ZigBee радіомодеми
Введення
Модулі EMBEE розроблені на базі кристалів Ember і стека EmberZNet 2.5 , що дозволяє будувати дуже складні ZigBee Mesh мережі . Основна особливість Mesh мережі полягає в тому , що вона підтримує не тільки прості топології бездротового зв'язку ( « точка- точка » і « зірка» ) , але й складні бездротові мережі з ретрансляцією і маршрутизацією повідомлень з комірчастою топологією при відносно невисокому енергоспоживанні. Області застосування нової технології - це бездротові мережі датчиків , системи автоматизації будівель , пристрої автоматичного зчитування показань лічильників , охоронні системи, системи управління в промисловості.
Особливості технології
Особливість ZigBee полягає в тому , що , на відміну від інших БТ ( бездротових технологій ) , вона призначена для реалізації не тільки простих з'єднань "точка -точка » і « зірка» , але також і складних мереж з топологіями «дерево» і « чарункова мережа» , здатних підтримувати ретрансляцію і пошук найбільш ефективного маршруту для передачі даних. Мережі ZigBee є самовиникаючі і самовідновлювальні . Завдяки вбудованому програмному забезпеченню їх влаштування при включенні живлення вміють самі «знаходити» одне одного. У разі виходу з ладу будь-якого приладу вони здатні «розшукати» нові маршрути для передачі повідомлень.
Діапазон 2.4 ГГц
Найбільші швидкості передачі даних і найвища стійкість проти перешкод досягаються в діапазоні 2.4 ГГц , тому більшість виробників мікросхем випускають приймачі саме для нього. Діапазон 2.4 ГГц з самого початку був виділений в багатьох країнах для використання різними технологіями розширення спектра. У ньому на окремих частотах потужність сигналу може бути порівнянна з рівнем шуму. Приймач , « застосовуючи » закон розширення спектра , може відновити вихідний сигнал. Цей закон дозволяє більш ефективно боротися з вузькосмуговими перешкодами і допускає співіснування в одному діапазоні різних бездротових технологій.
Формування ZigBee мережі на модулях EMBEE
ZigBee мережа складається з одного координатора і одного або більше роутерів та кінцевих сплячих пристроїв. ZigBee мережа формується, коли координатор вибирає канал і PAN ID (ідентифікатор мережі). Формування мережі відбувається автоматично при підключенні роутерів та кінцевих сплячих пристроїв до координатора (рис. 1 ) . За відсутності координатора підключаються пристрої очікують його поява в мережі необмежений час . У відсутності координатора будь-який з пристроїв можна переключити в режим координатора. При заміні координатора відбувається автоматичне переформування мережі (при цьому кінцеві сплячі пристрої повинні встигнути хоча б раз прокинутися , щоб виявити відсутність координатора ) . Випадають з мережі пристрої автоматично перепідключатися . Коли мережа сформована , від пристроїв всі зв'язки прокладені тільки до координатора . Координатор може звернутися до будь-якого з пристроїв або передати дані всіх пристроїв мережі ( широкомовлення ) .
Коли роутер або оконечное спляче пристрій приєднуються до мережі , йому присвоюється 16 - розрядний адресу ( MY ) . При перепідключенні пристроїв ці адреси можуть змінюватися. Тому передача даних у мережі прив'язана до строковим ідентифікаторам ( NI ) , які користувач привласнює пристроям. Координатор завжди має нульовий 16 - розрядний адресу і не має строкового ідентифікатора. Так само кожен модуль має свій унікальний фіксований 64 - розрядний ідентифікатор ( SH , SL).
Кінцеві сплячі устрою завжди підключаються до роутерам , хоча всі зв'язки від кінцевих сплячих пристроїв прокладаються тільки до координатора . При цьому кінцеве спляче пристрій стає « дитиною» роутера. Передача і прийом даних в оконечное спляче пристрій завжди здійснюється через батьківський роутер .
Кінцеві сплячі пристрої можуть бути мобільними пристроями. Мобільний пристрій виконує всі ті ж функції , що і кінцеве спляче пристрій , але тільки призначене для переміщуваних об'єктів . Якщо перебігу 50 секунд мережа не виявила мобільний пристрій , вона видаляє його зі своїх таблиць . Кінцеві сплячі пристрої підтримують режим зниженого енергоспоживання і призначені для використання батарейного живлення .
За допомогою команди ND можна отримати інформацію про підключені пристроях до мережі . Для захисту мережевої інформації мережу можна формувати із застосуванням ключа KY . Таким чином , можна отримати унікальну мережу . Всі пристрої в мережі обов'язково повинні мати однакові CH (номер радіоканалу ) , ID (ідентифікатор мережі ) , KY ( ключ).
Рисунок 1
координатор EMBEE
Координатор (AD = C) в мережі завжди один і призначений для її формування . Після перезапуску він дозволяє іншим типам пристроїв підключатися до мережі . Координатор дозволяє підключати до мережі до 65 000 пристроїв , з яких необмежену кількість роутерів , що підключаються до координатора . Він повинен бути забезпечений постійним безперервним напругою живлення . Роутер EMBEE Роутери (AD = R) завжди приєднуються до координатора або до інших роутерам і призначені для маршрутизації даних в мережі. Після перезапуску вони дозволяють підключати до себе інші роутери або кінцеві сплячі пристрою. Кожен з роутерів дозволяє підключати до себе до 6 кінцевих сплячих пристроїв. Функція автоматичної маршрутизації в роутерах дозволяє формувати мережі необмеженої довжини і необмеженого радіуса дії будь деревовидної структури . Роутер має бути забезпечений постійним безперервним напругою живлення .
Кінцеве спляче пристрій EMBEE
Кінцеві сплячі пристрої ( AD = E) завжди приєднуються до роутерам і є кінцевим пристроєм в мережі , призначеним для роботи з батарейним харчуванням. Функція зниженого енергоспоживання дозволяє використовувати пристрій тривалий час від батарейного живлення . Мобільний спляче пристрій (AD = M) виконує всі функції кінцевого сплячого пристрою, але призначено для переміщуваних об'єктів . Якщо мобільний пристрій не звернулася до мережі в перебігу 50 секунд , мережа видаляє його зі своїх таблиць .
області застосування
Бездротова технологія ZigBee призначена для використання в системах збору даних і управління . Вона володіє малим енергоспоживанням , надійністю передачі даних і захисту інформації , сумісна з пристроями різних виробників. EMBEE модулі застосовуються в різних областях ( рис. 2 ) .
Рисунок 2
Загальні характеристики модуля
Інтелектуальний модуль EMBEE надає розробникам наступні зручності в роботі :
• автоматичне формування Mesh мережі (координатор → всіх пристроїв , координатор → пристрій, пристрій → координатор ) ;
• автоматичне переформування мережі при заміні координатора ( таке завдання може взяти на себе будь роутер ) ;
• автоматичне перепідключення випадають з мережі пристроїв;
• підтримка всіляких типів пристроїв :
• координатор ;
• роутер ;
• спляче пристрій;
• мобільний пристрій ( переміщуване спляче пристрій);
• підтримка кожним з роутерів до 6 сплячих (мобільних пристроїв);
• отримання інформації про підключені пристроях в мережі;
• можливість отримання відлуння від будь-кого від пристроїв;
• невеликі габаритні розміри ;
• АТ і АРI командні режими для конфігурування параметрів модуля і передачі даних. Загальні характеристики модуля EMBEE надані в табл. 1 .
Таблиця 1. Характеристики модуля EMBЕЕ |
|
Параметр |
EMBEE |
Продуктивність |
|
Дальність зв’язку в приміщенні, в місті |
до 100 м |
Дальність зв'язку на відкритій місцевості |
до 1800 м |
Потужність, що передається, max (встановлюється програмно) |
100 мВт (20 dBm) |
Швидкість передачі мережі |
250 Kб/с |
Швидкість передачі даних користувача в Mesh мережі |
4 800 бит/с |
Швидкість послідовного інтерфейсу ( встановлюється програмно ) |
1200 –38400 бит/с |
чутливість приймача |
–91 dBm (втрата 1 % пакетів) |
Енергетичні вимоги |
|
напруга живлення |
|
Ток передачі (в імпульсі 3 мс.) (Рвых=100мВт) |
165мА±10% (3.3 В) |
Ток очікування / прийому (усереднений ) (Рвых=100мВт) |
60мА±10% (3.3 В) |
Ток виключення |
1 мкA |
Загальні |
|
Діапазон частот |
2400-2438 МГц |
Розміри мм |
24,00 х 47,60 |
Діапазон температур |
від –40 °С до 85 °С |
Тип антени EMB-250-100СI-002 |
Інтегрована на платі , керамічна SMD |
Тип антени EMB-250-100UI-003 |
UFL роз'єм для підключення зовнішньої антени |
Мережеві можливості та безпека |
|
Топології, що підтримуються |
Mesh мережа (координатор -> всім пристроям, координатор -> пристрій, пристрій -> координатор) |
Вид модуляції |
O-QPSK |
Кількість каналів |
16 |
Кількість адрес в мережі |
65000 |
Типи адресації |
По ідентифікатору мережі (PAN ID) (з 128-бітным паролем), каналу и строковому ідентифікатору |
Практична реалізація
Після формування мережі або підключення до мережі кожен з модулів EMBEE перемикається в режим передачі даних. Необхідно тільки попередньо конфігурувати модулі , привласнити тип пристрою , встановити параметри мережі і привласнити модулю строковий ідентифікатор ( NI ) . Для конфігурації модуля його необхідно перемкнути в командний режим , використовуючи 3 - символьну командну послідовність «+ + + ».
У режимі передачі даних модуль може працювати в прозорому режимі передачі даних і в режимі API. У прозорому режимі дані, що надходять на висновок UART nDIN відправляються адресату ( строковому ідентифікатору) , встановленому в параметрі DN . Цей параметр повинен відповідати строковому ідентифікатору NI одержувача . На висновок UART nDOUT надходять вхідні дані від одержувача . На відміну від прозорого режиму , в режимі API в пакеті даних додається строковий ідентифікатор одержувача DN і повертається статус доставки даних (OK , ERROR ) . Таким чином, в режимі API додаток хоста може посилати пакети даних на модуль , що містять адресу і корисну інформацію , замість використання командного режиму.
Так само в режимі API доступні режими віддаленої запису і читання зовнішніх пристроїв модуля:
• 12 портів введення -виведення ;
• 8 каналів 10 - розрядного АЦП;
• 2 ШІМ ( Широтно- імпульсних модулятора ) .
У режимі API можна переключити модуль в режим автоматичного виведення підключених цифрових і аналогових входів на віддалений модуль . На віддалений модуль інформація може приходити на UART в форматі API або в режимі віртуального відображення відображатися на вихідних висновках віддаленого модуля. При цьому параметр IR задає частоту виведення , а параметр IU визначає висновок на UART або на порти виводу. Призначення висновків модуля EMBEE надано в табл. 2 .
Таблица 2. Призначення виводів для модуля EMBEE ( сигнали, передані низьким рівнем , підкреслені ) |
|||
№ вывода |
Название |
Направление |
Описание |
1 |
VCC |
– |
Живлення (3.3 В) |
2 |
nDOUT |
Вихід |
Вихід послідовних даних UART |
3 |
nDIN |
Вхід |
Вхід послідовних даних UART |
4 |
DIO8/NW_READY |
Вхід/Вихід |
Цифровий порт 8, готовність мережі і передачі даних |
5 |
RESET |
Вхід |
Зкидання модуля |
6 |
PWM0/RSSI |
Вхід / Вихід |
Цифровой порт 10, вихід ШИМ канала 0 або індикація сили сигнала, що приймається |
7 |
PWM1 |
Вхід / Вихід |
Цифровой порт 11, вихід ШИМ канала 1 |
8 |
DIO9 |
Вхід / Вихід |
Цифровий порт 9 |
9 |
SLEEP_RQ |
Вхід |
Контроль режиму сну |
10 |
GND |
– |
Загальний |
11 |
AD4/DIO4 |
Вхід / Вихід |
Аналоговий вхід 4 або цифровий порт 4 |
12 |
AD7/DIO7/CTS |
Вхід / Вихід |
Аналоговий вхід 7, цифровий порт 7 або сигнал CTS контроля передачі даних послідовного порту |
13 |
nSLEEP_OUT |
Вихід |
Індикатор статуса режиму сну модуля |
14 |
VREF |
Вхід |
Опорна напруга для АЦП |
15 |
AD5/DIO5 |
Вхід / Вихід |
Аналоговий вхід 5 або цифровий порт 5 |
16 |
AD6/DIO6 |
Вхід / Вихід |
Аналоговий вхід 6 або цифровий порт 6 |
17 |
AD3/DIO3 |
Вхід / Вихід |
Аналоговий вхід 3 або цифровий порт 3 |
18 |
AD2/DIO2 |
Вхід / Вихід |
Аналоговий вхід 2 або цифровий порт 2 |
19 |
AD1/DIO1 |
Вхід / Вихід |
Аналоговий вхід 1 або цифровий порт 1 |
20 |
AD0/DIO0 |
Вхід / Вихід |
Аналоговий вхід 0 або цифровий порт 0 |
Командний режим і формат AT команд
Щоб змінювати або читати параметри модуля , він повинен спочатку перейти в командний режим - стан , в якому надходять символи інтерпретуються як команди. Для переходу в командний режим необхідно видати 3 - символьну послідовність «+ + + ». Після видачі « OK » модуль переходить в командний режим. Якщо час між символами послідовності «+ + + » перевищує час, встановлений в параметрі GT ( за замовчуванням секунда ) , послідовність сприймається як дані . Символи командної послідовності можна змінити за допомогою команди CC.
