Компоненты Analog Devices для построения беспроводных сенсорных сетей SmartMesh IP

№ 4’2018
PDF версия
В статье приведена краткая информация о технологии SmartMesh IP и модулях для ее реализации, выпускаемых компанией Analog Devices и предназначенных для организации сенсорных сетей промышленных систем IoT, которые обеспечивают высокую достоверность передачи данных при работе в сложных условиях значительных радиопомех. Универсальность модулей и их технические характеристики позволяют создавать масштабируемые сенсорные сети с использованием модулей только двух типов.

По различным прогнозам, к 2020 году количество подключенных к Интернету устройств вырастет до 40–200 млрд. При этом около 10 млрд из них будет приходиться на телефоны и компьютеры, все остальное — на «умные» вещи, способные контролировать не только параметры окружающей среды и различных объектов, но и ход технологических процессов при производстве разных видов продукции, его подготовке и логистике: от холодильника до датчиков на сельскохозяйственных и промышленных предприятиях, элементах инфраструктуры, на транспорте и в других областях человеческой деятельности. Инвестиции в «Интернет вещей» (Internet of Things — IoT) достигнут $6 трлн, причем основными пользователями станут правительства и корпорации.

Использование потенциала IoT для экономического и социального развития в ближайшие годы станет одной из основных задач. Именно поэтому многие производители электронных компонентов разрабатывают устройства, ориентированные на применение в системах IoT и IIoT (Industrial IoT).

Экономисты все чаще говорят, что мир стоит на пороге четвертой промышленной революции. Комбинирование технологий, в том числе применение недорогих датчиков, процессоров с низким энергопотреблением, постоянное масштабирование облачных сервисов, а также повсеместное внедрение беспроводных технологий связи позволили начать эту революцию.

Компания Analog Devices, являясь одним из ведущих производителей электронных компонентов, также выпускает комплекты микросхем и сертифицированных модулей для реализации систем IoT, включающих различные датчики, микроконтроллеры с низким энергопотреблением, модули для организации беспроводных сенсорных сетей, способные работать в жестких условиях промышленного «Интернета вещей».

Изделия семейства SmartMesh для организации беспроводных сенсорных сетей представляют собой микросхемы и предварительно сертифицированные модули на основе печатных плат, поставляемые в комплекте с программным обеспечением для смешанных (mesh) сетей, которые позволяют датчикам передавать информацию в сложных условиях промышленного «Интернета вещей» [1]. Все продукты данного семейства соответствуют требованиям стандартов 6LoWPAN (стандарт взаимодействия по протоколу IPv6 в маломощных беспроводных персональных сетях стандарта IEEE 802.15.4 [2]),802.15.4e (определяет физический слой и управление доступом к среде для беспроводных персональных сетей с низкой скоростью передачи информации [3]) и WirelessHART (IEC62591 [4]).

WirelessHART утвержден как международный стандарт IEC62591 и описывает технологию построения самоорганизующихся беспроводных сетей, в которых каждый прибор является ретранслятором данных от остальных приборов. Два ключевых компонента, обеспечивающих надежность беспроводных сетей, — это наличие нескольких независимых путей передачи информации для каждого прибора и автоматический выбор маршрута передачи. Сети WirelessHART могут быть задействованы как для управления, так и для мониторинга.

Стандарт WirelessHART, опубликованный в сентябре 2007 года, основан непосредственно на HART-протоколе, не связанном с физической средой передачи информации.

HART-протокол (Highway Addres­sab­le Remote Transducer — магистральный адресуемый удаленный преобразователь) является открытым стандартом на метод сетевого обмена, который содержит не только протокол взаимодействия устройств, но и требования к аппаратуре канала связи [5]. Он также содержит протокол обмена, проводной и беспроводной физические уровни. Проводной вариант предусматривает передачу цифровых данных и питания по двум проводам, сохраняя совместимость с аналоговыми датчиками стандарта токовая петля 4–20 мА.

Устройства HART работают в нелицензируемом диапазоне 2,4 ГГц, используемом в качестве среды передачи несколькими беспроводными технологиями, в том числе по беспроводной локальной сети.

Сходство между WirelessHART и HART позволяет беспроводным устройствам использовать существующую организацию производственного процесса, минимизирует количество изменений и расширяет возможности автоматизации процессов путем добавления беспроводных точек измерения и контроля для различных применений, включая техническое обслуживание, безопасность, охрану окружающей среды и др.

