Готовые решения компании easyRF для IoT

Введение

Концепция IoT подразумевает использование глобальной сети для решения задач мониторинга, измерения, управления и объединения практически любых устройств, обмен информацией между которыми имеет смысл. В одних случаях передаваемая информация может являться результатом выполнения основной функции устройства (различные датчики и измерительные модули), в другом случае это вспомогательные данные, повышающие удобство эксплуатации, например сервисные уведомления о текущем состоянии оборудования.

Процесс подключения отдельных элементов к сети стартовал примерно десять лет назад. Изначально это были проводные сети доступа к энергетическому оборудованию и к дорогостоящей промышленной технологической аппаратуре. Последние пять лет в мире стремительно растет число M2M-сетей, объединяющих счетчики энергии, развиваются навигационные сервисы слежения за автомобильным транспортом и беспроводные системы безопасности. По оценкам экспертов аналитической компании J’son &Partners Consulting, занимающейся маркетинговыми исследованиями технологий, в 2015 г. объем рынка IoT превысил 16 млрд устройств, что в денежном выражении составило $109 млрд. Прогноз на 2020 г. предполагает плавную эволюцию, ожидается, что мировой спрос на такие устройства вырастет до 34 млрд шт. общей стоимостью около $359 млрд (рис. 1).

Рис. 1. Динамика роста и структура IoT (по данным J’son & Partners Consulting)

Существенный рост числа объединенных в сеть приборов стал возможен благодаря развитию беспроводных технологий. Электронные компоненты для беспроводной передачи данных занимают видное место в линейках всех без исключения крупных производителей микросхем. Также в структуре компаний появляются специализированные подразделения, ориентированные исключительно на проектирование и производство решений для IoT, а молодые фирмы, имеющие оригинальные разработки в этой сфере, активно раскупаются крупными игроками.

В настоящее время IoT особенно востребован в таких областях, как медицина, безопасность, промышленная автоматизация, интеллектуальные сети, удаленное управление объектами, инженерные и охранные системы зданий. Все эти применения требуют наличия высокоинтегрированных компонентов передачи и обработки данных с малыми габаритными размерами и низким собственным энергопотреблением для увеличения срока автономной работы. Кроме того, современные беспроводные устройства для Интернета вещей должны удовлетворять следующим требованиям:

• максимально возможная дальность устойчивой связи;
• минимальная цена беспроводного модуля для каждого класса изделий;
• простота и надежность эксплуатации;
• обеспечение информационной безопасности соединения;
• возможность масштабирования без значительных дополнительных затрат;
• соответствие международным стандартам.

Решение всех вышеперечисленных задач является обязательным условием для вывода конкурентоспособного изделия на такой насыщенный рынок.

Компания easyRF осуществляет разработку и изготовление беспроводных коммуникационных устройств [1]. Приоритетные сферы применения промышленное оборудование, системы безопасности и автоматизация зданий. В каталоге продукции компании готовые к эксплуатации беспроводные модули на основе микросхем известных производителей, а также спроектированные на заказ аппаратные решения, изготовленные в соответствии с требованиями потребителей. Отличительной особенностью устройств являются контроль качества на всех стадиях производства, отличная техническая поддержка, привлекательные цены и гибкая система скидок.

Однокристальные трансиверы easyRF в модульном исполнении

В настоящее время доступно множество компонентов для построения систем беспроводной связи. Наиболее распространенные среди них однокристальные трансиверы, в которых все необходимые узлы приемопередатчиков объединены в одном корпусе. Полученные микросхемы можно использовать в собственных разработках, но более перспективным и экономически выгодным способом является применение компактных модулей на их основе, не требующих дополнительного расчета, разводки и распайки внешних согласующих цепей. Как правило, для внедрения таких модулей в проектируемые устройства необходима только антенна, рассчитанная на соответствующий частотный диапазон.

Малогабаритные полнофункциональные модули ERF2000 и ERF2001 с чувствительностью приема до -126 дБм и программируемой выходной мощностью передатчика идеально подходят для реализации двухсторонней связи на небольшие расстояния [2, 3]. Они поддерживают пакетную и беспакетную обработку данных с огромным числом настроек и уровней автоматизации, выпускаются с контактами под поверхностный монтаж и имеют сертификацию FCC, ETSI, ARIB и 802.15.4d. Диапазон питающих напряжений 1,8-3,6 В и гибкая система настройки собственного энергопотребления позволяют использовать их в устройствах с батарейным питанием. Основные рабочие характеристики, напрямую зависящие от базового чипа, представлены в таблице 1.

Базовыми чипами модулей являются однокристальные трансиверы компании Silicon Labs: Si4431 у ERF2000 и Si4460 у ERF2001. В общем случае они предназначены для эксплуатации в диапазонах 240-930 и 142-1050 МГц соответственно, но в данных применениях номиналы и основные параметры их пассивной обвязки адаптированы под частоту 868 МГц. Оба трансивера поддерживают модуляции типов FSK, GFSK и OOK и имеют возможность псевдо­случайной перестройки рабочей частоты (FHSS), что позволяет повысить эффективность приема/передачи данных в каналах, подверженных сильным замираниям. Скорость передачи устанавливается пользователем, максимальное значение не превышает 1 Мбит/с (у модуля ERF2001). Структурные схемы, за редким исключением, идентичны. Рассмотрим основные блоки и их взаимодействие на примере ИС Si4431 (рис. 2).

Рис. 2. Внутренняя структура однокристального трансивера Si4431

Трансивер Si4431работает с временным разделением каналов приема и передачи [4]. В режиме приема при помощи смесителей выполняется квадратурное преобразование с однократным понижением частоты входного FSK/GFSK/OOK модулированного сигнала. Такая схема получила наибольшее распространение в современных однокристальных решениях, поскольку позволяет реализовать лучшие характеристики радиоприемного тракта в плане чувствительности и избирательности по соседнему каналу по сравнению со схемой прямого преобразования.

Полученные сигналы промежуточной частоты после усилителей с программируемым коэффициентом (PGA) поступают на высокопроизводительный двухканальный DSАЦП, где переводятся в цифровое представление. Программируемые и входной малошумящий (LNA) усилители охвачены цепью обратной связи, обеспечивающей автоматическую регулировку усиления. Встроенный цифровой сигнальный процессор (DSP) реализует функции фильтрации, демодуляции и обработки пакета данных, в том числе детектирования преамбулы и индикации мощности принимаемого сигнала (RSSI) с разрешением 0,5 дБ. Параметры цифрового фильтра зависят от заданного вида модуляции, его полоса пропускания программируется в пределах от 2,6 до 620 кГц. Обработанное значение демодулированного сигнала может быть передано на управляющий микроконтроллер посредством последовательного интерфейса связи SPI.

Так как приемник и передатчик не функционируют одновременно, то для обеспечения их работы используется один прецизионный гетеродин. Блок гетеродина образуется из встроенного генератора, управляемого напряжением (VCO), и синтезатора с ФАПЧ, имеющего дробный коэффициент деления частоты. Генерируемый сигнал с высокой разрешающей способностью (шаг 312 Гц) используется для получения конфигурируемых значений скорости передачи данных, рабочей частоты и ее девиации. Основным источником тактовых импульсов для синтезатора частоты является кварцевый генератор на 30 МГц, который также обеспечивает синхронизацию цифровой части микросхемы.

В радиопередающем тракте сигнал гетеродина модулируется с помощью цифрового модулятора и через усилитель мощности (PA) подается на выход передатчика. Для проверки целостности передаваемых данных выполняется автоматическая генерация циклической контрольной суммы CRC. При использовании GFSK-модуляции подключается фильтр низких частот Гаусса для устранения нежелательных спектральных составляющих. Программируемые значения выходной мощности в пределах от -8 до +13 дБм с шагом 3 дБ и возможность подключения различных антенн позволяют оптимизировать характеристики модулей для каждого конкретного приложения. Для упрощения согласования с антенной выход УМ сделан несимметричным.

В трансивер также интегрированы датчик температуры с погрешностью измерения 0,5 °C во всем диапазоне рабочих температур и 8-битный АЦП, помогающие уменьшить габариты и стоимость изделия. Конфигурируемые выводы общего назначения, каждый из которых можно независимо запрограммировать на выполнение определенной функции, полезны при организации взаимодействия с управляющим контроллером. Ряд дополнительных опций трансивера, таких как таймер запуска, цепь определения низкого заряда батареи, генерирующая сигнал прерывания при достижении заданного порога, FIFO TX/RX буфер размером 64 байт, позволяют использовать для управления недорогой микроконтроллер. Электрическая принципиальная схема модуля ERF2000 и его соединение с микроконтроллером показаны на рис. 3.

Рис. 3. Внутренняя структура и схема подключения модуля ERF2000

Цепь согласования импедансов C4, C5, L5, L6 обеспечивает согласование входа приемника с антенной и выходным фильтром передатчика C1-C3, L2-L4. Дроссель L1 является нагрузкой выходного каскада передатчика. Номиналы C1-C5 и L1-L6 зависят от диапазона частот и режима выходного каскада. Нагрузочные конденсаторы для кристалла кварца интегрированы в микросхему трансивера. Они могут программно подстраиваться для компенсации ухода частоты задающего генератора при изменении температуры окружающей среды или корпуса в процессе работы путем использования встроенного датчика температуры.

Однокристальные радиомодули easyRF с интегрированным микроконтроллером

Данная линейка продукции представлена тремя модулями: ERF1000, ERF1001 и ERF1002, рассчитанными на наиболее популярные нелицензируемые ISM-частоты: 2400, 433 и 868 МГц соответственно [5, 6, 7]. Они могут найти применение в различных IoT-системах: домашней автоматизации, оборудовании для удаленного мониторинга, беспроводной передачи данных, системах промышленного управления и контроля, медицинской аппаратуре и т. д. Радиомодули представляют собой полностью завершенные решения, применение которых позволяет уменьшить сроки разработки, решить ряд вопросов по сертификации, а также быстро реализовать мелкосерийные проекты. Все необходимые для работы беспроводного узла сети компоненты сгруппированы на малогабаритной печатной плате размерами 15×16 мм. Устройства с такими габаритами могут быть размещены в непосредственной близости к компактным датчикам и прочим IoT-компонентам. Диапазон рабочих температур промышленный (-40…+85 °С). Основные параметры как радиочастотной части, так и встроенного процессорного ядра показаны в таблице 2.

В качестве примера рассмотрим характеристики модуля ERF1000 (рис. 4). Он изготавливается с применением микросхем нового семейства систем-на-кристалле (System-on- Chip, SoC) SAMR21, представленного компанией Atmel в 2015 г. [8]. Его основное назначение построение интеллектуальных сетей беспроводных датчиков и исполнительных устройств с аккумуляторным питанием. Используемое в модуле однокристальное решение представляет собой микроконтроллер на базе ядра CortexM0+ (максимальная тактовая частота 48 МГц) и интегрированный радиотрансивер AT86RF233 с несущей частотой 2,4 ГГц, максимальной выходной мощностью +4 дБм, чувствительностью приема -99 дБм и скоростью передачи данных до 250 кбит/с.

Рис. 4. Структурная схема модуля ERF1000

За радиочастотные параметры модуля отвечает AT86RF233 многофункциональный малопотребляющий приемопередатчик, ориентированный на применение в промышленных и потребительских приложениях стандартов IEEE 802.15.4, ZigBee, 6LoWPAN и оборудовании ISM-диапазона частот. Помимо приемника и передатчика, он содержит цифровой блок модуляции/демодуляции и цепь синтезатора частоты с ФАПЧ. Двунаправленные дифференциальные линии подключения антенны позволяют отказаться от использования внешнего переключателя антенны. Приемник и передатчик оснащены FIFO-буферами по 128 байт RAM. Встроенная схема управления напряжением питания, состоящая из LDO-регуляторов, обеспечивает питание аналоговой и цифровой части ИС от шины питания напряжением 1,8-3,6 В.

Другие особенности:

• программируемая выходная мощность передатчика от -17 до +4 дБм;
• простой в использовании интерфейс управления регистрами, буферами данных и модулем кодирования AES посредством скоростного SPI;
• возможность использования скачкообразной смены частоты;
• схема мониторинга заряда батареи и быстрый выход из режима сна (менее 0,4 мс);
• 128-битный аппаратный модуль шифрования по стандарту AES для защиты данных;
• наличие функции разнесенной антенны, улучшающей характеристики радиоканала и надежность связи;
• несколько режимов пониженного энерго­потребления для увеличения срока автономной работы.

Характеристики интегрированного микроконтроллера аналогичны параметрам 32-битного семейства SAMD21 компании Atmel. Его отличительной особенностью является наличие модулей последовательного коммуникационного интерфейса (SERCOM), полностью програм­мно конфигурируемых для работы с шинами I2C, USART/UART и SPI. Благодаря четырем имеющимся на борту модулям SERCOM, разработчик может гибко адаптировать различные периферийные узлы под задачи конкретного приложения, при этом существует возможность выбора используемых выводов. 12-канальный контроллер прямого доступа к памяти (DMA) разгружает процессор от обслуживания операций ввода/вывода, способствуя увеличению общей производительности. С помощью аппаратно реализованного контроллера AtmelQTouch можно создавать сенсорные интерфейсы с большим количеством элементов управления (кнопок, слайдеров, дисковых элементов ввода и т. д.). Контроллер отличается высокой чувствительностью и стойкостью к помехам, а также имеет схему автоматической калибровки, устраняя тем самым необходимость пользовательской настройки. Встроенный микроконтроллер также оснащен полноскоростным (12 Мбит/с) интерфейсом USB 2.0 с поддержкой режимов USB Device и USB Host.

Главное же нововведение использование высокоэффективного ядра Cortex-M0+ с оптимизированными системами питания и тактирования. Пониженное энергопотребление достигается использованием системы событий, позволяющей периферийным блокам взаимодействовать между собой без участия ЦПУ и выводить его из режима сна только в заранее определенных случаях. Объема интегрированной flash-памяти (256 кбайт) достаточно для программного решения задач обработки полученных данных, также она может использоваться для прошивки стека выбранного протокола. Аналоговая периферия представлена восьмиканальным 12-битным АЦП общего назначения и двумя компараторами. Порты ввода/вывода могут использоваться для обмена данными с внешними устройствами, обработки внешних прерываний или в качестве ШИМ-выходов нескольких таймеров.

Демонстрационные платы для модуля ERF1000

Рис. 5. Внешний вид отладочной платы на базе модуля ERF1000

Оценочные платы позволяют продемонстрировать все возможности модуля ERF1000. Для максимально быстрого внедрения модулей в проекты комплект поставки содержит одну плату с Ethernet-интерфейсом (рис. 5), выступающую в качестве шлюза, и две упрощенные платы, предназначенные для применения в оконечных узлах сети [9]. Также в комплект поставки входят:

• антенна на 2,4 ГГц;
• JTAG-программатор/отладчик;
• преобразователь напряжения с питанием от USB-порта.

Каждая плата включает в себя богатый набор аппаратных интерфейсов: для связи с внешними устройствами USB, RS-232, RS-485, IrDa и JTAG для отладки встроенного ПО. Графический LCD-экран, джойстик и сенсорный поворотный переключатель помогают организовать удобный интерфейс пользователя. Широкий спектр датчиков в интегральном исполнении (освещенности, приближения, давления, влажности), а также 3D-акселерометр, гироскоп и магнитометр позволяет выполнить тестовый сбор типовых данных с удаленных узлов.

Рис. 6. Беспроводная сеть с применением оценочных плат

В некоторых применениях демонстрационную плату можно использовать непосредственно в своих устройствах без внесения дополнительных исправлений в конструкцию и схемотехнические решения (рис. 6). Этому способствует наличие готовых программных решений. Серверная часть написана с использованием популярного фреймворка Node JS Express, клиентская на основе Angular JS и Bootstrap CSS. Из других особенностей интересны полная поддержка протоколов IPv4 и IPv6, возможность применения в самосинхронизирующихся многоячейковых сетях и удаленного обновления встроенного ПО, а также использование HTTP для легкой интеграции в веб-сервисы.

Заключение

Рост числа устройств, подключенных к IoT, способствует широкому использованию малогабаритных изделий беспроводной передачи данных. Модули компании easyRF, построенные на основе микросхем известных производителей, отличаются широкими функциональными возможностями, простым цифровым интерфейсом и очень малым током потребления. Они оптимально подходят для недорогих компактных автономных устройств, входящих в состав беспроводных сетей различного типа.