройства возможно применение печатных петлевых антенн (примеры таких антенн также доступны на сайте S™icrolectronics, кроме того, в ряде старых справочников по радиотехнике приводятся расчетные формулы для печатных индуктивностей различных конфигураций) или SMD-индуктивностей [59].

Серии M24LRxx допускают параллельное подключение для наращивания емкости памяти [59]. Это достигается путем параллельного подключения M24LRxx к одной шине I2C, параллельного подключения к одной антенне и задания разных уровней на линиях выбора адреса (E0, E1). Таким образом, возможно объединение до четырех микросхем M24LRxx, что при использовании, например микросхем серии M24LR64-R получить объем суммарной памяти до 256 Кбит (32 Кбайта) - см. Рис. 4.41. В данном включении, со стороны считывателя, параллельно включенные EEPROM будут видны как несколько отдельных микросхем, и доступ к ним будет осуществляться по их уникальным серийным номерам. Со стороны I2C доступ к отдельным микросхемам осуществляется по различным адресам шины I2C.

При параллельном подключении EEPROM на одну антенну следует помнить, что их встроенные емкости будут суммироваться и требуемая индуктивность антенны будет меньше в количество раз, равное количеству параллельно включенных микросхем памяти.

увеличить изображение

Рис. 4.41.  Объединение M24LR64-R для увеличения суммарного объема памяти

Основные области применения EEPROM с двойным интерфейсом:

• промышленная автоматика, системы сбора данных, медицинское оборудование - обеспечение обновления/актуализации калибровочных данных, обновление параметров конфигурации, считывание диагностических показаний;
• периферийные устройства, телекоммуникационное оборудование, бытовая электроника - обновление параметров конфигурации, считывание диагностических показаний, активация оборудования, запись настроек локализации, отслеживание перемещений;
• RFID-системы - регистраторы данных, идентификационные карточки, регистраторы передвижения/перемещений персонала или объектов.

Считыватель RFID-меток CR95HF

Для работы с RFID устройствами, в частности и с EEPROM с двойным интерфейсом S™icroelectronics предлагает приемопередатчик CR95HF [60-61]. CR95HF поддерживает стандарты ISO 14443A/B, ISO 15693, а также протокол NFC (ISO/IEC 18092).

Трансивер CR95HF работает в режиме ведомого устройства, управляемого внешним хост-контроллером (Рис. 4.42). Для работы с трансивером доступна библиотека, позволяющая достаточно просто взаимодействовать с ним посредством SPI или UART интерфейса.

увеличить изображение

Рис. 4.42.  Типовая структура RFID-считывателя на базе CR95HF

Библиотека доступна для скачивания с официального сайта STMicroelectronics в вариантах и для 32-разрядных контроллеров STM32 и для бюджетных энергоэффективных 8-битных STM8L [6].

В состав библиотеки входит три уровня (Рис. 4.43):

• нижний уровень - CR95HF LL, содержащий низкоуровневые команды для непосредственного управления трансивером CR95HF;
• средний уровень - уровень протоколов, отвечает за поддержку и выполнение протокола стандарта ISO/IEC FCD 15693-3;
• верхний уровень - уровень взаимодействия с микросхемами памяти, содержащий команды управления памятью семейств M24LRxxx и LRIxxx.

Для пользовательского приложения все три уровня являются прозрачными и представляются только функции самой библиотеки.

увеличить изображение

Рис. 4.43.  Структура библиотеки для работы с трансивером CR95HF

Ознакомительные и отладочные платы

S™icroelectronics предлагает широкий выбор отладочных средств и ознакомительных плат для начала работы с EEPROM с двойным интерфейсом [62, 63]. Данные инструменты позволяют разработчику оценить расстояния, на которых возможно успешное считывание по радиоканалу, влияние типа антенн считывателя и памяти на условия совместной работы. Отладочные наборы позволяют:

• работать с EEPROM в режиме доступа по шине I2C и в режиме доступа по радиоканалу;
• исследовать работу механизмов разделения памяти на блоки, защиты отдельных блоков, работы механизмов парольной защиты.

Доступные отладочные наборы и оценочные платы EEPROM с двойным интерфейсом представлены в Табл. 4.8.

Одним из наиболее простых, но функциональных отладочных наборов является набор M24LR-DISCOVERY [63], включающий в себя две платы (Рис. 4.44) M24LR board с памятью и плату с приемопередатчиком CR95HF:

Рис. 4.44.  Отладочный набор M24LR- DISCOVERY

Плата M24LR board содержит микросхему памяти с двойным интерфейсом M24LR04E-RMN6T/2 (4 Кбита, корпус SO8N), контроллер STM8L152C6T6 c 8 Кбайтами флеш-памяти, датчик температуры STTS751-0WB3F, печатную антенну 20 х 40 мм, ЖК-индикатор. Имеет разъемы для программирования EEPROM (I2C) и для программирования и отладки программ контроллера (SWIM).

M24LR board также может работать с телефонами и коммуникаторами на базе Android с поддержкой NFC. Соответствующее приложение NfcV-Reader доступно в репозитарии приложений Google Play и позволяет пользователям, используя свой телефон, просматривать данные, зафиксированные платой.

Плата приемопередатчика (RF transceiver board) включает в себя трансивер CR95HF-VMD5T 13.56 МГц, контроллер STM32F103CB с 128 Кбайтами флеш-памяти, печатную антенну 47 х 34 мм. Интерфейс с хост компьютером и питание платы осуществляет через USB.

Программные продукты для работы с отладочным набором доступны по адресу www.st.com/m24lr04e-discovery и включают в себя программу для хост-компьютера, скомпилированный образ приложения для STM8L. Отладочные платы набора также содержат запрограммированные образы демонстрационных приложений.

Учитывая возможности EEPROM M24LRxxx взаимодействовать практически параллельно по двум независимым каналам и значительные для RFID-памяти объемы хранимых данных, можно рассмотреть возможность применения её в системах безопасности, нацеленных на обеспечение конфиденциальности и целостности информации.

В частности, большая емкость памяти позволяет хранить достаточно большое количество событий (например, доступ в те или иные помещения), что может помочь при расследовании инцидентов. Возможно также использование связки контроллер+CH95HF и M24LRxxx в качестве:

• аппаратных ключей для активации оборудования или приложений на рабочем месте сотрудника для предотвращения несанкционированного доступа во время его отсутствия;
• возможного хранилища ключей шифрования, исключающее возможность его перехвата или копирования;
• хранилища контрольных сумм важных документов или системных файлов для отслеживания нежелательной программной активности или контроля целостности документов.

Наличие интерфейса I2C позволяет создавать интеллектуальные регистраторы событий на основе микроконтроллером, фиксирующие, в зависимости от периферийных датчиков различный набор параметров или событий. Кроме того, данная возможность имеет большие перспективы в области отслеживания движения грузов и товара - фиксация температурного режима, условий перевозки, отслеживание перемещений по складу или территории магазина. Снятие этих данных при приеме товара от перевозчика позволит разрешить ряд вопросов, связанных с выявлением дефектов товара (появление при производстве, погрузке или транспортировке).

Лекция 5. Беспроводные однокристальные микроконтроллеры

Однокристальные беспроводные микроконтроллеры

Многофункциональные однокристальные беспроводные решения обеспечивают разработчикам возможность удовлетворения самых высоких требований потребителей при одновременном увеличении гибкости приложений, сокращении количества необходимых комплектующих и занимаемого места на печатной плате. На сегодняшний день на рынке однокристальных беспроводных микроконтроллеров присутствуют несколько фирм: Atmel, Freescale Semiconductor, Microchip, Nordic, NXP, Silicon Laboratories, ST Microelectronics, Texas Instruments. Условия достаточно сильной конкуренции вынуждают компании постоянно совершенствовать архитектуру систем-на-кристалле, оптимизировать параметры приемопередатчиков, режимы энергосбережения, развивать программное обеспечение, предлагая программные библиотеки, стеки протоколов, среды и средства разработки.

Аппаратные возможности микроконтроллеров беспроводных систем-на-кристалле отличаются друг от друга, как по разрядности обрабатываемых данных, так и по максимальным рабочим частотам. Представлены 8-, 16-, и даже 32-битные процессорные ядра. Достаточно часто в качестве управляющих микроконтроллеров, в беспроводных системах-на-кристалле встречаются общепринятые стандартные процессорные ядра, такие как, 8-битные ядра архитектуры х51 и 32-разрядные ARM-ядра. В ряде случаев фирмами предлагаются законченные решения - беспроводные системы сбора данных, интегральные датчики физических величин.

Однокристальные решения для субгигагерцового диапазона

Для частот менее 1 ГГц разрешенные диапазоны в различных странах могут отличаться, и не всегда есть возможность использовать одну и ту же элементную базу, хотя предлагаемые компаниями решения чаще всего являются достаточно универсальными в плане выбора частоты передачи. Преимущества субгигагерцового диапазона касаются лучшей дальности устойчивой работы по сравнению с частотами диапазона 2,4 ГГц при одинаковой выходной мощности передатчика, уменьшению влияния препятствий на прохождение сигнала, что особенно актуально для работы внутри зданий и офисных помещений.

Системы-на-кристалле для данного диапазона предлагаются фирмами Freescale Semiconductor, Microchip, Nordic Semiconductor, Silicon Laboratories, Texas Instruments.

Frеescale Semiconductor

Frеescale Semiconductor [64] представлена СнК MC12311 (Рис. 5.1) на базе 8-битного малопотребляющего контроллера HCS08, соединенного с приемопередатчиком, поддерживающим несколько типов модуляции сигнала, включая OOK, FSK, GFSK и MSK. Интегрированным приемопередатчиком поддерживается широкий диапазон частот, включая частоты 315, 433, 470, 868, 915, 928 и 960 МГц и скорости передачи данных от 1.2 до 300 Кбит/с. Максимальная чувствительность в режиме приема при скорости передачи данных 1.2 кбит/с -120дБм, высокая селективность каналов обеспечивается КИХ фильтром 16-го порядка. Поддерживается аппаратное вычисление контрольных сумм, шифрование данных (AES128), присутствует 66-байтный FIFO-буфер.

Периферийные устройства включают в свой состав 10-каналый 12-битный АЦП, два аналоговых компаратора, генератор с частотой 243 КГц±0.2% (погрешность при изменении напряжения в пределах ±0.5%). Микроконтроллер системы-на-кристалле MC12311 сохраняет работоспособность при напряжениях питания от 1.8 до 3.6 В при максимальных рабочих частотах от 20 (при напряжении питания 1.8 - 2.1 В) до 50 МГц (3.6 В). Примечательно, что производительность приемопередатчика не зависит от напряжения питания системы. Дополнительно присутствуют встроенный датчик температуры, индикатор разряда батареи.

увеличить изображение

Рис. 5.1.  Структурная схема MC12311

Интегрированная однокорпусная система серии MPXY8300 представляет собой датчик давления, ускроения и температуры, интегрированные с беспроводной системой-на-кристалле на базе 8-битного контроллера семейства S08 и приемопередатчиком субгигагерцовго диапазона.

MPXY8300 включает в себя датчик давления, датчик температуры, датчики ускорения (оси X, Z), подключенные к 10-битному АЦП (Рис. 5.2). Приемопередатчик MPXY8300 работает в диапазонах 315/434 МГц, поддерживает амплитудную и фазовую модуляции. Предназначен прежде всего для систем мониторинга давления в реальном режиме времени, в частности, давление в шинах во время движения. Точность измерения давления составляет ±10 КПа в диапазоне 100-800Кпа при температуре от 0 до 70°С.

Для сетей Smart Grid субгигагерцового диапазона Freescale Semiconductor предлагает беспроводной микроконтроллер линейки Kinetis - Kinetis KW01. Поддерживает работу в диапазонах 315, 433, 470, 868, 915, 928 и 960 МГц с модуляцией сигнала GFSK, MSK, GMSK и OOK.

В основе Kinetis KW01 (MKW01Z128) процессорное ядро ARM Cortex-M0+, работающее на тактовой частоте до 48 МГц при потреблении порядка 40 мкА/МГц (Рис. 5.3). Имея 128 КБ флеш-памяти и 16 КБ статической оперативной памяти, этот микроконтроллер в типичных в Потребление тока режиме ожидания примерно 1.7 мкА (в режиме останова менее 100 нА), а возвращение к активному режиму за 4.3 мкс.

MKW01Z128 поддерживает работу в диапазонах частот 290-340, 424-510 и 862-1020 МГц, несколько режимов модуляции: FSK, GFSK, MSK, GMSK и OOK. Возможные скорости передачи данных от 1 до 600 Кбит/с (FSK-модуляция). Максимальная чувствительность приемника до -120 дБм (при скорости 1.2 кбит/с), диапазон выходной мощности передатчика от -18 до +17 дБм.

Среди периферийных устройств Kinetis KW01 16-канальный 16-битный АЦП, высокоскоростной аналоговый компаратор с 6-битным АЦП, 12-битный ЦАП, 5 многоканальных таймеров, набор последовательных интерфейсов, 16-канальный тач-сенсор.

Программное обеспечение для Kinetis KW01 включает в себя проприетарные и стандартные протоколы 6LoWPAN, WMBUS (EN13757-4), KNX и ECHONET. Беспроводной микроконтроллер KW01 может использоваться в качестве сетевого процессора, обрабатывающего младшие уровни сетевого протокола, при работе в паре с контроллером, выполняющим прикладные задачи. Возможности процессорного ядра и встроенной памяти позволяют строить на базе Kinetis KW01 полнофункциональные автономные узлы сенсорных сетей, совмещающих в себе и работу в сети, обработку внешних событий и работу с периферийным оборудованием.

Рис. 5.2.  Структурная схема датчика давления и ускорения MPXY8300 с беспроводным интерфейсом

Рис. 5.3.  Структурная схема беспроводных контроллеров семейства Kinetis KW01

Microchip

Ассортимент беспроводных контроллеров компании Microchip на данный момент представлен сериями - PIC12F529T***, PIC12LF1840T39A, rfPIC12F675*, PIC16LF1824T39A [65].

Серии PIC12F529T39, PIC12LF1840T39A и PIC12F529T48 обладают практически идентичными характеристиками за исключением рабочих диапазонов частот. Трансиверы PIC12F529T39 и PIC12LF1840T39A работают в диапазонах 310, 433, 868 и 915 МГц, PIC12F529T48 418, 433 и 868 МГц.

Микроконтроллер систем PIC12F529T*** обладает встроенным прецизионным генератором на 8 МГц (±1%), несколькими режимами энергосбережения, несколькими таймерами, линиями ввода-вывода. Встроенные трансиверы обеспечивают скорости передачи данных до 100 кбит/с при FSK модуляции и до 10 кбит/с до в режиме OOK 043Cодуляции. Выходная мощность 0 дБм или 10 дБм.

Восьмибитный RISС контроллер с 12-битными инструкциями обеспечивает высокую производительность (преимущественно однотактное исполнение команд) при высокой плотности кода (выигрыш порядка 2:1 по отношению к контроллерам с 8-битными командами).

Средства разработки и поддержки беспроводных PIC-контроллеров диапазона включают макро-ассемблер, программный симулятор, программаторы.

Основными областями применения являются беспроводные системы управления персонально пользования, системы безопасности, низкопотребляющие системы удаленного управления.

Серии rfPIC12F675* отличает 8-разрядный микроконтроллер семейства PIC, приемопередатчик на 290-350/380-450/850-930 МГц (литеры K, F, H соответственно) с поддержкой ASK и FSK модуляции в компактном 20-выводном корпусе. Среди периферийных устройств - 4-канальный 10-битный АЦП, одноканальный аналоговый компаратор, 128-байт EEPROM. Трансивер поддерживает скорости передачи данных до 40 кбит/с при выходной мощности до 10 дБм.

Системы серий PIC16LF1824T39A (Рис. 5.4) на базе 8-разрядного RISC микроконтроллера семейства PIC, приемопередатчик диапазонов 310, 434, 868, 815 МГц с поддержкой OOK и FSK модуляции в компактном 20-выводном корпусе. Периферийные устройства - 12-канальный 10-битный АЦП, два аналоговых компаратора, встроенный источник опорного напряжения (выходные напряжения 1.024, 2.048, 4.096 В), 5-битный ЦАП. Трансивер поддерживает скорости передачи данных до 100 кбит/с (режим FSK, в режиме OOK - до 10 Кбит/с) при выходной мощности 0 или 10 дБм.

Nordic Semiconductor

Система-на-кристалле nRF9E5 компании Nordic Semiconductor [66] предназначена для работы в диапазонах 433/868/915 МГц, включает в себя приемопередатчик, 8-битный микроконтроллер на базе ядра х51 с 256 байтами оперативной памяти, 512 байтами ПЗУ с предпрошитым загрузчиком, 4 Кбайтами памяти программ, выполненной по технологии оперативной памяти (Рис. 5.5). Выполняемая программа размещается во внешнем последовательном ПЗУ (SPI-флеш) и при старте загружается во внутреннюю память. Набор периферийных устройств содержит последовательные интерфейсы (SPI, UART), 4-канальный 10-битный АЦП, набор таймеров, ШИМ-контроллер.

Трансивер nRF9E5 поддерживает все возможности приемопередатчика nRF905, включая технологию ShockBurst™ с автоматической поддержкой распознавания преамбулы, адреса, вычисления контрольной суммы. nRF9E5 содержит встроенный стабилизатор напряжения, повышающий устойчивость системы к шумам и обеспечивающий стабильную работу в диапазоне напряжений 1.9 - 3.6В. Четыре возможных варианта выходной мощности передатчика: -10, -2, +6 и +10 дБм, чувствительность приемника порядка -100дБм, скорость передачи данных до 50 Кбит/с.

Рис. 5.4.  Структурно-функциональная схема PIC16LF1824T39A

увеличить изображение

Рис. 5.5.  Структурная схема системы-на-кристалле nRF9E5 компании Nordic Semiconductor

Silicon Laboratories

Silicon Laboratories располагает одним из наиболее обширных ассортиментов однокристальных беспроводных систем субгигагерцового диапазона. Предлагаются серии Si4010, Si100x, Si101x [67]. Все они в качестве управляющего содержат ядро контроллера х51-й архитектуры.

Схема включения Si4010 из внешних компонентов предполагает наличие только развязывающего конденсатора, антенны, средств взаимодействия с пользователем (например, кнопки).

Внутренний генератор, основанный на генераторе Si500 не требующем внешних резонаторов и времязадающих цепей, обеспечивает точность в ±150 ppm в коммерческом диапазоне температур и ±250 ppm в промышленном, что является достаточным для большинства областей применения. Трансивер с управляемым усилителем (выходная мощность до +10дБм) способен работать в диапазоне частот от 27 до 960 МГц.

Микроконтроллер Si4010 (Рис. 5.6) содержит 512 байт внутренней памяти данных, 4 Кбайта оперативной памяти, 8 Кбайт однократно программируемого ПЗУ, 128 бит EEPROM, 12Кбайтная библиотека ПЗУ-функций и аппаратный ускоритель шифрования (AES-128).

Контроллеры беспроводных систем серий Si100x, Si101x (Рис. 5.7) располагают 32 или 64 Кбайтами флеш-памяти, выходная мощность трансиверов до +13/+20 дБм. Серии Si1004/Si1005, Si1014/Si1015 содержат встроенный повышающий импульсный преобразователь (DC/DC, эффективность до 90%), позволяющий более полно использовать ресурсы автономного источника питания. Встроенный преобразователь имеет выходную мощность до 250 мВт, что позволяет питать не только микроконтроллер, но и другие внешние компоненты.

увеличить изображение

Рис. 5.6.  Структурная схема СнК серии Si4010

увеличить изображение

Рис. 5.7.  Структурно-функциональная схема беспроводных контроллеров серий Si100x, Si101x

Однокристальные решения серии Si102x/3x совмещают в себе функции энергосбережения микроконтроллеров F96x и приемопередатчик субгигагерцового диапазона EZRadioPRO, ориентированные на применения во встраиваемых системах с батарейным питанием.

В микросхемы интегрирован низкопотребляющий счетчик импульсов, способный работать в спящем режиме без использования ресурсов процессорного ядра. Данное решение эффективно для снижения энергопотребления в устройствах автоматического снятия показания со счетчиков расхода энергоресурсов (электроэнергии, воды, тепла, газа), имеющих импульсный выход.

Основные характеристики трансиверов:

• программируемая мощность выходного сигнала до +20 дБм;
• чувствительность приемника: - 121 дБм;
• скорость передачи данных: 0,1 - 256 кбит/c;
• модуляция: FSK, ООК, GFSK;
• поддержка скачкообразной перестройки частоты;
• модуль ФАПЧ;
• поддержка работы с пространственно-разнесенными антеннами (antenna diversity);
• буферы FIFO на прием и передачу (по 64 байта);
• встроенный процессор аппаратной обработки пакетов (DPPE), включающий в себя блоки AES, DMA, CRC.

Texas Instruments

СС430 является комбинацией низкопоребляющего микроконтроллера MSP430 и радиочастотного трансивера CC1101 [68]. Семейство приборов CC430 состоит из нескольких компонентов с различным набором периферийных устройств, предназначенных для создания широкого спектра электронных приборов. Архитектура поддерживает пять режимов работы, что позволяет достигнуть превосходных энергетических показателей для портативных устройств с батарейным питанием. Вычислительное ядро системы - 16-битный RISC микроконтроллер MSP430, содержащий 16-битные регистры и генераторы значений констант, позволяющие реализовать максимальную эффективность программного кода.

Приборы семейства CC430 (Рис. 5.8) отличаются глубокой интеграцией микроконтроллерного ядра, его периферийных устройств и радиочастотного трансивера, что, совместно с поставляемыми производителем драйверами и библиотеками, делает из него весьма простое в использовании решение для создания многофункциональных устройств.

Основные характеристики:

• интегрированный трансивер серии CC1101;
• потребление тока 1,7 мкА - в "спящем" режиме с работающим генератором тактовой частоты, и порядка 180 мкА/МГц - в активном режиме;
• аппаратный модуль шифрования AES-128;
• совместимость кода с приборами большого семейства контроллеров MSP430 и наличие бесплатного программного обеспечения для радиочастотной части системы;
• интегрированный 16-канальный 12-битный АЦП.

Семейство беспроводных контроллеров CC1110Fx (CC1110F8/F16/F32) состоит из трёх приборов, предназначенных для создания маломощных низковольтных беспроводных систем связи в диапазонах 315/433/868/915 МГц. Устройства являются комбинацией радиочастотного трансивера, микроконтроллера с ядром х51, блока флэш-памяти (8/16/32 Кбайт) и набора периферийных устройств.

• высокопроизводительное микроконтроллерное ядро класса 8015, с восьмикратной производительностью по сравнению с классическими контроллерами 8015;
• скорость передачи данных - от 1.2 до 500 Кбит/с ;
• потребление тока в "спящем" режиме -200 нА;
• аппаратная поддержка функций "самосинхронизации", проверки адреса, подстраиваемой длины пакета и контроля CRC;
• независимые 64-битные буферы для данных приёмника и передатчика для поддержки пакетной передачи данных;
• удовлетворяет требованиям стандартов EN 300 200 (Европа) и FCC CFR part 15 (США);
• позволяет создавать конечный продукт быстро и без высоких затрат;
• гибкая оптимизация мощности излучения;
• позволяет использовать недорогой микроконтроллер для основных задач приложения;
• функция гибкого подбора канала для обеспечения совместной работы с другими беспроводными системами;
• компактные размеры.

Семейство CC1111 (CC1111F8/F16/F32) представляют собой однокристальные системы с интегрированным контроллером USB для создания маломощных низковольтных беспроводных систем связи в диапазонах 315/433/868/915 МГц.

Приборы являются комбинацией радиочастотного трансивера, микроконтроллера с ядром х51, контроллера USB 2.0, блока флэш-памяти (8/16/32 Кбайт), 4 Кбайт памяти RAM, блока аппаратного шифрования AES с ключом длиной 128 бит, и ряда других устройств:

• контроллер Full-Speed USB (12 Мб/с) 2.0 с 1 кБ буфером данных FIFO;
• радиочастотный трансивер CC1101, со скоростью передачи данных от 1,2 до 500 кбит/с и с поддержкой модуляций FSK, MSK, GFSK, OOK/ASK;
• потребление тока в "спящем" режиме -0,3 мкА;
• 8/16/32 Кбайт встроенной флэш-памяти;
• 1/2/4 Кбайт памяти SRAM с возможностью доступа в любом режиме работы;
• высокая чувствительность и помехоустойчивость приёмника;
• аппаратная поддержка шифрования AES-128;
• 8-канальный АЦП (8 - 14-битный).

Рис. 5.8.  Структурная схема приборов семейства CC430F*

Сетевой процессор CC1180 является системой-на-кристалле CC1110F32 поставляющейся с прошитым стеком протоколов NanoStack 2.0 Lite компании Sensinode для сетей 6LoWPAN. CC1180 выполняет все критически важные и ресурсоемкие процессы связанные с работой сетевых протоколов, экономя ресурсы внешнего микроконтроллера для решения прикладных задач. Взаимодействие с внешним контроллером (часто называемого прикладным контроллером или контроллером приложений) осуществляется по интерфейсу UART с протоколом обмена NAP. Например, возможно использование микроконтроллеров серии MSP430 или любых других. Сетевой процессор позволяет легко расширить функциональность создаваемой или существующей системы за счет подключения к 6LoWPAN сети.

Ключевые особенности:

• простая интеграция в сеть 6LoWPAN;
• распространенный UART интерфейс;
• простой и функциональный протокол взаимодействия;
• обновление прошивки через радиоканал;
• большой выбор возможных диапазонов частот - 315/433/868/915 МГц;
• выходная мощность радиосигнала от -30 до +10 дБм;
• скорости передачи данных: 50, 100, 150, 200 Кбит/с;
• AES шифрование в пределах подсети;
• диапазон напряжений питания от 2 до 3.6 В;
• компактные размеры - корпус QFN36 - 6x6 мм.

Некоторая статистика

Сводные характеристики процессорных ядер систем-на-кристалле диапазона менее 1 ГГц представлены в Табл. 5.1, основные характеристики радиочастотного тракта и энергопотребления в Табл. 5.2.

На Рис. 5.9 показано примерное время выхода на рынок наиболее заметных серий и беспроводных систем-на-кристалле.

увеличить изображение

Рис. 5.9.  Временная диаграмма выхода на рынок беспроводных систем-на-кристалле для диапазона < 1ГГц

Диаграмма на Рис. 5.10 дает приблизительную оценку доступности (возможности заказа) беспроводных контроллеров субгигагерцового диапазона в России (отображено количество фирм-поставщиков, предлагающих указанные контроллеры со склада или на заказ по данным сервиса efind.ru).

Безусловно, остается возможность заказа интересующих контроллеров у ближайших официальных дистрибьюторов, расположенных за пределами страны.

увеличить изображение

Рис. 5.10.  Оценка доступности (возможности заказа) беспроводных контроллеров субгигагерцового диапазона в России

Однокристальные беспроводные контроллеры диапазона 2.4 ГГц

Развитие стандартов сетей диапазона 2.4 ГГц, развитие и массовое распространение персональных мобильных вычислительных устройств (коммуникаторов, смартфонов, планшетных компьютеров), программного обеспечения создает богатую почву для развития приборов, расширяющих их возможности: беспроводные гарнитуры, пульты управления, устройства домашней автоматики. Более широкая полоса частотного канала и их большее количество по сравнению с частотными диапазонами менее 1 ГГц позволяет реализовывать более высокие скорости передачи данных, сложные варианты организации связи, включая скачкообразное переключение частот.

Atmel

Беспроводные контроллеры Atmel, построенные на базе 8-битного микроконтроллера AVR и трансивера диапазона 2.4 ГГц, ориентированы на работу в сетях, имеющих в основе стандарт IEEE 802.15.4 [69].

Система на кристалле ATmega128RFA1. При энергетическом потенциале радиоканала 103.5 дБ, ATmega128RFA1 обеспечивает наивысшую производительность радиоканала в классе однокристальных устройств. Энергетический потенциал радиоканала определяет дальность и надежность связи в беспроводной системе. Более высокие значения этого параметра позволяют получить большую дальность связи. Для обеспечения надежности системы также присутствует дополнительная периферия.

Чувствительность приемника ATmega128RFA1 равна -100 дБ, выходная мощность регулируется в диапазоне от -17 до +3.5 дБм.

Отличительные особенности ATmega128RFA1:

• высокоэффективный и маломощный 8-битный микроконтроллер AVR RISC-архитектуры (135 инструкций, большинство которых выполняются за один цикл синхронизации);
• 128 Кбайт flash-памяти;
• 4 Кбайт EEPROM;
• 16 Кбайт встроенной оперативной памяти.

Для работы с внешними устройствами доступно до 35 линий ввода вывода, два последовательных интерфейса UART, SPI. Периферийные устройства включают таймер часов реального времени, 6 программируемых таймеров с ШИМ-каналами, сторожевой таймер, 8-канальный 10-битный АЦП (до 300 тыс. выборок/с).

Радиочастотная часть требует лишь небольшого набора внешних пассивных элементов. Поддерживаются высокоскоростные режимы передачи данных со скоростями от 250 Кбит/с до 2 Мбит/с.

В конце 2012 года Atmel анонсировала семейство ATmegaRFR2. Возможности нового семейства беспроводных контроллеров ATmegaRFR2 расширены новыми режимами пониженного энергопотребления, позволяющими значительно снизить потребление контроллера в режимах ожидания, включая режим wake-on-radio, сохраняющий активность трансивера при нахождении процессорного ядра контроллера в спящем режиме. Контроллер сохраняет тактовую частоту 16 МГц даже при напряжении питания 1.8 В.

В семейство входит три устройства: ATmega64RFR2, ATmega128RFR2 и ATmega256RFR2, отличающихся различным объемом flash-памяти (64 кбайт, 128 кбайт и 256 кбайт) и оперативной памяти (8 кбайт, 16 кбайт и 32 кбайт).

увеличить изображение

Рис. 5.11.  Структурная схема беспроводного контроллера ATmegaRFR2

Ключевые особенности устройств ATmegaRFR2 (Рис. 5.11):

• аппаратную поддержку расширенных режимов пониженного энергопотребления (RPC), позволяющую снизить ток потребления в режиме прослушивания;
• чувствительность приемника -100 дБм;
• мощность передатчика от -17 дБм до 3.5 дБм (управление выходной мощностью программное);
• поддерживается 16 частотных каналов;
• скорость передачи данных до 2 Мбит/с (для реализации проприетарных протоколов обмена);
• поддержка разнесенных антенн с функцией автоматического выбора антенны с более сильным сигналом;
• модуль аппаратного 128-битного AES - шифрования для обеспечения высокоскоростного защищенного соединения.

Atmel предлагает набор бесплатных и сертифицированных IEEE 802.15.4-совместимых программных стеков (IPv6/6LoWPAN, ZigBee PRO), средств анализа радиоканала, сред разработки.

Freescale Semiconductor

Freescale Semiconductor предлагает как экономичные контроллеры с 8-битным процессорным ядром для простых беспроводных систем, так и контроллеры с высокопроизводительными 32-разрядными ядрами. Если подходить строго, системы Freescale Semiconductor со встроенным контроллером не являются однокристальными, а представляют собой интегрированные в одном корпусе трансивер, контроллер, обвязку радиочастотного тракта, включая усилитель и конденсаторы, что в итоге существенно сокращает список материалов конечного изделия [70].

Вторым поколением беспроводных устройств Freescale Semiconductor для сетей ZigBee является семейство MC1321x (Рис. 5.12), объединяющее в одном LGA-корпусе (71 вывод, 9х9 мм). MC1321x содержит трансивер с аппаратной поддержкой ряда операций МАС уровня стандарта IEEE 802.15.4, усилитель с выходной мощностью 1 мВт, стабилизатор напряжения, переключатель прием/передача, поддержку расширения спектра методом прямой последовательности В качестве управляющего контроллера выступает 8-битный контроллер с ядром HCS08 (версия А) с 16/32/60 Кбайтами флеш-памяти (версии MC13211/2/3) и 1/2/4 Кбайтами оперативной памяти.

Freescale предлагает полный спектр программного обеспечения для платформы MC1321x:

• SMAC;
• IEEE 802.15.4 Standard-Compliant MA;
• SynkroRF;
• BeeStack;
• BeeStack Consumer (ZigBee RF4CE).

увеличить изображение

Рис. 5.12.  Структурная схема контроллеров семейства MC1321x

Семейство MC1322x (Рис. 5.13) является третьим поколением устройств Freescale Semiconductor для сетей ZigBee и объединяет низкопотребляющий трансивер диапазона 2.4 ГГц, микроконтроллер с 32-разрядным ядром ARM7, аппаратной поддержкой MAC уровня IEEE 802.15.4, шифрования (AES), размещенных в одном 99-выводном корпусе LGA (Platform-in-Package - PiP).

Возможности MC1322x позволяют применять их в сетях различной топологии и выполняющих различные задачи: от простых соединений типа точка-точка до поддержки mesh-сетей.

Процессорное ядро ARM7TDMI-S работает на частотах до 26 МГц, 128 Кбайт флеш-памяти могут быть отображены на 96 Кбайт оперативной памяти для выполнения процедур стеков протоколов или прикладных задач. Дополнительно 80 Кбайт памяти доступно для программного обеспечения, ответственного за загрузку контроллера, стандартизованные процедуры МАС-уровня стека IEEE 802.15.4 и стеков коммуникационных протоколов.

Встроенный согласующий фильтр и переключатель прием/передача позволяет напрямую подключать несимметричную 50-омную антенну к соответствующему выводу. Интегрированный усилитель мощности позволяет регулировать мощность передаваемого сигнала в диапазоне от -30 до +4 дБм, чувствительность приемника составляет -96 дБм, допускается также подключение внешнего усилителя.

Развязывающие конденсаторы по питанию и конденсаторы нагрузки генератора также интегрированы в корпус, из внешних компонентов необходима антенна и кварцевый резонатор. Встроенный стабилизатор обеспечивает работу устройства в диапазоне напряжений от 2.0 до 3.6 В.

Наличие нескольких режимов энергопотребления и небольшое число внешних элементов делает MC1322x перспективным решением для устройств с батарейным питанием при миниатюрных габаритах.

увеличить изображение

Рис. 5.13.  Структурная схема приборов семейства MC1322x

Устройства MC1322x доступны в двух вариантах, отличающихся только содержанием ПЗУ:

• MC13224V содержит в ПЗУ драйвера большинства периферийных устройств и может применяться для большинства задач, связанных с использованием МАС уровня IEEE 802.15.4, возможностей сетей ZigBee-2007 Profile 1, ZigBee RF4CE.
• MC13226V является более поздней версией и оптимизирована для приложений сетей ZigBee-2007 Profile 2 (ZigBee Pro), в частности, по использованию оперативной памяти, набор драйверов включает драйвера АЦП, шрифты для ЖК дисплеев, драйверы SSI.

Семейство беспроводных микросхем с процессорным ядром Kinetis MKW2 (называемое также Kinetis KW20 ZigBee Platform) содержит микросхемы MKW22D512, MKW21D512 и MKW21D256.

Приборы MKW2 интегрируют в рамках микросборки (системы-в-корпусе - Platform-in-Package - PiP) микроконтроллер Kinetis архитектуры ARM-Cortex-M4 выполненный по 90-нм технологии и трансивер диапазона 2.4 ГГц, выполненный по 180-нм техническому процессу (Рис. 5.14).

Основной областью применения MKW22D являются выполнение задач стеков протоколов ZigBee Pro и ZigBee IP, особенно для задач инетеллектуального управления энергией (Smart Energy) и автоматизации зданий (Commercial Building Automation).

Приемопередатчик поддерживает передачу данных со скоростями до 250 Кбит/с при O-QPSK модуляции с DSSS расширением спектра, допускается подключение внешних усилителей, поддерживается одновременная работа в двух ZigBee сетях (режим dual PAN).

Контроллер содержит 256 или 512 Кбайт флеш-памяти 32 или 64 Кбайта оперативной памяти, набор последовательных интерфейсов, таймеров, высокопроизводительный 16-битный АЦП.

увеличить изображение

Рис. 5.14.  Структура ZigBee платформы Kinetis KW20

Nordic Semiconductor

Специализирующаяся на компонентах для беспроводной передачи данных, компания Nordic Semiconductor наряду с беспроводными контроллерами общего назначения предлагает ряд систем, которых условно можно назвать сетевыми процессорами, ориентированные на популярные беспроводные персональные сети ANT, Bluetooth.

Технология Bluetooth® Low Energy (BLE) является дополнением к спецификации Bluetooth - Bluetooth Core Specification позволяющий существенно снизить общее потребление устройств Bluetooth. Это открывает новый спектр приложений Bluetooth, включая часы, датчики приближения, датчики состояния организма в фитнесе или спорте, устройства удаленного управления, системы мониторинга состояния здоровья.

nRF51822 является сетевым процессором Bluetooth из линейки µBlue™ работающим в стандарте BLE - BLE-процессор [71].

nRF51822 построена на базе управляющего 32-разрядного контроллера с ядром 32-bit ARM® Cortex™ M0 с 256 Кбайтами флеш-памяти и 16 Кбайтами оперативной. Встроенный трансивер поддерживает стандарт BLE и при этом совместим с трансиверами серий nRF24L от Nordic Semiconductor.

BLE-процессор обладает богатым набором аналоговых и цифровых периферийных устройств, способных взаимодействовать с памятью и между собой посредством программируемого периферийного интерфейса (Programmable Peripheral Interface - PPI) не задействуя процессорное ядро. Схема отображения выводов внутренних периферийных устройств (ШИМ, последовательные интерфейсы, квадратурный демодулятор) на внешние выводы легко назначать им требуемые позиции в зависимости от разводки печатной платы.

nRF51822 (Рис. 5.15) работает от однополярного источника питания и позволяет пользователю выбирать между работой от внутреннего линейного стабилизатора (при работте от источника в диапазоне напряжений 1.8 - 3.6 В), работы напрямую от источника питания 1.8 В или работы от импульсного понижающего DC/DC преобразователя с выходным напряжением в диапазоне 2.1 - 3.6 В.

Чувствительность приемника порядка -96 дБм, выходная мощность передатчика настраивается в пределах от -10 до +4 дБм.

Рис. 5.15.  Структура BLE-процессора nRF51822 и фирменного стека протоколов

Аналогичный сетевой процессор предлагается Nordic Semiconductor и для сетей ANT. ANT предлагается как простое недорогое энергоэффективное решение для организации простых сетей типа точка-точка, звезда [72]. Подходя для многих приложений, ANT является достаточно распространенной в западных странах технологией для сбора, автоматической передачи и отслеживания данных датчиков при занятиях спортом, оздоровительных процедурах, мониторинга состояния здоровья в домашних условиях.

Микросхема nRF51422, со встроенным стеком протоколов ANT, также как и предыдущая система, построена на базе контроллера с ядром 32-bit ARM® Cortex™ M0 (256 Кбайт флеш-памяти и 16 Кбайт ОЗУ). Трансивер ANT-процессора также является совместимым с трансиверами серии nRF24L.

nRF51422 (Рис. 5.16) поддерживает стек протоколов ANT, предоставляемый Dynastream Innovations, и стек протоколов Gazell, свободно доступных в рамках среды разработки nRF514 Software Development Kit.

Рис. 5.16.  Структурная схема ANT-процессора nRF51422

Архитектура программного обеспечения для Bluetooth LE и ANT решений систем-на-кристалле снижает сложность разработки приложений для соответствующих стеков протоколов, открывая возможности популярных интегрированных сред разработки для микроконтроллеров ARM Cortex.

Основное преимущество достигается за счет использования новой программной архитектуры, при которой разделяются стек протокола и код пользовательского приложения, что существенно снижает стоимость разработки, включая снижением рисков, связанных с интеграцией приложения и стека.

Основные технические параметры сетевых процессоров Nordic Semiconductor:

• ток потребления менее 10 мА (при напряжении питания 3.3В);
• полная совместимость с существующими решениями компании серии nRF24L;
• поддержка конкурентной и неконкурентной работы в диапазоне протоколов, включая Bluetooth low energy, ANT, и проприетарных протоколов 2.4 ГГц;
• поддержка RSSI (индикатор мощности принимаемого сигнала) во всем диапазоне.

Отдельные системные блоки могут включаться или выключаться независимо, а также управлять своими тактовыми сигналами автономно на основании уровня активности. Эффективный интерфейс EasyDMA для радиочастотной части с гибкими буферами FIFO в области ОЗУ. Наличие блока защиты памяти, позволяющего защитить память программы и предварительно скомпилированные выполняющиеся стеки протоколов.

Работа стеков протоколов полностью асинхронна и управляется системой событий с предоставлением программного интерфейса приложения (API) на основе поточно-ориентированного вызова операционной системы на уровне приложения.

Для сетевых приложений диапазона 2.4 ГГц общего плана Nordic Semiconductor предлагает семейство систему-на-кристалле nRF24Lх (nRF24LE1, nRF24LU1+, nRF24LE1 OTP), построенных на базе контроллера архитектуры х51 с трансивером диапазона 2.4 ГГц nRF24L01+ [73].

nRF24LU1+ (Рис. 5.17) включает в себя трансивер nRF24L01+, контроллер с ядром х51, работающий на частотах до 16 МГц 16 или 32 Кбайтами флеш-памяти, 2Кбайта + 256 байт оперативной памяти, USB 2.0 контроллером, криптографическим сопроцессором (AES), встроенным стабилизатором напряжения.

Рис. 5.17.  Структурная схема системы-на-кристалле nRF24LU+

nRF24LE1 (Рис. 5.18) обладает практически аналогичной архитектурой за исключением USB контроллера и предназначена в первую очередь для создания автономных устройств. Система обладает достаточно богатым набором периферийных устройств, включая интерфейсы I2C, SPI, UART, 12-битный АЦП, аналоговый компаратор, таймеры с ШИМ выходами.

увеличить изображение

Рис. 5.18.  Структурная схема системы-на-кристалле nRF24LE1

Трансивер поддерживает передачу данных со скоростями 250 Кбит/с, 1 и 2 Мбит/с при GFSK модуляции. Возможная выходная мощность передатчика 0, -6, -12 или -18 дБм, чувствительность приемника -94 дБм (250 Кбит/с), -82 дБм (2 Мбит/с).

Кроме полнофункциональных СнК Nordic Semiconductor выпускает микросхемы, содержащие только передающую часть, в частности - nRF24E2 - СнК с передатчиком и контроллером х51 (Рис. 5.19).

Рис. 5.19.  Структурная схема nRF24E2 - СнК с передатчиком и контроллером х51

NXP

В середине декабря компания NXP Semiconductors анонсировала семейство беспроводных микроконтроллеров JN516x с ультранизким энергопотреблением для сетей на базе стеков протоколов JenNet-IP, ZigBee и других, отвечающих спецификации IEEE 802.15.4 [74].

Микросхемы JN516x, содержат интегрированный радиомодуль 2,4 ГГц, 32-разрядный RISC микроконтроллер с периферийными устройствами (последовательные интерфейсы, набор многоканальных таймеров, ШИМ, 4-канальный 10-битный АЦП, программируемый аналоговый компаратор, датчик температуры, генератор случайных чисел). JN516x ориентированы на работу в беспроводных сетях на основе протоколов JenNet-IP, ZigBee Light Link, ZigBee Smart Energy, ZigBee Home Automation и RF4CE.

СнК семейства JN516x (Рис. 5.20) содержат до 256 КБ встроенной флэш-памяти, 4 КБ памяти EEPROM, 32 КБ ОЗУ в микроконтроллере JN5168 для поддержки стеков новейших сетевых протоколов. Еще одна важнейшая характеристика - разнесение антенн по пакетам, позволяющая системе выбирать оптимальную антенну для каждого принимаемого пакета.

В настоящее время для крупных заказчиков доступны опытные образцы, оценочные наборы и микросхемы JN516x. Начало массовых поставок намечено на начало первого квартала 2013 года.

Семейство беспроводных микроконтроллеров JN516x будет включать в себя:

• серию JN5161 для приложений RF4CE и IEEE 802.15.4, объем памяти - 64 КБ флэш, 8 КБ ОЗУ и 4 КБ EEPROM;
• серию JN5164 для приложений JenNet-IP, ZigBee Home Automation и ZigBee Light Link, объем памяти - 160 КБ флэш, 32 КБ ОЗУ и 4 КБ EEPROM;
• JN5168 для приложений ZigBee Smart Energy и шлюзов JenNet-IP, объем памяти - 256 КБ флэш, 32 КБ ОЗУ и 4 КБ EEPROM.

увеличить изображение

Рис. 5.20.  Структурная схема беспроводных контроллеров семейства JN516х

Silicon Laboratories

Системы-на-кристалле EM351 и EM357 для сетей ZigBee (диапазон 2.4 ГГц) от Silicon Laboratories, пришедшие на смену семейству EM250, построены на базе 32-разрядного микроконтроллера с ядром ARM Cortex-M3 и трансивера совместимого со стандартом IEEE 802.15.4 [75].

СнК EM35x при создании узлов беспроводных сетей могут использоваться в качестве самостоятельного контроллера с беспроводным интерфейсом, поддерживающим и работу в сети, и выполнение прикладных задач. Вторым вариантом его применения является использование EM35x в качестве сетевого процессора, отвечающего только за поддержание работы узла в сети. Такой подход применяется в том случае, если прикладные задачи, выполняемые узлом требуют значительных вычислительных ресурсов (например обеспечение интерактивного графического интерфейса с пользователем, выполнение функций сетевого шлюза). EM35x в данном случае взаимодействует с прикладным контроллеров посредством протокола EZSP (поддерживается в стеке протоколов EmberZNet PRO 4.3.0 и выше) по одному из последовательных интерфейсов (SPI или UART) (Рис. 5.21).

Основные характеристики:

• EM351 - процессорное ядро ARM Cortex-M3, 128 Кбайт флеш-памяти, 12 Кбайт оперативной, IEEE 802.15.4-совместимый трансивер;
• EM357 - версия оптимизированная для задач, требующих больших объемов памяти, имеет характеристики, аналогичные EM351 и увеличенный до 192 Кбайт объем флеш-памяти.

ST Microelectronics

Новое семейство контроллеров ST Microelectronics STM32W расширяет портфолио компании, привнося в него сетевые возможности. Система-на-кристалле STM32W (STM32W108) подходит для организации сетей беспроводных датчиков благодаря наличию контроллера на базе ядра процессора ARM Cortex-M3 и IEEE 802.15.4-совместимому трансиверу с общему энергетических бюджетом канала до 109 дБ (Рис. 5.21). Поддержка стандарта физического доступа в беспроводной среде IEEE 802.15.4 позволяет использовать популярные стеки сетевых протоколов RF4CE, ZigBee-PRO и 6LoWPAN [76].

Основные функциональные характеристики:

• процессорное ядро ARM® Cortex™-M3;
• 64/128/192/256 Кбайт флеш-памяти, 8/12/16 Кбайт ОЗУ;
• выходная мощность передатчика до +7 дБм;
• чувствительность приемника -100 дБм;
• периферийные устройства (24 линии ввода-вывода, АЦП, ЦАП, интерфейсы USART, SPI, I2C).

увеличить изображение

Рис. 5.21.  Структура микросхем семейства EM35х

увеличить изображение

Рис. 5.22.  Структурная схема контроллеров семейства STM32W

Texas Instruments

Для сетей диапазона 2.4 ГГц Texas Instruments предлагает большое семейство однокристальныx систем CC25xx, включая непосредственно системы-на-кристалле и специализированные сетевые процессоры [77].

CC2510 - однокристальная система для создания маломощных низковольтных беспроводных систем связи в ISM-диапазоне 2,4 ГГц.

Прибор является комбинацией радиочастотного трансивера CC2500, микроконтроллера 8051, блока флэш-памяти (8/16/32 кБ), 1/2/4 кБ памяти RAM и ряда периферийных устройств:

• четыре гибких режима энергопотребления с малым временем перехода в активный режим;
• высокая избирательность и эффективная система блокировки помех;
• сопроцессор для шифрования AES-128;
• 2-FSK, GFSK, MSK, OOK.

Вариант CC2511 содержит USB контроллер, позволяющий легко управлять с устройствами беспроводной сети, например, посредством ПК.

CC2530 - бюджетная однокристальная система с малым энергопотреблением, предназначенное для реализации соединений протокола IEEE 802.15.4 точка-точка, звезда, ячеистых сетей ZigBee PRO.

CC2530 поставляется в четырёх различных версиях: CC2530-F32/64/128/256 (с 32/64/128/256-кБ флэш-памяти соответственно), и является комбинацией интегрированного высокопроизводительного трансивера со стандартным 8051 микроконтроллером, 8 Кбайтами оперативной памяти, набором периферийных устройств и функциональных расширений:

• до 256 Кбайт флэш-памяти с 20 тысячами циклов перезаписи для поддержки приложений, требующих частого дистанционного обновления кода;
• 8 Кбайт ОЗУ для хранения данных комплексных приложений и ZigBee-профилей;
• программируемая выходная мощность передатчика (до +4,5 дБм);
• интегрированный модуль распознавания адресов и обработки пакетов.

CC2530ZNP (ZigBee Network Processor) - сетевой ZigBee-процессор. Предназначен для реализации протокола ZigBee без необходимости изучения комплексного стека ZigBee PRO.

Рекомендован для дизайнеров, желающих использовать уже существующий процессор, либо для тех, кто предпочитает использование другого процессора для своих приложений, тогда как CC2530ZNP обеспечит коммуникацию с другими ZigBee-устройствами. Таким образом, CC2530ZNP - это одночипная система CC2530 с предустановленным стеком ZigBee PRO.

Контроллер CC2530ZNP обменивается данными с основным процессором через командные интерфейсы SPI или UART (Рис. 5.23). Главный процессор передаёт ZigBee-процессору команды через простой в использовании протокол:

• интегрированный стек ZigBee;
• поддержка программного обеспечения Z-Stack компании TI и Simple API;
• является сертифицированной платформой для тестирования совместимости ZigBee-устройств;
• высокая избирательность;
• хорошая совместимость с Wi-Fi® и Bluetooth® устройствами;
• низкое энергопотребление.

Рис. 5.23.  Схема системы на базе сетевого процессора CC2530ZNP

CC2531 - версия CC2531 со встроенным USB контроллером.

Предназначена для реализации соединений протокола IEEE 802.15.4, ZigBee или RF4CE, и создания расширяемых через USB сетевых узлов с минимальным общим количеством элементов.

Прибор комбинирует высокопроизводительный трансивер со стандартным расширенным микроконтроллером 8051, встроенной программируемой флэш-памятью, 8 Кбайтами ОЗУ:

• 8 Кбайт RAM, до 256 Кбайт флэш;
• запас по чувствительности 101,5 дБ;
• лучшее в своём классе подавление сигнала соседнего канала (49 дБ);
• четыре гибких энергосберегающих режима
• широкий рабочий диапазон температур - от -40 до +125 °C;
• модуль безопасности AES-128;
• полная совместимость с расширениями CC259xx;

Характеристики встроенного USB-контроллера:

• USB 2.0 (12 Мб/с);
• 5 настраиваемых вариантов конечных точек (end point);
• 1 Кбайт выделенного FIFO-буфера;
• не требует применения 48-кГц резонатора.

CC2533 - серия устройств для реализации приложений, основанных на протоколах IEEE 802.15.4 / RF4CE. Устройство является комбинацией высокопроизводительного радичастотного трансивера с микроконтроллером 8051 и набором периферийных устройств.

Прибор поставляется в трёх различных версиях:

• CC2533-F32 - 32 кБ FLASH, 4 кБ RAM;
• CC2533-F64 - 64 кБ FLASH, 4 кБ RAM;
• CC2533-F96 - 96 кБ FLASH, 6 кБ RAM.

Новинкой в семействе СС25xx является CC2538 - радиочастотная система-на-кристалле стандарта 802.15.4g с поддержкой профиля ZigBee Smart Energy 2.0.

Основная область применения CC2538 - приложения Smart Grid, удаленные беспроводные интеллектуальные сенсоры.

СнК СС2538 интегрирует трансивер стандарта 802.15.4g, процессор ARM Cortex-M3, специализированный модуль аппаратного ускорения функций безопасности профиля ZigBee Smart Energy 2.0 и достаточный объем встроенной памяти для запуска стека протокола ZigBee IP и профиля Smart Energy 2.0.

Планируется, что однокристальное решение CC2538 избавит от необходимости использовать дополнительный микропроцессор, упростит и удешевит разработку приложений Smart Grid и удаленных беспроводных сенсоров для интеллектуальных приборов учета.

CC2538 (Рис. 5.24) поддерживает стек ZigBee протокола Z-Stack, который обеспечивает полную функциональность Smart Energy 1.1. Профиль Smart Energy 2.0 разработан с целью взаимодействия с несколькими устройствами физического уровня (PHY) и создает основу для разработки SE 2.0 продуктов, которые смогут одновременно поддерживать сети ZigBee, Wi-Fi или коммуникации посредством силовых линий (PLC - Power Line Communication), включая ZigBee процессор (CC253x) и решения WiLink 6.0 (WL127x). Профиль позволит пользователям использовать ZigBee или Wi-Fi для подключения к существующим или новым инфраструктурам, или же использовать Wi-Fi в качестве моста для подключения по ZigBee к сети Интернет.

Микросхема CC2540 является BLE-процессором. Прибор является комбинацией радиочастотного GFSK трансивера с пропускной способностью 1Мб/с и большой дальностью действия, и богатый периферийными устройствами контроллер 8051. Набор периферийных устройств: USB, DMA, GPIO, USARTs, ADC, таймеры. Набор гибких экономичных режимов для увеличения срока службы батарей [78].

CC2570 и CC2571 - радиочастотные сетевые процессоры простого для использования и энергоэкономичного протокола ANT. CC2570 поддерживает 1 ANT-канал, CC2571 - 8 ANT-каналов. Оба прибора могут быть подключены к главному процессору системы через серийные интерфейсы UART или SPI, и доступны для него через набор функций API [79].

Большинство ANT-решений, построенных на данных устройствах, содержит системные функции файловой системы ANT-FS; таким образом, в главном процессоре могут быть размещены лишь профиль приложения и само пользовательское приложение - это позволяет минимизировать требования к размеру памяти процессора:

• последовательные интерфейсы SPI и UART,;
• простой набор команд API;
• поддержка файловой системы ANT-FS.

Рис. 5.24.  Система-на-кристалле стандарта 802.15.4g с поддержкой профиля ZigBee Smart Energy 2.0 CC2538

Статистика беспроводных контроллеров для диапазона 2.4 ГГц

Сводные характеристики процессорных ядер систем-на-кристалле диапазона 2.4 ГГц представлены в Табл. 5.3, основные характеристики радиочастотного тракта и энергопотребления в Табл. 5.4.

увеличить изображение

Рис. 5.25.  Временная диаграмма выхода на рынок беспроводных систем-на-кристалле диапазона 2.4ГГц

Аналогично Рис. 5.10, диаграмма на Рис. 5.25 дает приблизительную оценку доступности (возможности заказа) беспроводных контроллеров диапазона 2.4 ГГц в России (отображено количество фирм-поставщиков, предлагающих указанные контроллеры со склада или на заказ по данным сервиса efind.ru).

увеличить изображение

Рис. 5.26.  Оценка доступности (возможности заказа) беспроводных контроллеров диапазона 2.4 ГГц в России

Заключение

Сейчас производителями предлагаются не просто приемопередатчики, физически поддерживающие требуемые частотные диапазоны, форматы данных, скорости передачи, но и предоставляются готовые стеки протоколов, позволяющие организовывать сети различной топологии, осуществлять маршрутизацию, передачу данных и многое другое. Наличие готового стека протоколов позволяет сосредоточить внимание разработчика сети именно на прикладных сетевых приложениях - примерно так, как это происходит с web-сервисами, клиент-серверными приложениями для персональных компьютеров - основную работу делает стек сетевых протоколов. Но разработка сетевого приложения для ZigBee сетей имеет свои особенности - так же, как отличается программирование персонального компьютера и микроконтроллера, это касается и работы сетевых протоколов стандарта ZigBee, и ограниченности ресурсов узлов сети, и деталей реализации каждого конкретного фирменного ZigBee стека.

6LoWPAN решает несколько наболевших проблем, связанных с беспроводными сенсорными сетями - стандартизация работы сети и доступа к данным сети. В отличие от стандартов ZigBee, 6LoWPAN расширяет стандартизацию практически до уровня прикладных задач, параллельно решаю проблемы с интеграцией сети небольших беспроводных узлов в IP сети.

Технология Bluetooth Low Energy представляется весьма перспективной технологией для сенсорных приложений, особенно связанных с тесным взаимодействием с пользователем. BLE имеет большой потенциал для широкого распространения, связанный в том числе с успехом классического Bluetooth.

Однокристальные решения для диапазона <1ГГц, в среднем, обладают меньшим объемом памяти по сравнению с беспроводными микроконтроллерами для диапазона 2.4 ГГц. В последнее время предлагаются беспроводные микроконтроллеры с одинаковыми процессорными ядрами, но с трансиверами для различных диапазонов, что позволяет разработчикам легко мигрировать с одного частотного диапазона в другой (имеется ввиду переход от субгигагерцовых частот на диапазон 2.4 ГГц или обратно).

Рынок беспроводных систем-на-кристалле диапазона 2.4 ГГц является достаточно разнообразным и охватывает практически все возможные аспекты применения сетей устройств малой мощности. Условия сильной конкуренции заставляют разработчиков искать новые ниши применения беспроводных контроллеров, развивать наборы периферийных устройств, выпускать специализированные версии контроллеров, ориентированные на решения определенных классов задач.

---