Основные характеристики системы связи, построенной по стандарту WirelessHART:

  • диапазон частот для передачи информации: 2,4 ГГц;
  • дальность связи: до 225 м;
  • низкое потребление энергии;
  • скорость передачи информации: до 250 кбит/с;
  • соответствие стандарту HART.

Технология SmartMesh IP разработана компанией Linear Technology (на сегодня — Analog Devices) и ориентирована на создание надежных беспроводных сенсорных сетей, работающих в условиях сильных помех. Основные характеристики системы связи, построенной по технологии SmartMesh IP, практически совпадают с характеристиками системы, выполненной по стандарту WirelessHART. Отличие — в соответствии стандарту IEEE 802.15.4 (технология ZigBee).

Особенности и преимущества технологии SmartMesh IP иллюстрирует рис. 1.

Сравнительные характеристики различных технологий построения беспроводных сенсорных сетей

Рис. 1. Сравнительные характеристики различных технологий построения беспроводных сенсорных сетей

Технология SmartMesh IP позволяет поддерживать топологии сети: «точка-точка», «звезда», «ячеистая» и «кластерная». IP­ сеть SmartMesh состоит из беспроводных точек доступа (Motes у Linear Technoogy), которые собирают и ретранслируют данные, и сетевого менеджера, управляющего производительностью и безопасностью сети и обменивающегося данными с хост­приложением.

Типовая топология сети SmartMesh

Рис. 2. Типовая топология сети SmartMesh

Типовая топология такой сети приведена на рис. 2. Точки доступа могут соединяться с сенсорами напрямую (рис. 3 слева) и через клиентский микроконтроллер (рис. 3 справа). При прямом соединении точки доступа с сенсором она должна содержать набор инструментальных средств разработки программного обеспечения (SDK).

Подключение точки доступа к сенсору напрямую (а) и через клиентский микроконтроллер (б)

Рис. 3. Подключение точки доступа к сенсору напрямую (слева) и через клиентский микроконтроллер (справа)

Analog Devices выпускает четыре типа универсальных модулей для построения сетей SmartMesh IP (табл. 1),

Таблица 1. Универсальные модули для построения сетей SmartMesh IP

Тип

Режим работы

Примечания

LTP5902­IPM

Точка доступа SmartMesh IP, сетевой менеджер, точка доступа

Разъем MMCX для подключения антенны

LTP5901­IPM

Встроенная антенна

LTP5900­IPM

Разъем MMCX для подключения антенны

LTC5800­IPM

ИМС, корпус QFN­72, 1×10 мм

четыре типа модулей сетевого менеджера и четыре типа модулей точек доступа для построения сетей WirelessHART (табл. 2).

Таблица 2. Универсальные модули для построения сетей WirelessHART

Тип

Функциональное назначение

Количество поддерживаемых точек доступа

Примечания

LTP5903IPC­WHRC

Сетевой менеджер

500

Разъем MMCX для подключения антенны

LTP5903IPC­WHRB

250

LTP5903CEN­WHRC

500

2dBi-диполь

LTP5903CEN­WHRB

250

LTP5902­WHM

Точка доступа

Разъем MMCX для подключения антенны

LTP5901­WHM

Встроенная антенна

LTP5900­WHM

Разъем MMCX для подключения антенны

LTC5800­WHM

ИМС, корпус QFN­72, 10×10 мм

В режиме сетевого менеджера модуль LTC5800­IPM поддерживает до 100 точек доступа на сеть, подключенную к одному шлюзу. Модули LTP5900­IPM, LTP5901­IPM и LTP5902­IPM обеспечивают до 300 точек доступа на один шлюз и позволяют объединять до 165 шлюзов в одну сеть (рис. 4).

Организация сети SmartMesh IP с помощью универсальных модулей LTP5900­IPM, LTP5901­IPM и LTP5902­IPM

Рис. 4. Организация сети SmartMesh IP с помощью универсальных модулей LTP5900­IPM, LTP5901­IPM и LTP5902­IPM

Кратко рассмотрим основные характеристики универсального модуля LTP5902­IPM [6, 7], чей внешний вид представлен на рис. 5.

Внешний вид универсального модуля LTP5902­IPM

Рис. 5. Внешний вид универсального модуля LTP5902­IPM

Основные характеристики модуля:

  • наличие приемопередатчика, встроенного процессора и сетевого программного обеспечения для формирования самовосстанавливающейся ячеистой сети SmartMesh;
  • синхронизация с сетью;
  • скачкообразная перестройка частоты передатчика;
  • высокая надежность (Н > 99,999% в самых тяжелых условиях радиообстановки);
  • возможность реализации различных топологий сети;
  • оптимизация энергопотребления;
  • безопасность, сертифицированная NIST;
  • соответствие6LoWPAN Internet Protocol (IP) иIEEE 802.15.4e;
  • ток потребления в режиме приема: не более 4,5 мА; в режиме передачи: 9,7 мА при излучаемой мощности 8 дБм;
  • сертифицирован в США, Канаде, ЕС, Японии, Тайване, Корее, Индии, Австралии и Новой Зеландии;
  • печатная плата с чип-антенной (LTP5901­IPM) или с разъемом антенны MMCX (LTP5902­IPM);
  • наличие набора для разработки програм­много обеспечения;
  • диапазон рабочих температур: –40…+85 °С;
  • габаритные размеры: 24×37 мм.

Благодаря возможности синхронизации все точки доступа в сети могут работать как маршрутизаторы или как источники данных. Малое энергопотребление позволяет обеспечить непрерывное функционирование модуля в течение нескольких лет без замены батареи питания. Модули легко настраиваются и программируются с помощью специализированного программного обеспечения.

Время, необходимое для синхронизации устройства в сети, не превышает 1 мс. При возникновении значительных радиопомех осуществляется повторная передача информации по другому пути и на другой частоте.

Сеть будет формироваться после того, как сетевой менеджер начинает отправку пакетов, содержащих информацию для синхронизации с сетью. Постоянный процесс опроса состояния сети гарантирует, что будут найдены пути передачи информации при значительных радиопомехах.

Кроме того, в сети отслеживается каждый канал, оценивается его производительность и ведется статистика (качество используемых путей, списки потенциальных путей и др.). Периодически каждая точка доступа отправляет эту информацию сетевому менеджеру в пакетах, называемых отчетами о состоянии здоровья (healthreports).

Использование режима планирования времени передачи информации позволяет устройствам находиться в спящем режиме между сеансами передачи. Программное обеспечение сетевого менеджера формирует это расписание автоматически. Интервал времени активной работы точки доступа составляет менее 1% от длительности полного цикла. А поскольку энергопотребление в спящем режиме намного меньше, чем в активном режиме, таким образом обеспечивается высокая энергоэффективность устройства.

Графики зависимости потребления энергии в различных режимах работы модуля LTP5902­IPM

Рис. 6. Графики зависимости потребления энергии в различных режимах работы модуля LTP5902­IPM

Это хорошо иллюстрируют графики энергопотребления модуля LTP5902-IPM в различных режимах работы, приведенные на рис. 6. Энергопотребление в различных режимах работы (передача, прием, прослушивание) может быть охарактеризовано либо зарядом, либо энергией [6]. В Data Sheet модуля LTP5902­IPM для оценки общего энергопотребления в различных режимах работы используется время заряда некоторого конденсатора (красные графики на рис. 5). Например, в режиме передачи весь цикл состоит из нескольких временных отрезков: времени пробуждения модуля; времени подготовки отправки сообщения; времени, необходимого для передачи сообщения; времени, отведенного для получения подтверждения о верном (или неверном) приеме сообщения; времени для последующей (после получения подтверждения) обработки результатов. Каждый из этих периодов характеризуется различным током потребления, а кривая заряда конденсатора является интегральной оценкой энергопотребления.

Больше всего времени модуль проводит в режиме ожидания, в котором, в свою очередь, спящий режим занимает свыше 80% времени.

Таблица 3. Значение тока потребления модуля LTP5902­IPM в различных режимах работы

Режим работы

Ток потребления

Примечания

Глубокий сон (Deep Sleep)

0,8 мкА

Все узлы модуля находятся в спящем режиме

Спящий режим (Doze)

1,2 мкА

Активен только узел формирования сигнала 32,768 кГц

Пиковое потребление тока

30 мА

Тактовая частота 14,7 МГц, режим передачи, запись во Flash-память, мощность излучения +8 дБм (макс.), длительность 4,33 мс

Режим передачи

5,4/9,7 мА

Мощность излучения 0/+8 дБм

Режим приема

4,5 мА

Тактовая частота 7,3728 МГц

Для оценки энергопотребления модуля LTP5902­IPM в таблице 3 приведены значения потребляемого тока в различных режимах работы. Из приведенных данных следует, что 99% времени ток потребления модуля составляет примерно 1 мкА, что и обеспечивает значительный срок службы в автономном режиме без замены батареи питания.

Структурная схема модуля приведена на рис. 7.

Структурная схема модуля LTP5902­IPM

Рис. 7. Структурная схема модуля LTP5902­IPM

Модуль LTP5902­IPM условно можно разделить на две части:

1.Цифровую, включающую процессор, Flash-память объемом 512 кбайт, контролер Flash-памяти, статическое ОЗУ объемом 72 кбайт, систему контроля тактовой частоты, цифровые модулятор и демодулятор.

2.Аналоговую, включающую:

  • в канале передачи — ЦАП, ФНЧ, смеситель, усилитель мощности (РА) и DC/DC-преобразователь;
  • в канале приема — малошумящий усилитель (LNA), два полосовых фильтра, квадратурный смеситель, ограничитель и АЦП;
  • синтезатор на основе системы ФАПЧ;
  • компоненты для ввода аналогового сигнала — усилитель, управляемый напряжением (VGA), 4-разрядный ЦАП и 10-разрядный АЦП.

Для управления и связи с внешними устройствами модуль LTP5902­IPM содержит интерфейсы:

  • UART;
  • GPIO;
  • SPI Master;
  • I2C Master;
  • 1­Wire Master.

Подробное описание модуля, режимов его работы и особенностей программирования можно найти в [6, 7].

Компания Analog Devices предлагает стартовый набор SmartMesh IP Starter Kit [8], который содержит (рис. 8):

  • один сетевой менеджер с интерфейсом USB (DC2274A­A);
  • один USB-модем (DC2274A­B);
  • пять точек доступа (DC9018B­B);
  • одну интерфейсную плату Eterna (DC9006A), которая включает плату адаптера DC9004;
  • одинадаптерEterna QuikEval (DC9005A);
  • дополнительные батареи CR2032;
  • кабели USB.
Стартовый набор SmartMesh IP Starter Kit

Рис. 8. Стартовый набор SmartMesh IP Starter Kit

С помощью данного набора удается быстро создать небольшую сеть (рис. 9) и оценить ее возможности в условиях, близких к рабочим. Графический интерфейс пользователя программного обеспечения оценки StarGazer (GUI) помогает быстро увидеть структуру сети, статистику производительности, оценить достоверность передачи данных и задержку ожидания отклика (латентность).

Организация сети SmartMesh IP с использованием стартового набора

Рис. 9. Организация сети SmartMesh IP с использованием стартового набора

Для оценки производительности сети компания Analog Devices предлагает программу SmartMesh Power and Performance Estimator [9], которая позволяет вводить различные конфигурации сети, размеры и скорости передачи отчетов данных, увидеть оценочную производительность сети, среднее потребление энергии, задержку, время формирования сети и другие параметры.

Более подробная информация о модулях, стартовом наборе и программном обеспечении представлена в [1, 2, 3, 4 5, 6, 7, 8, 9] и на сайте компании Analog Devices.

Литература
  1. www.analog.com/en/products/rf­microwave/wireless­sensor­networks/smartmesh­ip.html
  2. Олссон Д. Раскрываем тайны 6LoWPAN // Новости электроники. 2015. № 11.
  3. www.ecee.colorado.edu/~liue/teaching/comm_standards/2015S_zigbee/802.15.4­2011.pdf
  4. www.picxxx.info/pml.php?action=GETCONTENT&md5=f29dacf185ffbf54b292d486473628df
  5. www.bookasutp.ru/Chapter2_5.aspx
  6. www.analog.com/media/en/technical­documentation/data­sheets/59012ipmfa.pdf
  7. www.analog.com/media/en/technical­documentation/user­guides/SmartMesh_IP_User_s_Guide.pdf
  8. www.analog.com/en/design­center/evaluation­hardware­and­software/evaluation­boards­kits/dc9021b.html
  9. www.analog.com/media/en/simulation­models/software­and­simulation/smartmesh_power_and_performance_estimator.xls

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.