Подписка на новости

Опрос

Нужно ли ввести комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

2007 №2

Zigbee-модемы ETRX2 компании Telegesis: Что нового?

Кривченко Татьяна


ZigBee-модемы ETRX2 компании Telegesis хорошо известны на российском рынке. Ранее уже рассматривались основные принципы построения беспроводной сети на их основе [1]. Статья посвящена обсуждению возможности использования ZigBee-модемов без внешнего микроконтроллера и анализу результатов тестирования модемов в энергосберегающих режимах.

Особенности модемов ETRX2

ZigBee-модемы ETRX2 (рис. 1) совмещают в себе преимущества передовой технологии Ember с простотой использования и богатой функциональностью, которые обеспечиваются дополнительным встроенным программным обеспечением прикладного уровня компании Telegesis.

ZigBee-модемы ETRX2, ETRX2USB, ETRXnCF
Рис. 1. ZigBee-модемы ETRX2, ETRX2USB, ETRXnCF

Важным преимуществом модемов ETRX2 является то, что заложенная в их основу микросхема EM250 объединяет на одном кристалле приемопередатчик ZigBee и микроконтроллер с низким энергопотреблением. Это обстоятельство позволяет модемам ETRX2 иметь рекордно низкие токи потребления в спящем режиме. Например, при «спящих» микроконтроллере и приемопередатчике, но продолжающем работать внутреннем RC-генераторе ток потребления составляет 1 мкА.

В таблице 1 приведены основные технические характеристики для ZigBee-модемов компании Telegesis. Следует отметить, что модемы ETRX2 имеют достаточно высокую мощность передатчика 3,2 мВт (5 дБм) и хорошую чувствительность, что обеспечивает дальность связи между узлами сети на открытом пространстве до 300 м.

Таблица 1. Основные технические характеристики для ZigBee-модемов компании Telegesis
Основные технические характеристики для ZigBee-модемов компании Telegesis

Ядром встроенного программного обеспечения модемов ETRX2 является стек EmberZNET, который обеспечивает возможность построения полноценной ячеистой сети больших размеров с ретрансляцией, автоматической организацией, самовосстановлением и защитой данных, а также с возможностью реализации батарейных и мобильных узлов.

Встроенное программное обеспечение прикладного уровня для модемов ETRX2 уже написано инженерами Telegesis и изначально загружено в каждый модем.

Управление работой модемов ETRX2 организованно при помощи программирования конфигурационных регистров, доступ к которым осуществляется по радиоканалу или по проводному последовательному каналу путем набора несложных, но хорошо продуманных AT-команд, они подробно рассматривались ранее [1].

Кроме системы AT-команд, инженеры Telegesis предусмотрели набор типовых сценариев работы узла беспроводной сети, которыми разработчик беспроводной системы может пользоваться как готовыми подпрограммами. Эту особенность модемов ETRX2 разработчики Telegesis называют встроенной функциональностью (Built-In Functionality).

Встроенная функциональность модемов ETRX2 является еще одним их преимуществом, так как позволяет использовать их без внешнего микроконтроллера, что значительно облегчает работу с ними.

Организация работы модема ETRX2 без внешнего микроконтроллера

Узел ZigBee, построенный на базе модема ETRX2, может обладать сколь угодно сложной функциональностью. Алгоритм работы модема, а также всего узла сети, как законченного устройства, может задаваться внешним (по отношению к модему ETRX2) микроконтроллером. Однако в большинстве реальных случаев алгоритм работы беспроводного узла можно определить следующим образом: модем выполняет одну или несколько стандартных задач при наступлении какого-либо из стандартных событий.

В документации Telegesis [2] подробно описано около пятидесяти типовых сценариев, которые может выполнять модем, и десять стандартных событий, которые могут вызывать выполнение этих стандартных сценариев.

Событием, инициирующим выполнение какого-либо стандартного сценария, может служить срабатывание одного из восьми пользовательских таймеров модема ETRX2, перепад сигнала на одном из входов прерывания IRQ0 или IRQ1 или поступление байта по последовательному каналу. Каждому пользовательскому таймеру и каждому входу прерывания сопоставлен конфигурационный регистр, в который предварительно записывается код сценария работы модема после прерывания.

В таблице 2 представлен краткий перечень основных групп типовых сценариев.

Таблица 2. Перечень основных групп типовых сценариев
Перечень основных групп типовых сценариев

Таким образом, модем с заданным интервалом времени или по внешнему сигналу может выполнять передачу отсчетов со своих цифровых и аналоговых входов на центральный узел сбора данных сети, датировать эти отсчеты, обновлять состояние своих выводов в соответствии с поступившей по радиоканалу информацией, передавать по радиоканалу данные, поступающие из проводного последовательного канала. Модем может измерять длительность поступающих входных сигналов и посылать результаты измерения на центральный узел сбора данных сети. Наконец, модем может выполнять операции по коррекции своих часов и отображать при помощи внешних светодиодов свое состояние.

Описанная встроенная функциональность позволяет во многих случаях построить узел беспроводной сети без использования дополнительного внешнего микроконтроллера.

Также встроенная функциональность ZigBee-модемов ETRX2 полезна, если они используются для оснащения ранее разработанных приборов с последовательным выходом с целью их интеграции в беспроводную сеть. При этом зачастую нет возможности изменять программное обеспечение модернизируемых устройств. В этом случае задание начальных конфигурационных команд для модема ETRX2 можно выполнить при помощи заложенной в него встроенной функциональности.

Встроенная функциональность модемов ETRX2 имеет большое значение и для реализации устройств с батарейным питанием, так как позволяет без дополнительных команд от внешнего микроконтроллера организовать циклическое пробуждение модемов, выполнение заданных функций и переход в режим пониженного энергопотребления.

Использование модемов ETRX2 в энергосберегающих режимах

Модемы ETRX2 построены на базе кристалла EM250, который содержит приемопередатчик ZigBee и 16-разрядный микроконтроллер с пониженным энергопотреблением в «спящем» режиме.

Стремясь максимально использовать преимущества базового кристалла, разработчики Telegesis предусмотрели для модемов ETRX2 четыре режима энергопотребления, которые представлены в таблице 3.

Таблица 3. Режимы энергопотребления
Режимы энергопотребления

Текущий режим энергопотребления модема задается путем записи номера режима в энергозависимый регистр S29, доступный для чтения и записи по радиоканалу и проводному последовательному каналу. После перезаписи содержимого этого регистра режим энергопотребления модема меняется немедленно. Для управления режимом энергопотребления модем ETRX2 имеет также энергонезависимый регистр S2A, содержимое которого переписывается в регистр S29 каждый раз после сброса. Кроме того, изменение режима энергопотребления возможно при наступлении одного из стандартных событий: сброса процессора, внешнего прерывания, срабатывания таймера или поступления байта по последовательному каналу.

Очень внимательно нужно относиться к использованию режима 3, так как после перехода в этот режим внутренние регистры модема становятся недоступными ни по радиоканалу, ни по проводному каналу, ни по прерыванию от таймера. Выйти из этого режима можно только путем сброса модема или при помощи внешнего прерывания, но только при условии, если заранее в соответствующих регистрах было определено, что в ответ на эти события модем должен «проснуться».

Напомним, что в сети ZigBee могут присутствовать следующие типы устройств: координатор (Coordinator — COO), маршрутизатор (Full Function Device — FFD), конечное засыпающее устройство (Sleepy End Device — SED), мобильное конечное устройство (Mobile End Device — MED). Спецификация ZigBee предполагает, что координатор и маршрутизаторы, которые осуществляют ретрансляцию сообщений в сети, не могут переходить в «спящий» режим, тогда, как конечные устройства могут «засыпать».

При этом если в сети передается сообщение на «спящий» конечный узел, то оно сохраняется в буфере родительского маршрутизатора. Следуя этой логике, координатор и маршрутизаторы никогда не должны переходить в режимы энергопотребления 2 и 3. Однако инженеры Telegesis сохранили эту возможность. Поэтому разработчик беспроводной системы на базе модемов ETRX2 на уровне своего приложения может синхронно переводить все узлы сети, в том числе и маршрутизаторы, в «спящий» режим.

Если в них нет необходимости, то маршрутизаторы всегда работают в нулевом режиме и потребляют ток 35,5 мА.

Более сложной задачей является оценка энергопотребления конечных устройств, которые даже в нулевом режиме энергопотребления удерживают приемопередатчик в выключенном состоянии. Ток потребления при этом составляет 9 мА. Конечное устройство включает приемопередатчик только на время приема и передачи сообщений, а также во время сканирования эфира. В эти моменты ток потребления возрастает до 36 мА.

Гордостью Ember и Telegesis является малый ток энергопотребления всего модема в «спящем» режиме 2, когда продолжает работать таймер, предназначенный для «пробуждения» модема. Ток потребления в этом режиме зависит от того, какой используется генератор для тактирования дежурного таймера. Если используется внешний часовой кварцевый резонатор, то ток в режиме 2 не превышает 1,5 мкА. При использовании внутреннего RC-генератора ток потребления не превышает 1 мкА.

Также для достижения минимального энергопотребления узла специалисты Telegesis дают следующие рекомендации:

  • все неиспользуемые входы/выходы модема необходимо сконфигурировать на вывод;
  • «подтянуть» входы к линиям питания;
  • присоединить вывод SIF_MOSI через резистор 10 кОм к «земле».

Для оценки среднего энергопотребления конечных устройств и времени жизни их батарей инженеры Telegesis приводят в документации [3] результаты испытаний модемов ETRX2.

Эксперимент заключался в следующем. Модему ETRX2 задавали роль конечного «засыпающего» устройства (SED) и переводили его в режим пониженного энергопотребления 2. Затем циклически модем «просыпался» и выполнял один из стандартных сценариев, а именно осуществлял опрос родительского узла на наличие в его буфере каких-либо сообщений. Ток потребления при этом контролировался путем измерения падения напряжения на внешнем резисторе номиналом 10 Ом. На рис. 2 и 3 показаны осциллограммы данного эксперимента для случаев, когда в буфере родительского узла не было сообщений и когда там было одно сообщение, содержавшее кроме служебной информации 30 байт полезных данных и 8 байт адреса. Видно, что весь цикл состоит из нескольких фаз. Сначала модем находится в «глубоком сне». Затем «просыпается» его микроконтроллер (здесь у осциллограммы меняется масштаб), который готовится к тому, чтобы послать сообщение. Затем модем посылает родительскому узлу запрос и сразу снова выключает приемопередатчик. Родительский узел некоторое время обрабатывает запрос и затем посылает свой ответ. Модем заблаговременно включает приемник для получения ответа. В случае получения сообщения некоторое время затрачивается на его обработку, и затем модем снова переходит в режим сна. Длительности и токи потребления для каждой фазы представлены в таблице 4.

В буфере родительского узла на момент опроса нет сообщений
Рис. 2. В буфере родительского узла на момент опроса нет сообщений
В буфере родительского узла имеется одно сообщение
Рис. 3. В буфере родительского узла имеется одно сообщение
Таблица 4. Длительности и токи потребления
Длительности и токи потребления

Понятно, что средний ток потребления модема зависит от интервала времени между опросами.

В таблице 5 приведены значения среднего тока потребления в зависимости от интервала между опросами для двух вариантов эксперимента.

Таблица 5. Значения среднего тока потребления
Значения среднего тока потребления

Данные результаты показывают, что устройство ZigBee, построенное на модемах ETRX2, большую часть времени находящееся в режиме энергопотребления 2 и просыпающееся один раз в минуту для передачи или получения небольшого сообщения, может работать без смены батареек несколько лет.

Аналогичные эксперименты для режима 3 приводят к похожим результатам за исключением того, что в «спящем» режиме удается экономить дополнительно 0,5 мкА за счет отключения таймера.

Следует отметить, что описанные эксперименты проводились в сети с незначительным трафиком. При расчетах энергопотребления в реальной системе необходимо учитывать, что при увеличении количества узлов в сети энергопотребление каждого узла может возрасти, так как потребуется выполнять дополнительные операции, связанные с обработкой коллизий.

В заключение хочется еще раз подчеркнуть, что модемы ETRX2 обладают всеми преимуществами технологии Ember, то есть позволяют строить полноценные беспроводные сети с малым энергопотреблением. При этом они обладают логичной и несложной для освоения системой AT-команд, которая дает возможность реализовать большинство стандартных алгоритмов работы беспроводного узла. С модемами ETRX2 можно построить простейшую ZigBee-систему за несколько дней без каких-либо затрат на отладочные средства.

Литература

  1. ZigBee-модемы ETRX компании Telegesis // Беспроводные технологии. 2006. № 2.
  2. ETRX1 and ETRX2 Wireless Mesh Networking Modules. AT-Command Dictionary. Rev.2.09. Telegesis.
  3. ETRX2 Wireless Mesh Networking Module. Application Note — Power Consumption.
  4. www.efo.ru/cgi-bin/go?2509.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Беспроводные технологии PDF


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке