Статья о модулях MBee-2.4 в журнале "Новости электроники"
Новости в области маломощных беспроводных сетей
27.04.2016
Статья о модулях MBee-2.4 в журнале "Новости электроники"Беспроводные ZigBee модули семейства MBee диапазона 2.4 ГГц компании «Системы модули и компоненты»
Введение
В ходе развития беспроводных систем и появления широкого спектра миниатюрных вычислительных устройств с низким энергопотреблением вслед за понятием «умный дом» возник термин «интернет вещей». Данный термин предполагает взаимодействие между различными устройствами, оснащенными беспроводными интерфейсами связи, а также удаленное управлением ими, в том числе и с использованием глобальной сети. В отличие от «умного дома» «интернет вещей» в принципе не предполагает применение какой-либо единой технологии или стандарта для построения среды передачи данных между устройствами – это именно подход к организации взаимодействия совершенно разнородных сетей. Межсетевое взаимодействие отдается на откуп специализированным устройствам – шлюзам, или устройствам, способным работать в нескольких частотных диапазонах.
Для решения различных типов задач и приложений подходят специализированные топологии сетей и протоколы организации взаимодействия между узлами сети. Так, для набора датчиков (например, датчиков состояния окружающей среды, учета потребления ресурсов) из доступных и популярных технологий больше всего подходят технологии Bluetooth Low Energ (BLE) и ZigBee. При этом – BLE актуален для небольших площадей, где возможно «видеть» одновременно все требуемые устройства или не требуется организации согласованного взаимодействия устройств. Для более сложных случаев предпочтительнее протокол ZigBee – он позволяет осуществлять более гибкое взаимодействие узлов сети между собой, включая такую немаловажную вещь, как самоорганизация сети. Данные свойства ZigBee сетей особенно важны в тех случаях, когда требуется длительная работа сети без внешнего воздействия (фактически – без участия человека).
Один из самых простых способов подключения устройств к беспроводной сети с целью обеспечения их взаимодействия – это подключение внешнего модуля с беспроводным интерфейсом.
В состав подобных модулей может входить:
В некоторых случаях модули оснащаются радиочастотным усилителем, что позволяет увеличить т.н. бюджет канала связи (фактически – зону уверенной связи или доступности узла беспроводной сети, оснащенного таким модулем).
Беспроводные модули от компании «Системы, модули и компоненты»
На рынке присутствует достаточно большое количество производителей беспроводных модулей. В их числе одна из немногих российских компаний – компания «Системы, модули и компоненты» (СМК) [1], предлагающая семейство беспроводных радиомодулей MBee для диапазонов частот 868 МГц и 2.4 ГГц [1,2].
Модули MBee поддерживает работу в сетях ZigBee PRO, RF4CE, 6LoWPAN и SimpliciTI. В беспроводных модулях MBee используются системы-на-кристалле от Texas Instruments – CC430 (диапазон 868 МГц) и CC2530 (диапазон 2.4ГГц). Ряд моделей оснащен радиоусилителями СС1190 или СС2591 (в зависимости от частотного диапазона).
Применение систем-на-кристалле позволяет в зависимости от прошивки менять функциональность модулей – от простейших радиоудлинителей до многофункциональных программируемых узлов сети сбора данных.
Рассмотрим модули семейства MBee, предназначенные для работы в диапазоне 2.4 ГГц – это модули MBee v2.1 и MBee v3.0. В основе данных модулей система-на-кристалле CC2530 с 8-битным процессорным ядром архитектуры х51, трансивером и набором периферийных устройств.
СС2530 поддерживают следующий спектр протоколов и стандартов: TiMAC, Z-Stack, RF4CE, SimpliciTI.
Модули MBee v2.1
MBee v2.1 это мощный радиомодуль с низким энергопотреблением, предназначенный для использования в составе систем беспроводной передачи данных и управления, функционирующих на базе протоколов ZigBee PRO и RF4CE в диапазоне 2,4 ГГц [3]. Модули MBee v2.1 могут быть применены как в качестве контроллеров удаленных датчиков в сетях ZigBee PRO, так и в беспроводных миниатюрных пультах дистанционного управления или исполнительных устройствах, работающих по протоколу RF4CE.
Рис. 1 Внешний модулей MBee v2.1 (модель с SMA разъемом).
Модули разработаны на основе семейства микросхем CC2530 типа «Система-на-Кристалле» фирмы Texas Instruments. Поддерживают полную реализацию протоколов ZigBee PRO в диапазоне 2,4 ГГц, обеспечивая минимальный уровень энергопотребления во всех режимах. Наличие специализированной микросхемы усилителя позволяет использовать модули в тех задачах, в которых необходимо добиться максимальной дальности связи (рис.). Выбор конструктивного решения, а также форм-фактор изделия значительно расширяет возможные сферы использования модулей.  Рис. 2 Структура модулей MBee v2.1. Модули MBee-2.4-2.1 могут быть применены в сетях стандарта ZigBee PRO как в качестве контроллеров удаленных датчиков, так и в качестве маршрутизаторов или координаторов. Во всех областях применения модули MBee-2.4-2.1 обеспечивают простоту и дешевизну решения, а также минимизируют время разработки конечной системы и выхода на рынок. На платах модулей размещены все необходимые компоненты радиочастотного тракта и пассивные компоненты цепей питания, что позволяет достаточно просто добавлять данные модули в свое устройство. В ряде случаев модули MBee могут служить прямой заменой модулям XBee фирмы Digi Inc – по-выводно, и по размерам корпуса они совместимы. Радиочастотные характеристики [3,4]:
Электрические характеристики:
Модули MBee v3.0 Для бюджетных устройств, а также для случаев, когда размер является критическим фактором или нет возможности иметь внешнюю антенну идеально подходит модуль диапазона 2.4 ГГц MBee v3.0. Данные модули выполнены в виде небольшой низкопрофильной платы поверхностного монтажа с шагом выводом 2 мм [5,6]. В основе модулей MBee V3.0 также лежат системы-на-кристалле CC2530, но в отличие от модулей версии 2.1, они не имеют внешнего РЧ-усилителя. В связи с этим, выходная мощность модулей составляет +4.5 дБм, а чувствительность приемника -97 дБм. Это несколько ниже, чем у версии 2.1. Естественными плюсами отсутствия усилителя является меньшая, по сравнению с v2.1 потребляемая мощность.  Рис.3 Внешний вид модулей MBee 3.0. По расположению боковых выводов модули MBee 3.0 совместимы с модулями версии 2.1 (Рис.4). (есть отличия в размерах модулей, поэтому при реализации печатной платы требуется коррекция топологии) [8].
Рис. 4 Сравнение расположения выводов модулей MBee 2.1 и 3.0. Ассортимент доступных вариантов модулей представлен в таблице 1. Таблица 1
Доступные модификации модулей MBee диапазона 2.4 ГГц
Работа с модулями MBee «СМК» поставляет MBee модули с предварительно прошитой программой-загрузчиком собственной разработки, позволяющей при помощи специализированной утилиты SysmcBootLoader [8] и последовательного порта (UART, ТТЛ/КМОП совместимые уровни сигналов) загружать прошивки и их конфигурировать. На текущий момент доступны следующие варианты прошивок:
Прошивка SerialExtender позволяет использовать модули в «прозрачном» режиме в качестве беспроводного последовательного интерфейса (радиоудлинитель UART).
Прошивки Coordinator, Router, EndDevice (координатор, маршрутизатор, конечное устройство соответственно) предназначены для организации беспроводной сети стандарта ZigBee. В основе данной сети ZigBee стек от Texas Instruments – Z-Stack.
Средства разработки и отладки для модулей MBee
Плата SerialBridge 2.1 Фактически штатным средством для перепрограммирования и настройки модулей MBee является плата SerialBridge, входящая также в состав радиомодемов RFSerialBridge [9].
Данная плата позволяет:
Таблица 2 Доступные с помощью платы SerialBridge 2.1 преобразования интерфейсов
На плате расположены:
При помощи конфигурационных разъемов (путем установки на них перемычек) можно настроить необходимые преобразования интерфейсов, что позволяет подключать беспроводные модули к различному промышленному, коммуникационному, научному оборудованию и к системам учета потребления ресурсов. Для настройки модулей плата SerialBridge подключается по USB интерфейсу к персональному компьютеру (операционной системой определяется как последовательный порт (COM-порт)).
Рис. 5 Плата SerialBridge 2.1.
Процесс настройки модулей достаточно прост - необходимо:
Рис. 6 Скриншот работы с программой SerialBootloader. Для прошивок SerialExtender для версий модулей MBee-2.4-2.1 и MBee-2.4-3.0 доступна только настройка параметров последовательного порта (скорость и управление потоком). Модули с прошивкой SerialExtender можно применять для создания беспроводного канала связи между удаленными узлами, или между контроллером и датчиком. Также данный вариант прошивки модулей может быть с успехом использован для тестирования возможности связи между узлами сети датчиков, например при планировании размещения беспроводных приемопередатчиков системы автоматизации здания, или системы учета расхода ресурсов. Так, модули MBee-2.4-2.1 показали следующие результаты:
Тестирование внутри помещений проводилось в условиях зашумленного диапазона – большое количество работающих WiFi сетей. Применение направленных антенн и размещение модулей на высоте 2-3 м над поверхностью земли позволяет получать дальность связи до 3-4 км в зависимости от погодных условий и рельефа. Отладочный набор MBeeKit Start Вторым отладочным средством, предлагаемом для модулей MBee является набор MBeeKit Start. MBeeKit Start [11] предназначен для знакомства с технологией ZigBee и изучения возможностей беспроводных модулей на примере типовой сети беспроводного сбора данных. В него входят [11,12]:
Отладочный комплект реализует базовые функции распределенной сети сбора данных и управления.
Рис. 7 Внешний вид отладочных плат BB-MBee из набора MBeeKit Start. Модули MBee-2.4-2.1, входящие в набор MBeeKit Start имеют прошивки «координатор», «маршрутизатор» и «конечное устройство», модули версии 3.0 поставляются с прошивкой «конечное устройство». При развертывании сети на базе узлов набора MBeeKit Start [12] возможно два варианта взаимодействия узлов – с привязкой дочерних узлов к маршрутизатору, и с привязкой конечных узлов к координатору. В первом случае первым включается координатор, а затем маршрутизатор и конечные узлы, во втором – первым включается маршрутизатор, потом конечные устройства, потом координатор. Координатор отвечает за первоначальный запуск сети. После первого включения координатор в зависимости от внешней электромагнитной обстановки выбирает частотный канал по критерию наименьшего уровня помех, а также определяет другие, необходимые для его корректной работы, сетевые параметры. Допускается подключение до 20 дочерних устройств, из которых до 6 могут быть маршрутизаторами. Координатор не имеет спящего режима т.к. приемник должен быть все время включен для обеспечения функций маршрутизации. В отладочном комплекте MBeeKit Start на координатор возложена также функция агрегатора [12]. Маршрутизатор отвечает за прокладку маршрутов между взаимодействующими узлами. Применяется для расширения емкости сети и для увеличения зоны покрытия сети. Допускает подключение до 20 дочерних устройств, из которых до 6 могут быть маршрутизаторами. Не имеет спящего режима. Также может выполнять все функции конечного устройства. Конечное устройство - не имеет маршрутизирующих свойств. Как правило, является устройством с батарейным питанием. Большую часть время находится в спящем режиме для обеспечения максимального времени автономной работы. Основное предназначение - сбор и отправка данных с датчиков разных типов на аггрегатор (концентратор). Может также осуществлять управление различными устройствами по командам с других узлов. Модули с прошивкой «координатор» и «маршрутизатор» устанавливаются на платы UB-MBee, модули с прошивкой «конечное устройство» должны быть установлены на платы BB-MBee. На каждом типе плат расположены имитаторы сигналов цифровых и аналоговых датчиков. На плате UB-MBee расположены:
Посредством USB разъема платы UB-MBee могут быть подключены к хост-компьютеру с которого можно будет наблюдать за заботой сети, а также осуществлять управление модулями. Battery Board (BB-MBee) содержит следующие устройства:
Наличие перемычек на плате BB-MBee позволяет разработчику оценивать потребление энергии автономным узлом во всех режимах работы, а также проводить сравнение потребления для модулей разных серий:
На обоих отладочных платах предусмотрены макетные поля с шагом сетки 2,5 и 2 мм, на которых могут быть смонтированы пользовательские узлы.
Осциллограммы токов потребления самих модулей и суммарный ток потребления платы (модуль+повышающий преобразователь) представлены на рис. 8-11.
Рис. 8 Осциллограммы тока потребления модуля MBee-2.4-2.1 – а) при включении и поиске сети; б) в режиме установленного соединения (пики потребления периодические с периодом 1 с).
Рис. 9 Осциллограммы тока потребления модуля MBee-2.4-3.0 – а) при включении и поиске сети; б) в режиме установленного соединения (пики потребления периодические с периодом 1 с).
Рис. 10 Осциллограммы суммарного тока потребления платы – модуль+преобразователь напряжения – а) при включении и поиске сети; б) в режиме установленного соединения пики потребления длительностью 37,5 мс периодические с периодом 1 с вызваны работой радиомодуля, пики длительностью <10 мс и небольшие пики с периодом 25-75 мс вызваны работой импульсного преобразователя напряжения.
Рис. 11 Осциллограммы суммарного тока потребления платы – модуль+преобразователь напряжения – а) при включении и поиске сети; б) в режиме установленного соединения пики потребления длительностью 37,5 мс периодические с периодом 1 с вызваны работой радиомодуля, пики длительностью <10 мс и небольшие пики с периодом 25-75 мс вызваны работой импульсного преобразователя напряжения. В режиме установленного соединения ток потребления модулей порядка 2-3мкА. Таким образом, для прошивки «конечное устройство» средний ток потребления для модулей версии 2.1 составляет примерно 29 мкА. Как видно, в режиме конечного устройства модули MBee обладают достаточно низким потреблением, даже применение импульсного повышающего преобразователя оставляет средний ток потребления в допустимых пределах.
Заключение По своим конструктивным и техническим характеристиками модули MBee не уступают аналогам зарубежного производства и могут с успехом применяться в устройствах автоматики и автоматизации, сетях сбора данных, сетях учета потребления ресурсов, охранно-пожарных системах. Используя отладочный набор MBeeKit Start, разработчик сможет познакомиться с особенностями ZigBee, такими как:
Данный набор также позволяет изучить возможности ZigBee модулей фирмы «СМК» - MBee 2 и 3 версий:
Специалисты фирмы «СМК» ведут постоянную работу по созданию новых типов программного обеспечения для радиомодулей своего производства. На данный момент для всех вариантов беспроводных модулей доступны прошивки и для организации простого беспроводного соединения, и для развертывания сети сбора данных. Литература 1. Решения для беспроводных сетей / http://sysmc.ru 2. Беспроводные модемы, модули, сети / http://sysmc.ru/solutions/wireless_modules_modems/ 3. Беспроводные модемы MBee 2.1 / http://sysmc.ru/solutions/wireless_modules_modems/modules/SYSMC_MBee_2.1/ 4. Руководство пользователя SYSMC MBee 2.1 / http://sysmc.ru/documentation/hw_mb21.pdf 5. Беспроводные модемы MBee 3.0 / http://sysmc.ru/solutions/wireless_modules_modems/modules/SYSMC_MBee_v3.0/ 6. Руководство пользователя SYSMC MBEE V3. / http://sysmc.ru/documentation/hw_mb3.pdf 7. Small Size 2.4 GHz PCB antenna / http://www.ti.com/lit/an/swra117d/swra117d.pdf 8. Библиотека посадочных мест MBee / http://sysmc.ru/documentation/MBee_schematic.lib 9. http://sysmc.ru/documentation/bootloader/SysMC_BootLoader_207.zip 10. Беспроводной модем, Промышленный модем ZigBee модем, RFSerialBridge. / http://sysmc.ru/solutions/wireless_modules_modems/modems/RFSerialBridge/ 11. Отладочный набор MBeeKit Start / http://sysmc.ru/solutions/wireless_modules_modems/development_kit/MBeeKit_start/
12. Отладочный набор MBeeKit Start. Техническое описание и руководство пользователя // http://sysmc.ru/documentation/hw_mbks.pdf
|
