Подписка на новости

Опрос

Нужно ли ввести комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

2009 №1

Беспроводные системы сбора данных на базе радиомодулей ML-Module-Z

Баскаков Сергей


В статье представлены радиомодули ML-Module-Z, предназначенные для разработки беспроводных сенсорных сетей на базе платформы MeshLogic. Рассмотрены достоинства и недостатки различных архитектур беспроводных систем сбора данных, в том числе с точки зрения энергопотребления устройств и срока службы элементов питания.

Введение

Применение беспроводной связи для сбора данных актуально во многих прикладных задачах, например:

  • автоматический съем показаний квартирных счетчиков;
  • системы мониторинга в промышленной и домашней автоматизации;
  • мониторинг состояния несущих конструкций зданий и сооружений и т. д.

При этом со стороны разработчиков и конечных потребителей постоянно возрастает интерес к подобным системам, поскольку появляются готовые решения, которые просты в использовании и позволяют эффективно решить задачу сбора данных по радиочастотному каналу связи. Одним из таких решений являются встраиваемые радиомодули ML-Module-Z [1] (рис. 1), которые основаны на российской платформе MeshLogic для разработки беспроводных сенсорных сетей [2, 3], имеющей множество преимуществ относительно других стандартных и проприетарных технологий, в частности, такие свойства, как:

  • полностью многоячейковая топология сети;
  • самоорганизация и автоматический поиск маршрутов;
  • устойчивость к соканальной интерференции;
  • высокая масштабируемость и надежность доставки данных;
  • все узлы равноправны и являются маршрутизаторами;
  • возможна работа всех узлов от автономных источников питания.
Беспроводной радиомодуль ML-Module-Z

Радиочастотные OEM-модули ML-Module-Z представляют собой законченное интегрированное решение, которое позволяет сторонним разработчикам самостоятельно создавать беспроводные сети по технологии MeshLogic. В радиомодули встроена специальная версия сетевого стека MeshLogic, оптимизированная для построения распределенных систем сбора информации, в которых множество устройств передают данные в одну или несколько точек сбора (базовые станции, шлюзы и т. п.) (рис. 2).

Беспроводная система сбора информации

Главная особенность радиомодулей ML-Module-Z заключается в том, что все они одинаковы и являются маршрутизаторами, то есть способны в случае необходимости ретранслировать пакеты, но при этом автоматически переходят в «спящий» режим, значительно сокращая среднее энергопотребление и увеличивая срок службы элементов питания. Для перехода маршрутизаторов в дежурный режим не требуется настраивать синхронизированный доступ к среде или задавать какие-то другие параметры, поскольку радиомодули самостоятельно определяют оптимальный режим работы в зависимости от текущей сетевой нагрузки.

Заметим, что далеко не все представленные на рынке решения позволяют создавать полноценные mesh-сети, в которых все узлы способны выполнять ретрансляцию при работе от автономных элементов питания. Например, в большинстве практических ситуаций в сетях ZigBee маршрутизаторы требуют стационарного питания, так как должны постоянно находиться в режиме прослушивания канала.

Описание радиомодуля

Радиомодуль ML-Module-Z (рис. 3) состоит из микроконтроллера, приемопередатчика стандарта IEEE 802.15.4, 48-битного серийного номера, флэш-памяти емкостью 4 Мбайт и предусматривает два варианта подключения 50-омной антенны: через контактные площадки или U.FL-разъем. Основные технические характеристики радиомодуля приведены в таблице.

Структурная схема радиомодуля
Таблица. Основные технические характеристики
Основные технические характеристики

На рис. 4 показана структурная схема типового изделия на базе радиомодуля ML-Module-Z. Как правило, хост-устройством является микроконтроллер, который подключен к радиомодулю по последовательному интерфейсу UART и нескольким цифровым линиям управления.

Типовое изделие на базе радиомодуля

Микроконтроллер периодически опрашивает подключенные к нему датчики или другие источники сигналов (например, счетчики, расходомеры и т. д.), выполняет предварительную обработку измерений и передает результат одной из базовых станций (рис. 2).

Управление радиомодулем выполняется набором API-команд [4], при этом большинство из них необязательно задействовать. Основной является команда «передача адресного пакета», в которой хост-устройство указывает номер базовой станции и до 95 байт пользовательских данных (например, показания датчиков), которые должны быть ей доставлены. Если в команде в явном виде не задан номер базовой станции, то пакет по умолчанию отправляется ближайшей к радиомодулю базовой станции. Если невозможно передать пакет данных базовой станции напрямую, то радиомодули автоматически определят оптимальный маршрут доставки данных без какого-либо вмешательства со стороны их хост-устройств.

Если все оконечные устройства передают данные в одну точку сбора, то возможна перегрузка сети или значительное сокращение времени ее жизни из-за роста трафика по мере приближения к базовой станции. Установка в сети нескольких точек сбора позволяет снизить влияние этого эффекта за счет разделения потоков трафика, а также повышает надежность системы сбора данных. Текущая версия стека радиомодулей ML-Module-Z поддерживает до четырех базовых станций в сети, при этом в процессе функционирования можно любой модуль перевести из режима оконечного устройства в режим базовой станции и обратно, так как все радиомодули имеют идентичное программное обеспечение.

В радиомодуле предусмотрена функция измерения напряжения источника питания (сигнал PM на рис. 4), использование которой рекомендуется при работе устройства от автономного источника питания (например, от батарей или аккумуляторов), так как в этом случае модуль способен использовать эту информацию для более рационального расходования запаса энергии. Эффективность данного подхода наглядно продемонстрирована в статье [3].

Каждый радиомодуль имеет уникальный 48-разрядный серийный номер, 16 бит из которого используются для адресации узлов в беспроводной сети, но он также может быть использован хост-устройством для идентификации всего конечного изделия. Установленная на радиомодуле флэш-память доступна хост-устройству для хранения пользовательских данных (например, для накопления результатов измерений).

На целевую плату радиомодуль устанавливается SMD-монтажом или через штыревые разъемы. Чип-антенна или антенна в виде проводника на печатной плате подключается к модулю через контактные площадки. При монтаже модуля на штыревой разъем и/или при металлическом корпусе изделия необходимо применение внешней антенны, которая подключается к радиомодулю через кабельную сборку, например U.FL-SMA(RP).

Архитектура сети и энергопотребление

В технических характеристиках радиомодуля указаны значения тока потребления в различных режимах работы, но на практике необходимо знать среднее значение, от которого зависит срок службы элемента питания — принципиально важного параметра для большинства приложений сбора данных. Среднее энергопотребление радиомодуля в основном определяется объемом передаваемого и принимаемого в единицу времени трафика, поэтому создана упрощенная модель энергопотребления радиомодуля ML-Module-Z [5], которая позволяет оценить среднюю потребляемую мощность в зависимости от следующих параметров:

  • Ttxu и Trxu — период передачи и приема адресных пакетов данных, с;
  • Ttxb и Trxb — период передачи и приема широковещательных пакетов данных, с.

При этом потоки трафика будут зависеть от выбранной архитектуры сети сбора данных. С помощью радиомодулей ML-Module-Z возможно реализовать две принципиально разные архитектуры сети: топология «шина-звезда» и многоячейковая сеть. Рассмотрим их основные достоинства и недостатки.

При топологии «шина-звезда» (рис. 5) сеть состоит из концентраторов, которые соединены между собой проводной шиной для передачи данных и стационарного питания, и оконечных устройств, которые по радиоканалу обмениваются данными с ближайшим концентратором и работают от автономного источника питания.

Сеть с топологией «шина-звезда»

Такая архитектура сети отличается высокой масштабируемостью и простотой сопровождения, так как позволяет добавлять и удалять устройства без существенного влияния на остальные элементы сети.

Кроме того, поскольку беспроводная часть сети организована по топологии «звезда» и концентратор имеет стационарное питание, то срок службы элементов питания оконечных устройств может быть очень длительным. Например, на рис. 6 приведена средняя потребляемая мощность радиомодуля ML-Module-Z оконечного устройства в зависимости от периода передачи сообщений концентратору. Видно, что срок службы двух щелочных батарей формата AA может составить несколько лет.

Энергопотребление при топологии «шина-звезда»

Применение архитектуры «шина-звезда» целесообразно, например, для сбора показаний квартирных счетчиков в автоматизированных системах коммерческого учета энергоресурсов, поскольку практически всегда есть возможность установить концентраторы на этажах и проложить между ними кабель, а к приборам учета подключать беспроводные радиомодули с автономным элементом питания. Однако топология «шина-звезда» не обладает достаточной гибкостью и не всегда применима, поэтому многие задачи требуют использования технологий беспроводных многоячейковых сетей.

В радиомодулях ML-Module-Z реализована поддержка многоячейковых сетей, в которых все узлы являются маршрутизаторами, что позволяет строить более надежные и развитые системы (рис. 7).

Сеть с многоячейковой топологией

Но в таком случае среднее энергопотребление узлов возрастает (рис. 8) и его расчет становится более сложным, так как необходимо рассматривать суммарный сетевой трафик, то есть учитывать как пакеты данных, источником которых является непосредственно сам радиомодуль, так и пакеты, которые он принимает и передает, выполняя функции ретранслятора.

Энергопотребление при многоячейковой топологии

Следовательно, средний ток потребления радиомодуля существенно зависит от его положения в топологии сети и направлений прохождения сетевого трафика, но, как правило, при проектировании сети достаточно примерно оценить ее топологию и характер распределения потоков трафика для определения узла, испытывающего максимальную сетевую нагрузку. Поскольку энергопотребление данного узла будет максимально среди остальных узлов, то по соответствующему ему значению Pmax (мВт) можно получить нижнее значение величины срока службы элемента питания по формуле Tmin = Cbat/(24·Pmax), дней, где Cbat — емкость элемента питания (мВт·ч).

В качестве примера рассмотрим сеть с линейной топологией, в которой N узлов по цепочке с номинальным периодом T передают пакеты данных базовой станции (рис. 9).

Сеть с топологией «линейная цепь»

При этом каждый узел (кроме базовой станции и крайнего узла) способен связываться только с двумя соседними узлами, а период передачи широковещательных пакетов равен Tb. Тогда узел, находящийся на расстоянии h промежуточных передач до базовой станции, испытывает следующую сетевую нагрузку: Ttxu = T/(N-h+1), Trxu = T/(N-h), Ttxb = Tb, Trxb = 2Tb. На рис. 10 представлен результат расчета для сети из N = 10 узлов и Tb = 30 мин. Видно, что средние значения потребляемых мощностей ближайшего к базовой станции узла и крайнего узла значительно отличаются, при этом разница увеличивается по мере роста количества узлов в сети и, следовательно, длины маршрутов, а также интенсивности генерации трафика.

Энергопотребление при топологии «линейная цепь»

Выше было рассмотрено энергопотребление непосредственно радиомодуля, в то время как для изделия в целом необходимо учитывать также затраты энергии на работу хост-устройства, на опрос внешних датчиков и т. д. Обычно эти величины пренебрежимо малы по сравнению с потребляемой мощностью модуля, но в некоторых случаях их также следует учитывать при оценке срока службы беспроводного узла.

Заключение радиомодули ML-Module-Z

Возможность успешного практического внедрения технологии беспроводных сенсорных сетей во многом определяется наличием готовых продуктов, которые просты в использовании, обладают необходимой функциональностью и эффективно решают поставленные задачи. Одним из таких продуктов являются радиочастотные радиомодули ML-Module-Z на базе платформы MeshLogic.

Встраиваемые радиомодули ML-Module-Z полностью реализуют все функции по работе с радиоканалом и сетевым взаимодействием, сокращая срок и стоимость разработки беспроводной сенсорной сети для распределенного сбора информации. В отличие от других решений интегрированная в них версия стека MeshLogic отличается простой системой команд и минимальным количеством настроек, но при этом обеспечивается высокая эффективность и гибкость системы.

Кроме того, важным достоинством модулей является тот факт, что они разработаны и производятся российской компанией, поэтому потребители получают техническую документацию и поддержку на русском языке из первых рук.

Литература

  1. Беспроводной модуль ML-Module-Z: Руководство пользователя. http://www.meshlogic.ru/data/ML-Module-Z Product Manual.pdf.
  2. Баскаков С. С., Оганов В. И. Беспроводные сенсорные сети на базе платформы MeshLogic™ // Электронные компоненты. 2006. № 8.
  3. Баскаков С. С. Стандарт ZigBee и платформа MeshLogic: эффективность маршрутизации в режиме «многие к одному» // Первая миля (приложение к журналу «Электроника: Наука, Технология, Бизнес»). 2008. № 2–3.
  4. Беспроводной модуль ML-Module-Z: Описание системы команд. http://www.meshlogic.ru/data/ML-Module-Z API Reference Guide.pdf.
  5. Беспроводной модуль ML-Module-Z: модель энергопотребления. http://www.meshlogic.ru/data/EnergyModel_ML-Module-Z.zip

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Беспроводные технологии PDF


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке