Подписка на новости

Опрос

Нужно ли ввести комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

2007 №1

Модули ZigBee cокращают разработку ZigBee совместимых продуктов вдвое

Леонов Александр


Популярность ZigBee продолжает расти, поскольку пользователи нуждаются в недорогих, простых в использовании беспроводных сенсорных сетях. Области применения этой технологии самые разнообразные. Это и мониторинг офисных зданий, когда датчики отслеживают такие параметры как температура, влажность, освещенность и т. д., и автоматическое считывание данных с квартирных счетчиков, и контроль производственных процессов.

Технология ZigBee базируется на стандарте IEEE 802.15.4, специально разработанном для беспроводных сетей (WPAN) с небольшим объемом передаваемой информации. Стандарт 802.15.4 определяет параметры радиопередачи, описывая уровень физической среды (Physical Layer или PHY) и уровень доступа к этой среде (Medium Access Layer или MAC). ZigBee добавляет к этим двум слоям сетевой уровень (Network Layer или NWK), который определяет протокол построения сети, способ передачи данных, а также механизм обеспечения безопасности. Самым верхним слоем является уровень приложений (Application Layer). Он содержит различные профили, специфичные для конкретных приложений. Например, профиль автоматизации здания (Home Automation Application Profile) включает в себя описания таких приложений как контроль включения света. Продукты от разных производителей, как, например, лампочки и выключатели света, содержащие такой профиль, должны быть полностью совместимы. ZigBee поддерживает три основные топологии сети – звездную, древовидную и mesh. Последние две дают сети возможность самоорганизовываться и самовосстанавливаться. Системное ПО (так называемый ZigBee-стек, встроенный в микроконтроллер) отвечает за реализацию вышеперечисленных функций.

Рынок ZigBee растет очень быстрыми темпами, и хотя ZigBee еще не стал столь же распространенным стандартом как Bluetooth, аналитическое агентство WTRS ожидает, что объем рынка компонентов IEEE 802.15.4/ZigBee утроится в этом году (рис. 1). Все это ставит производителей продуктов перед выбором – создавать собственное решение на основе разрозненных компонентов ZigBee, таких как микроконтроллеры, радиотрансиверы, пассивные элементы и т. д., либо создать беспроводной продукт на основе модуля ZigBee, где все эти элементы уже оптимальным образом совмещены. Давайте рассмотрим наиболее популярные компоненты IEEE 802.15.4/ZigBee, предлагаемые сейчас на рынке. Ведущие производители компонентов ZigBee — это компании Freescale, Texas Instruments (TI), Atmel и Ember.

Прогноз рынка компонентов IEEE 802.15.4/ZigBee (источник: аналитический отчет «ZigBee Emerging Technology Report» компании WTRS)
Рис. 1. Прогноз рынка компонентов IEEE 802.15.4/ZigBee (источник: аналитический отчет «ZigBee Emerging Technology Report» компании WTRS)

Наиболее популярными микроконтроллерами на рынке являются ATmega1281 (Atmel), MSP430 (TI) и HC08 (Freescale). Размеры флэш-памяти разнятся от 64 Кбайт до 256 Кбайт. Для установки полной версии ZigBee-стека рекомендуется как минимум 128 Кбайт.

Среди радиотрансиверов наиболее распространены чипы входящей в состав TI компании Chipcon (например, CC2420) и Freescale (MC13192). Радио EM2420 от Ember – это лицензионная версия CC2420. Atmel предложил новый радиотрансивер AT86RF230 в июне прошлого года. Трансивер AT86RF230 является самой свежей разработкой на сегодняшний день и обеспечивает радиус покрытия примерно в 3 раза больше, чем у конкурентов. Большинство радиотрансиверов работает на частоте 2,4 ГГц, хотя предлагаются трансиверы и с более низкой частотой 868 и 915 МГц (компания ZMD специализируется в этой области).

Системы на чипе (System-on-Chip, SoC), совмещающие в одном чипе микроконтроллер и трансивер, получают всё большее распространение. Английская компания Jennic первой выпустила устройство подобного типа — JN5121. За ним последовали Chipcon с CC2430, Ember с EM250 и Freescale с MC1321. Недавно компания Jennic объявила о новом поколении систем на чипе JN513x. В настоящее время большинство основных игроков уже производят либо планируют производить такие решения.

Модули ZigBee производятся такими компаниями как Cirronet, Helicomm, MaxStream, MeshNetics, Radiocrafts и Telegesis. В основном в модулях используются микроконтроллеры от Atmel, Freescale и TI. Большинство модулей используют радиотрансиверы производства Chipcon (TI) и Freescale. Компания MeshNetics — пока единственный производитель, предлагающий модуль (ZigBit) с трансивером Atmel AT86RF230, что дает существенные преимущества в дальности связи по сравнению с конкурентами.

Модули поставляются с различными видами антенн. У каждого типа есть свои преимущества и недостатки. Конструкция с чип-антенной (рис. 2) дает множество преимуществ, таких как компактность, равномерная радиочувствительность во всех направлениях, наличие сертификации на радиочасть. Их недостатками являются относительно высокая цена и небольшая мощность антенны. Другой вариант – это сбалансированный RF-выход (рис. 3) для интеграции с антенной, вмонтированной в печатную плату. Это наиболее экономичный вариант, но здесь приходится увеличивать размер платы. Наконец, внешняя антенна дает наибольший радиус покрытия, но существует определенный риск ее повреждения. Для увеличения дальности связи также иногда используются усилители. Здесь нужно помнить, что использование усилителя существенно увеличивает энергопотребление, что для устройства, работающего от батареек, нежелательно. В зависимости от назначения устройства производитель может выбрать различные конфигурации модуля.

модуль ZigBee / IEEE 802.15.4 с чип-антенной
Рис. 2. модуль ZigBee / IEEE 802.15.4 с чип-антенной
модуль ZigBee / IEEE 802.15.4 с электромагнитным шилдом и без
Рис. 3. модуль ZigBee / IEEE 802.15.4 с электромагнитным шилдом и без

Другой важный элемент любого ZigBee-решения – это ZigBee-стек. Большинство производителей использует либо стек от Ember, либо стек, разработанный компанией Figure8Wireless, входящей в состав TI. Несколько других компаний предлагают свой собственный стек (например, Korwin, MeshNetics и Mindtek). Производители модулей обычно продают стек по лицензии, что может создать определенные трудности. Например, когда покупатель пытается получить техническую поддержку, ему нужно контактировать с производителем модуля по вопросам, относящимся к аппаратной части, а по всем вопросам, связанным с ПО, нужно обращаться к создателям стека. Только Korwin и MeshNetics предлагают «два в одном» - поддержку аппаратной части и ПО.

Теперь вернемся к дилемме, которая стоит перед производителем, собирающимся выпустить ZigBee-совместимое устройство на рынок. Два основных фактора – это стоимость и время разработки нового продукта. Если сравнить цену компонентов, то покупка по отдельности микроконтроллера, трансивера, антенны, пассивных элементов и стека будет значительно дешевле покупки модуля, где все эти элементы собраны вместе. Но не нужно забывать о «скрытых» затратах — как времени, так и средств, которые придется вложить, чтобы все эти разрозненные компоненты превратились в работающее ZigBee-совместимое решение. Не надо забывать и о получении FCC/CE сертификата, что, как правило, не нужно в случае использования модуля, поскольку большинство модулей уже прошли необходимую сертификацию.

Использовать модули особенно выгодно, если у производителя нет собственных экспертов в области радио, а сроки выпуска нового продукта достаточно сжатые. Разработка ZigBee-совместимого продукта «с нуля» может занять около года. Использование модулей может сократить цикл разработки нового продукта вдвое. Это особенно актуально для относительно небольших проектов, где развертываются беспроводные сети в несколько десятков тысяч узлов. Когда количество узлов приближается к сотне тысяч, собственное решение на основе отдельных компонентов становится экономически целесообразным.

Как правило, первый шаг в разработке решения на основе модуля – это приобретение так называемого оценочного набора (Evaluation Kit) или набора для разработки (Development Kit). Такие наборы (рис. 4) содержат несколько сенсорных плат на основе модуля, а также ПО и аксессуары, необходимые для тестирования модуля и разработки простых приложений. Стоимость наборов варьируется от $300 до $10 000 в зависимости от комплектации и назначения.

Оценочный набор ZigBee / IEEE 802.15.4
Рис. 4. Оценочный набор ZigBee / IEEE 802.15.4

После того как выбор в пользу конкретного типа модуля сделан, происходит интеграция модуля в конструкцию проектируемого ZigBee-устройства (рис. 5). Этот процесс включает в себя разводку печатной платы. Тут важно отметить, что некоторые модули, например ZigBit, могут интегрироваться с двухслойной платой, что значительно упрощает конструкцию. После того как проектирование и отладка закончены, продукт практически готов к производству. Единственное, что остается – это вступить в альянс ZigBee и пройти тест на совместимость (это необходимо, если производитель хочет использовать логотип ZigBee). Как мы видим, использование модулей позволяет избежать таких трудоемких стадий разработки как проектирование радиочасти ZigBee, ее сертификации, а также упрощает проектирование печатной платы.

Интеграция модуля ZigBee / IEEE 802.15.4 с печатной платой
Рис. 5. Интеграция модуля ZigBee/802.15.4 с печатной платой

В заключение вниманию читателей предлагается таблица, в которой сравниваются основные характеристики модулей ZigBee, представленных на рынке в настоящее время.

Таблица. Сравнительные характеристики модулей IEEE 802.15.4 / ZigBee*
Сравнительные характеристики модулей IEEE 802.15.4 / ZigBee

* согласно официально опубликованным данным и проведенным измерениям

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Беспроводные технологии PDF


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке