Подписка на новости

Опрос

Нужно ли ввести комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

2008 №2

Новый ZigBee модуль RC230x фирмы Radiocrafts с поддержкой 6loWPAN

Алексеев Виктор


По данным “On World”, за последние годы прирост рынка устройств стандарта IEEE 802.15.4 составил около 200%. Ожидается, что в 2009 году мировой объем продаж подобных устройств достигнет 100 миллионов штук. Особенно интенсивно будет развиваться направление 6LoWPAN. Новый модуль производства фирмы Radiocrafts — это миниатюрный, полностью готовый к работе модуль, поддерживающий стандарты IEEE 802.15.4, 6LoWPAN и протоколы ZigBee. Благодаря использованию новых технологий цена на этот модуль значительно ниже цен на предыдущие модели фирмы Radiocrafts.

Технология ZigBee и стандарты IEEE 802.15.4 и 6LoWPAN

Название ZigBee — это внутрифирменное обозначение технологии, включающей протоколы верхних уровней, специальное программное обеспечение, конфиденциальную техническую информацию для беспроводных устройств, работающих на частоте 2,4 МГц.

В число основоположников ZigBee входят Philips, Mitsubishi, Motorola, Samsung, Honeywell, Ember, Chipcon, BM Group. В настоящее время в консорциум “ZigBee Alliance” входят более ста фирм из 25 стран мира.

Буквенное обозначение ZigBee и цифровое обозначение сопутствующего стандарта IEEE 802.15.4 — это не одно и то же. (IEEE — Международный институт инженеров по электротехнике и электронике).

Цифрами 802.15.4 обозначают спецификацию стандартов IEEE, регламентирующих на физическом уровне функционирование оборудования, предназначенного для низкоскоростных WPAN (беспроводных персональных сетей).

Поэтому правильнее говорить, что технология ZigBee опирается на стандарт IEEE 802.15.4 [1, 2].

Сама спецификация стандартов IEEE 802.15.4 определяет только два нижних уровня: физический уровень (PHY) и уровень управления доступом к радиоканалу (MAC) для диапазонов частот 2,4 ГГц, 868 и 915 МГц.

Физический уровень PHY определяет параметры приемопередатчиков.

Вопросы регулирования совместного использования среды передачи данных определяются на МАС-уровне (Media Access Control — уровень доступа к среде передачи данных). Именно на MAC-уровне устанавливаются базовые принципы взаимодействия сети из нескольких ZigBee-устройств.

Непосредственно в стандарте IEEE 802.15.4 оговариваются диапазон частот, тип модуляции, структура пакетов, правила формирования контрольной суммы, способы предотвращения коллизий и т. д.

Наиболее важные аспекты технологии ZigBee запатентованы. Они определяют такие конкретные параметры, как уровень сети, протоколы безопасности, структуры приложения. В этом комплекте документации регламентируются алгоритмы и детализируется программное обеспечение, управляющее работой различных ZigBee-устройств и их связью с другими внешними устройствами.

Стандарт IEEE 802.15.4 является открытым и доступен для любого пользователя [2]. К сожалению, этого нельзя сказать о протоколах ZigBee. Они закрыты и доступны только членам альянса ZigBee, отчисляющим в его фонд ежегодные взносы.

Сетевой уровень ZigBee отвечает за конфигурацию сети, а также за обнаружение устройств в сети и протоколы их взаимодействия между собой. На сетевом уровне в ZigBee поддерживаются три варианта топологии сети: «звезда», «кластерное дерево», «каждый с каждым» (рис. 1).

Пример построения сетей с помощью модулей Radiocrafts

В Mesh-сетях («каждый с каждым») отдельные узлы кооперируются для того, чтобы доставить сообщение по назначению. При этом каждый узел может осуществлять выбор одного из нескольких путей передачи сетевого трафика и передавать сообщение любому соседнему узлу. В случае неисправности одного из узлов данные посылаются по другому маршруту. Протоколы ZigBee разработаны с учетом максимального энергосбережения.

Если устройство не задействовано, то оно переходит в режим ожидания с минимальным расходом энергии. При необходимости координатор активизирует только конкретное устройство, которое нужно для передачи информации в данный момент.

В стандарте IEEE 802.15.4 используются три эфирных нелицензируемых диапазона:

  • 2,4 ГГц (16 каналов) — международный;
  • 915 МГц (10 каналов) — США;
  • 868 МГц (1 канал) — Европа.

В последнем варианте стандарта IEEE 802.15.4 регламентируются низкоскоростные радиосети (Low Rate Wireless Personal Area Network, LR-WPAN), за которыми закреплено 27 каналов.

Скорость передачи данных между устройствами зависит от числа занятых каналов и находится в диапазоне от 20 до 256 кбит/с.

Дополнительную информацию по этим вопросам можно найти в работах [2–5].

Инженерная группа по развитию Интернета (Internet Engineering Task Force — IETF) разработала ряд методов выполнения протокола IPv6 для сетей IEEE 802.15.4. Комплекс этих методик получил название стандарт 6LoWPAN. Полное название — Transmission of IPv6 Packets over IEEE 802.15.4. В документе [6] приведены основные форматы для передачи пакетов IPv6 и инструкции по адресации в сетях IEEE 802.15.4.

В стандарте 6LoWPAN детальным образом прописаны режимы IEEE 802.15.4 и правила адресации для IP, адаптационные уровни и форматы фрэймов, способы диспетчеризации, адресация в сетях с топологией «звезда» и «каждый с каждым», локальная адресация и кодировка в IPv6, кодировка в UDP и т. д. [6].

Технологии 6LoWPAN — очень важный этап в развитии беспроводной связи, поскольку дают возможность использовать Интернет в сетях стандарта IEEE 802.15.4 без дополнительных затрат. Таким образом, появляется возможность объединять локальные беспроводные сети, расположенные в различных регионах мира.

По оценкам специалистов, время жизни устройств этого стандарта составит как минимум 10 лет [1, 6].

Сама идея построения стандарта 6LoWPAN проста и понятна — выход в Интернет реализуется через точки доступа. На сегодняшний день шлюзы для связи Интернета с сетями 802.15.4 выпускает фирма Sensinode [7].

На основе технологий, разработанных этой фирмой, можно объединять устройства стандарта IEEE 802.15.4 (NanoSensor) в сети с выходом в Интернет. В сетях «каждый с каждым» базовые устройства могут «переговариваться» как между собой, так и со шлюзом (NanoRouter). В свою очередь, несколько шлюзов могут «переговариваться» друг с другом (рис. 2).

Схема работы устройств, стандарта IEEE 802.15.4 с выходом в Интернет

Приложения 6LoWPAN очень похожи по своей структуре на интернет-приложения.

Фирмой Sensinode разработан комплект протоколов, зарегистрированных под торговой маркой NanoStack. Эти протоколы поддерживают стандартный комплект API — сокет для выхода в сеть. Приложения разработаны на базе UDP и работают как с отдельными ячейками, так и с ядром сети.

Поскольку технологии Интернета знает практически любой грамотный инженер, то можно прогнозировать хорошее будущее стандарта 6LoWPAN.

Серия RC2300x

Норвежская фирма Radiocrafts AS разрабатывает и производит полностью готовые к работе модули стандарта IEEE 802.15.4.

Фирма выпускает модули для всех трех диапазонов этого стандарта: 2,4 ГГц, 915 и 868 МГц с поддержкой 6LoWPAN и ZigBee.

Российским разработчикам хорошо знакомы две серии “RC2200, ZigBee ready” — модули с DSSS-манипуляцией и “RC2200AT-SPPIO — ZigBee” — модули с поддержкой последовательного интерфейса и пользовательских вводов/выводов.

Модель RC2300 представляет серию нового поколения.

Основные отличия от модулей RC2200 предыдущей серии:

  • базовый чипсет CC2430/CC2431 Texas Instruments на одном кристалле (в предыдущей серии RC2200 были использованы отдельно трансивер и микроконтроллер Atmega 12);
  • поддержка 6LoWPAN;
  • уменьшено до 19 количество I/O;
  • уменьшены габаритные размеры;
  • снижено энергопотребление;
  • снижена цена.

Модули серии RC230x работают на частоте 2,45 ГГц нелицензируемого диапазона ISM в соответствии со стандартом IEEE 802.15.4.

В состав серии входят три модели: RC2300, RC2301, RC2304. Они отличаются между собой объемом памяти, параметрами программирования и управления оконечными устройствами.

Структурная схема модуля приведена на рис. 3.

Структурная схема модуля RC230x

В моделях RC2300/2302/2304 используется чипсет CC2430 Texas Instruments, который специально разработан для стандарта IEEE 802.15.4 и различных ZigBee-приложений. В нем на одном кристалле размещены радиопередатчик CC2420 и микропроцессор 8051 со встроенной памятью (32/64/128 кбит, 8 кбит). В совокупности со стеком протоколов ZigBee от Texas Instruments (Z-Stack) этот чипсет не имеет в настоящее время аналогов в мире. Модель CC2430 предназначена для использования в устройствах с ультранизким энергопотреблением, работающим в Mesh-сетях.

В модели RC2301 применяется модификация базового чипсета CC2431, которая дополнительно содержит блок определения местоположения (location detection hardware module). Этот блок подключается в случае, когда данные нужно передать на ячейку с неизвестным положением в сети.

Серия RC230x поддерживает функцию DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), которая позволяет расширять спектр методом прямой последовательности.

В базовой конфигурации RC230x имеют прошивку с поддержкой только двух нижних уровней PHY и MAC. Модули поставляются без прошивки верхних уровней стека протоколов ZigBee. В данной конфигурации модули могут использоваться для передачи данных в топологии «точка–точка» и «звезда».

Поскольку в модулях серии RC230х можно использовать любые другие стеки протоколов, то пользователь вправе приобретать и прошивать самостоятельно ПО для ZigBee от других фирм (Airbee, Microchip, Millennial Net, Ember, Helicomm и др.).

Однако Radiocrafts рекомендует все же “TI/Chipcon/Figure 8 Wireless Z-stack and MAC CC2430/CC2431”.

Пользователи могут самостоятельно создавать приложения верхнего уровня и записывать их поверх стека протоколов ZigBee. Для этого достаточно использовать известные средства программирования микроконтроллеров MCU 8051. Для прошивки и отладки приложений пользователя можно использовать, например, “IAR Embedded workbench Smart-RF EB RF04”.

Модуль имеет два USART, которые могут быть переконфигурированы как SPI или как UART. В модуле есть девятнадцать I/O. Восемь из них могут быть задействованы под 8-канальный встроенный АЦП. Остальные I/O можно задействовать для подключения различных датчиков. К цифровым и аналоговым вводам/выводам можно подключать самые разные конечные устройства. При этом в приложениях, использующих удаленный контроль параметров различных систем, дискретные датчики соединяются с одним из вводов/вводов прерывания модулей RC230x. Это позволяет в определенные моменты выводить модули из режима ожидания и передавать данные.

При использовании датчиков с непрерывно изменяющимися параметрами в моделях RC230х может быть реализован режим, при котором датчики постоянно опрашиваются с частотой 32 кГц.

В технологии ZigBee используется два типа устройств различной сложности. Полностью функциональное устройство (FFD — Full Function Device) способно принимать и передавать данные, в том числе и чужие (по цепочке). При объединении FFD-устройств могут быть реализованы топологии «звезда», «каждый с каждым» и «кластерное дерево».

Устройство с ограниченным набором функции (RFD — Reduced Function Device) — это самый простой тип, который может только переговариваться с координирующим устройством. При объединении в сеть RFD может использоваться только в топологии «звезда». Кроме деления на FFD и RFD в спецификации ZigBee определены три типа логических устройств — координатор сети, 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.

Модуль RC2302 (Flash 32 кбит) может быть использован только в качестве RFD и оконечного устройства.

Модули RC2304 (Flash 64 кбит) и RC2300/2301 (Flash 128 кбит) могут быть использованы как FFD и запрограммированы для работы в качестве координатора или маршрутизатора.

Технические характеристики модулей RC230х приведены в таблице.

Таблица. Технические характеристики модулей RC230х
Технические характеристики модулей RC230х

Модуль выполнен в SMD-конструктиве. Внешний вид модуля RC230x показан на рис. 4.

Внешний вид модуля RC230x

Для запуска модуля в работу необходимо минимальное количество внешних компонентов. Модули этой серии легко интегрируются в конечные системы и очень просты в эксплуатации (рис. 5).

Пример подключения модуля RC2300

Для проектирования устройств на базе модулей серии RC230x существует отладочный комплект, в состав которого входят два шлюза, четыре базовых модуля, температурные датчики и датчики освещения. В отладочном комплекте модули поставляются с прошивкой ZigBee-стека и 6LoWPAN.

Отладочный комплект также может быть использован для программирования модулей (рис. 6).

Отладочный комплект для модуля RC2300

Модули RC230x используются во всем мире. В качестве примера можно привести одну из последних разработок — систему контроля свободных мест на подземных стоянках в Париже. Освободившаяся стоянка и маршрут следования к ней высвечивается на табло у въезда в подземный гараж. По пути следования к стоянке маршрут постоянно корректируется. Водители при этом избавлены от необходимости тратить время на поиски свободного места и не могут заблудиться.

Литература

  1. http://www.onworld.com/wpan/index.html
  2. http://www.zigbee.org/en/index.asp
  3. www.ieee802.org/15/pub/TG4
  4. Пушкарев О. Кирпичики для построения сети ZigBee: трансиверы стандарта 802.15.4, трансиверы, микромодули и программные реализации стека // Беспроводные технологии. 2005. № 1.
  5. http://www.ietf.org/html.charters/6lowpan-charter.html
  6. http://6lowpan.tzi.org
  7. http://www.sensinode.com/top/index.php
  8. RC2300/01/02/04 Data sheet/
  9. RC2300DK Demonstration Kit User Manual.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Беспроводные технологии PDF


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке