eng
В современных системах управления и сбора данных все чаще используются беспроводные технологии. Появившийся менее 10 лет назад стандарт ZigBee был ориентирован прежде всего на промышленное применение. Однако в последнее время недорогие и экономичные сетевые устройства ZigBee применяются в самых разных областях. Ведущие фирмы-производители электронного оборудования предлагают различные решения для разработки аппаратуры, работающей в сетях ZigBee.
Что такое ZigBee
Протокол ZigBee определяет правила работы аппаратно-программных комплексов, с помощью которых организуется беспроводный информационный обмен. Нижние уровни протокола, определяющие физические параметры передатчика, методы проверки качества связи и организации передачи пакетов в сети, основаны на стандарте IEEE 802.15.4-2006 (рис.1, табл.1).
Одно из важных свойств сетей ZigВee – возможность организации сложных децентрализованных ad-hoc (образованных случайными абонентами) структур. В таких сетях каждый узел напрямую связан с несколькими другими узлами (топология mesh). Эти связи могут обновляться и оптимизироваться при отключении устройств от сети или при появлении новых. Динамическая структура сети позволяет быстро устранять аварии, прокладывая новые пути передачи данных в обход сбойного участка. 16-битная адресация дает возможность использовать больше 65 тыс. узлов, хотя в реальности при количестве узлов >300 из-за возрастания служебного трафика пропускная способность сети падает до неприемлемого уровня. Тем не менее, гибкая топология сети позволяет покрывать достаточно большие площади, используя лишь маломощные устройства – как фиксированные, так и находящиеся на подвижных объектах.
В спецификации стека ZigBee предусмотрено три типа устройств: координатор, маршрутизатор и оконечное устройство. Координатор инициализирует сеть, управляет сетевыми узлами, хранит информацию о настройках каждого сетевого узла, задает номер частотного канала и идентификатор сети PAN ID, а в процессе работы может быть источником, приемником и ретранслятором сообщений. Маршрутизатор отвечает за выбор пути доставки сообщения, передаваемого по сети от одного узла к другому, и в процессе работы также может быть источником, приемником или ретранслятором сообщений. Оконечное устройство не участвует в управлении сетью и ретрансляции сообщений, являясь только источником или приемником сообщений.
Крайне низкое энергопотребление – одна из ключевых особенностей сетевых устройств Zigbee. Большую часть времени устройство проводит в режиме сна, включаясь лишь в моменты приема или передачи данных. Время выхода из спящего режима крайне мало – 15 мс или меньше, в отличие от, например, устройств Bluetooth, которым для этого может потребоваться несколько секунд. Экономичность устройств ZigВee позволяет им работать автономно с питанием от батарей в течение нескольких лет.
Протокол ZigBee – открытый, т.е. доступный любому желающему для некоммерческого использования. Право применения технологии ZigBee в коммерческих продуктах дает членство в альянсе ZigBee – организации, разрабатывающей и публикующей стандарты ZigBee. Альянс ZigBee объединяет ведущих производителей радиокомпонентов и приборов, использущих эту технологию – Philips, STMicroelectronics, Texas Instruments, Freescale Semiconductors, Schneider Electric, Cisco, Atmel, Intel, Logitech, Huawei, AT&T и многих других.
Микросхемы ZigBee и примеры их использования
Сегодня на рынке представлен достаточно широкий ассортимент микросхем и модулей ZigBee. Разработчик, желающий использовать эту технологию в собственных приборах, может выбрать один из нескольких схемотехнических методов реализации ZigВee и подобрать соответствующую элементную базу.
В качестве примера можно рассмотреть некое устройство управления или сбора информации, в котором имеется DSP-процессор или микроконтроллер. Если процессор не сильно загружен выполнением основной задачи, то можно использовать его и для обработки стека ZigBee. В этом случае для организации радиочастотного интерфейса нужно использовать радиочастотный модем (трансивер) 802.15.4, который выполняет функции приема и передачи радиосигнала и поддерживает лишь нижние уровни протокола ZigВee – 802.15.4. Обмен данными с микроконтроллером или процессором осуществляется по стандартному протоколу SPI (рис.2а).
Сравнительные характеристики некоторых имеющихся на рынке трансиверов приведены в табл.2. Все они обеспечивают поддержку сетей 802.15.4 как простых, так и сложных топологий. Увеличить выходную мощность передатчика до 14 дБм и чувствительность приемника на 6 дБ можно с помощью антенного усилителя Texas Instruments MC2590.
Нужно отметить, что некоторые 2,4–ГГц трансиверы (например, Freescale MC 13201) несовместимы со стандартом 802.15.4 и не годятся для применения в уcтройствах ZigВee.
В случае, когда ресурсов основного процессора не хватает для обработки стека ZigBee, необходим отдельный микроконтроллер (рис.2б).
Можно решить эту задачу более компактно, используя микросхему, объединяющую радиочастотную часть и процессор, который обрабатывает стек ZigBee и, при необходимости, может выполнять иные задачи (рис.2в, г). Наиболее широко на рынке представлены системы на кристалле (System on chip, SoC) компании Freescale, в которых, помимо трансивера и микроконтроллера, могут присутствовать дополнительные модули, расширяющие функциональность системы. Кроме микросхем SoC, Freescale также предлагает гибридный модуль (System in package, SiP) MC13213, представляющий собой кристаллы трансивера и микроконтроллера в едином корпусе.
Отдельно следует отметить ZigВee-сопроцессоры Ember EM260. Функционально они аналогичны рассмотренным выше микросхемам, но микроконтроллер в них жестко запрограммирован для обработки стека ZigВee. Такое решение избавляет разработчика от необходимости самостоятельного программирования стека, но не позволяет использовать встроенный микроконтроллер для пользовательских задач (рис.2в). Как и в прочих микросхемах этого типа, для обмена данными в них служит интерфейс SPI/UART.
Самое мощное и функционально полное на сегодняшний день решение – платформа (Platfotm in package, PiP) Freescale MC13224/26, построенная на базе процессора ARM7TDMI и имеющая ПЗУ с зашитыми в нем драйверами устройств и 802.15.4 MAC. Микросхема имеет большое количество портов и интерфейсов, а также всю необходимую ВЧ-обвязку, кроме антенны.
Для упрощения разработки программного обеспечения для процессоров и модулей ZigBee производители элементной базы ZigВee предлагают программные пакеты и средства разработки (SDK). Они включают в себя библиотеки и программные модули, необходимые для реализации стека ZigBee, а также вспомогательные программы и утилиты, позволяющие конфигурировать устройства и сети ZigBee.
Модули и отладочные наборы ZigBee
Eсли перед разработчиком стоит задача в короткие сроки обеспечить работу прибора в сетях ZigBee, то наилучшее решение – использовать готовые модули. Они представляют собой функционально законченные устройства, включающие антенну, трансивер 802.15.4, микроконтроллер, реализующий стек Zigbee, внешний интерфейс, схемы питания и управления и т.д. Такие модули производят многие компании (Jennic/NXP, Microchip, Panasonic, STMicroelectronics и т.д.) на основе рассмотренной выше элементной базы.
Наиболее широко на российском рынке представлены ZigBee-модули XBee и XBee Pro производства Digi (рис.3, табл.4). Эти модули выпускаются в разных модификациях и различаются по форм-фактору, мощности передатчика, возможности программирования и т.д. Они управляются с помощью AT-команд или API-фреймов, отсылаемых по UART или SPI. Программируемые модули XBee могут работать автономно, питаясь от батареи и не нуждаясь во внешнем управлении. Алгоритм работы в этом случае задается установкой определенной конфигурации модуля, которая сохраняется в энергонезависимой памяти. Такая конфигурация может включать в себя, например, автоматическое измерение аналоговых сигналов и/или уровней на цифровых входах c периодической отсылкой этих значений по радиоканалу с заданным (от сотен миллисекунд до нескольких недель) интервалом.
Для разработчика может быть полезной возможность подключения к сети ZigВee персонального компьютера с помощью USB-устройства XStick, построенного на базе модуля XBee.
Для упрощения процесса разработки устройств ZigBee в ассортименте фирм-производителей имеются отладочные наборы, с помощью которых инженер может осваивать работу с ZigBee и тестировать программное обеспечение (рис.4). В такие комплекты, помимо самих модулей ZigBee, могут входить интерфейсные платы с переключателями и индикаторами, программаторы, антенны и т.д, а также программное обеспечение. Как правило, в комплекте имеется два или более модулей ZigBee, что позволяет организовать тестовую сеть на рабочем месте без использования дополнительного оборудования. ⦁
Протокол ZigBee определяет правила работы аппаратно-программных комплексов, с помощью которых организуется беспроводный информационный обмен. Нижние уровни протокола, определяющие физические параметры передатчика, методы проверки качества связи и организации передачи пакетов в сети, основаны на стандарте IEEE 802.15.4-2006 (рис.1, табл.1).
Одно из важных свойств сетей ZigВee – возможность организации сложных децентрализованных ad-hoc (образованных случайными абонентами) структур. В таких сетях каждый узел напрямую связан с несколькими другими узлами (топология mesh). Эти связи могут обновляться и оптимизироваться при отключении устройств от сети или при появлении новых. Динамическая структура сети позволяет быстро устранять аварии, прокладывая новые пути передачи данных в обход сбойного участка. 16-битная адресация дает возможность использовать больше 65 тыс. узлов, хотя в реальности при количестве узлов >300 из-за возрастания служебного трафика пропускная способность сети падает до неприемлемого уровня. Тем не менее, гибкая топология сети позволяет покрывать достаточно большие площади, используя лишь маломощные устройства – как фиксированные, так и находящиеся на подвижных объектах.
В спецификации стека ZigBee предусмотрено три типа устройств: координатор, маршрутизатор и оконечное устройство. Координатор инициализирует сеть, управляет сетевыми узлами, хранит информацию о настройках каждого сетевого узла, задает номер частотного канала и идентификатор сети PAN ID, а в процессе работы может быть источником, приемником и ретранслятором сообщений. Маршрутизатор отвечает за выбор пути доставки сообщения, передаваемого по сети от одного узла к другому, и в процессе работы также может быть источником, приемником или ретранслятором сообщений. Оконечное устройство не участвует в управлении сетью и ретрансляции сообщений, являясь только источником или приемником сообщений.
Крайне низкое энергопотребление – одна из ключевых особенностей сетевых устройств Zigbee. Большую часть времени устройство проводит в режиме сна, включаясь лишь в моменты приема или передачи данных. Время выхода из спящего режима крайне мало – 15 мс или меньше, в отличие от, например, устройств Bluetooth, которым для этого может потребоваться несколько секунд. Экономичность устройств ZigВee позволяет им работать автономно с питанием от батарей в течение нескольких лет.
Протокол ZigBee – открытый, т.е. доступный любому желающему для некоммерческого использования. Право применения технологии ZigBee в коммерческих продуктах дает членство в альянсе ZigBee – организации, разрабатывающей и публикующей стандарты ZigBee. Альянс ZigBee объединяет ведущих производителей радиокомпонентов и приборов, использущих эту технологию – Philips, STMicroelectronics, Texas Instruments, Freescale Semiconductors, Schneider Electric, Cisco, Atmel, Intel, Logitech, Huawei, AT&T и многих других.
Микросхемы ZigBee и примеры их использования
Сегодня на рынке представлен достаточно широкий ассортимент микросхем и модулей ZigBee. Разработчик, желающий использовать эту технологию в собственных приборах, может выбрать один из нескольких схемотехнических методов реализации ZigВee и подобрать соответствующую элементную базу.
В качестве примера можно рассмотреть некое устройство управления или сбора информации, в котором имеется DSP-процессор или микроконтроллер. Если процессор не сильно загружен выполнением основной задачи, то можно использовать его и для обработки стека ZigBee. В этом случае для организации радиочастотного интерфейса нужно использовать радиочастотный модем (трансивер) 802.15.4, который выполняет функции приема и передачи радиосигнала и поддерживает лишь нижние уровни протокола ZigВee – 802.15.4. Обмен данными с микроконтроллером или процессором осуществляется по стандартному протоколу SPI (рис.2а).
Сравнительные характеристики некоторых имеющихся на рынке трансиверов приведены в табл.2. Все они обеспечивают поддержку сетей 802.15.4 как простых, так и сложных топологий. Увеличить выходную мощность передатчика до 14 дБм и чувствительность приемника на 6 дБ можно с помощью антенного усилителя Texas Instruments MC2590.
Нужно отметить, что некоторые 2,4–ГГц трансиверы (например, Freescale MC 13201) несовместимы со стандартом 802.15.4 и не годятся для применения в уcтройствах ZigВee.
В случае, когда ресурсов основного процессора не хватает для обработки стека ZigBee, необходим отдельный микроконтроллер (рис.2б).
Можно решить эту задачу более компактно, используя микросхему, объединяющую радиочастотную часть и процессор, который обрабатывает стек ZigBee и, при необходимости, может выполнять иные задачи (рис.2в, г). Наиболее широко на рынке представлены системы на кристалле (System on chip, SoC) компании Freescale, в которых, помимо трансивера и микроконтроллера, могут присутствовать дополнительные модули, расширяющие функциональность системы. Кроме микросхем SoC, Freescale также предлагает гибридный модуль (System in package, SiP) MC13213, представляющий собой кристаллы трансивера и микроконтроллера в едином корпусе.
Отдельно следует отметить ZigВee-сопроцессоры Ember EM260. Функционально они аналогичны рассмотренным выше микросхемам, но микроконтроллер в них жестко запрограммирован для обработки стека ZigВee. Такое решение избавляет разработчика от необходимости самостоятельного программирования стека, но не позволяет использовать встроенный микроконтроллер для пользовательских задач (рис.2в). Как и в прочих микросхемах этого типа, для обмена данными в них служит интерфейс SPI/UART.
Самое мощное и функционально полное на сегодняшний день решение – платформа (Platfotm in package, PiP) Freescale MC13224/26, построенная на базе процессора ARM7TDMI и имеющая ПЗУ с зашитыми в нем драйверами устройств и 802.15.4 MAC. Микросхема имеет большое количество портов и интерфейсов, а также всю необходимую ВЧ-обвязку, кроме антенны.
Для упрощения разработки программного обеспечения для процессоров и модулей ZigBee производители элементной базы ZigВee предлагают программные пакеты и средства разработки (SDK). Они включают в себя библиотеки и программные модули, необходимые для реализации стека ZigBee, а также вспомогательные программы и утилиты, позволяющие конфигурировать устройства и сети ZigBee.
Модули и отладочные наборы ZigBee
Eсли перед разработчиком стоит задача в короткие сроки обеспечить работу прибора в сетях ZigBee, то наилучшее решение – использовать готовые модули. Они представляют собой функционально законченные устройства, включающие антенну, трансивер 802.15.4, микроконтроллер, реализующий стек Zigbee, внешний интерфейс, схемы питания и управления и т.д. Такие модули производят многие компании (Jennic/NXP, Microchip, Panasonic, STMicroelectronics и т.д.) на основе рассмотренной выше элементной базы.
Наиболее широко на российском рынке представлены ZigBee-модули XBee и XBee Pro производства Digi (рис.3, табл.4). Эти модули выпускаются в разных модификациях и различаются по форм-фактору, мощности передатчика, возможности программирования и т.д. Они управляются с помощью AT-команд или API-фреймов, отсылаемых по UART или SPI. Программируемые модули XBee могут работать автономно, питаясь от батареи и не нуждаясь во внешнем управлении. Алгоритм работы в этом случае задается установкой определенной конфигурации модуля, которая сохраняется в энергонезависимой памяти. Такая конфигурация может включать в себя, например, автоматическое измерение аналоговых сигналов и/или уровней на цифровых входах c периодической отсылкой этих значений по радиоканалу с заданным (от сотен миллисекунд до нескольких недель) интервалом.
Для разработчика может быть полезной возможность подключения к сети ZigВee персонального компьютера с помощью USB-устройства XStick, построенного на базе модуля XBee.
Для упрощения процесса разработки устройств ZigBee в ассортименте фирм-производителей имеются отладочные наборы, с помощью которых инженер может осваивать работу с ZigBee и тестировать программное обеспечение (рис.4). В такие комплекты, помимо самих модулей ZigBee, могут входить интерфейсные платы с переключателями и индикаторами, программаторы, антенны и т.д, а также программное обеспечение. Как правило, в комплекте имеется два или более модулей ZigBee, что позволяет организовать тестовую сеть на рабочем месте без использования дополнительного оборудования. ⦁
Отзывы читателей