Кожна АТ- команда представляє собою текстовий рядок , яка починається символами «АТ ». Далі слід код команди , пробіл , параметр команди і символи « повернення каретки » ( , код 0x0D ) , « переклад рядка » ( , код 0x0A ) (табл. 3 ) . Наприклад , команда , яка зраджує номер радіоканалу на « 0x10 » виглядатиме так : ATCH 10 . Для збереження змінених параметрів модуля в незалежній пам'яті використовується команда запису WR (Write ) . Якщо не подати команду WR , то після виключення і повторного подання харчування будуть відновлені попередні значення параметрів . Кожна подається команда спочатку розпізнається модулем і потім виконується. У разі успішного виконання модуль видасть рядок « ОК » по лінії DO. Якщо команду не вдалося виконати , повідомлення « ERROR » надходить у зовнішній мікроконтролер. Модуль виходить з командного режиму по команді « ATCN ». У командному режимі всі символи можна вводити як у верхньому , так і в нижньому регістрі клавіатури . Відповідає модуль числовими значеннями шістнадцятирічного і десяткового обчислення верхнього регістру і символьними значеннями нижнього регістру.
У табл. 3 - 6 наведені приклади програмування модуля.
Таблица 3. Конфігурування координатора |
|
АТ-команда, що відправляється |
Відповідь модуля |
+++ |
OK (Ввійшли в командний режим) |
ATAD C |
OK (Встановити тип пристрою — координатор) |
ATCH 10 |
OK (Змінити значенння CH (номер канала) на 0x10) |
ATID 2222 |
OK (Установити ідентифікатор мережі — 0x2222) |
ATKY 1234567890 |
OK (Установити ключ — 0x1234567890) |
ATWR |
OK (записати в енергозалежну пам’ять) |
ATFR |
OK (Перезапустити модуль) |
|
|
Таблиця 4. Конфігурування роутера |
|
АТ-команда, що відправляється |
Відповідь модуля |
+++ |
OK (Ввійшли в команднй режим) |
ATAD R |
OK (Установити тип пристрою — роутер) |
ATCH 10 |
OK (Змінити значення CH на 0x10) |
ATID 2222 |
OK (Установити ідентифікатор мережі — 0x2222) |
ATKY 1234567890 |
OK (Установити ключ — 0x1234567890) |
ATNI router1 |
OK (Присвоїти строковий ідентифікатор — router1) |
ATWR |
OK (записати в енергонзалежну пам’ять) |
ATFR |
OK (Перезапустити модуль) |
Таблиця 5. Передача даних від координатора роутеру (прозорий режим AP = 0) |
|
Команда, що відправляється/дані |
Відповідь модуля |
|
OK (Готовність мережі) |
+++ |
OK (Ввійшли в командний режим) |
ATDN router1 |
OK (Установити вузол призначення — router1) |
ATCN |
OK (Вийти із командного режима) |
12345 |
(Послідовність 12345 видається в роутер) |
|
|
Таблиця 6. Передача даних від координатора роутеру (API режим AP = 1) |
|
Команда, що відправляється/дані |
Відповідь модуля |
|
OK (Готовність мережі) |
+++ |
OK (Ввійшли в командний режим) |
ATAP 1 |
OK (Включити API режим) |
ATRO 1000 |
OK (Установити затримку видачі пакета 4 сек) |
ATCN |
OK (Вийти із командного режима) |
router112345 |
(Через 4 с. послідовність 12345 видається в роутер) OK — норма ERROR — помилка |
Рисунок 3
Налагоджувальні засоби
Для відпрацювання технічних рішень розробникам надається отладочная плата EMBEE -T ( рис. 3 ) . UART модуля EMBEE за допомогою такої плати можна підключити до персонального комп'ютера через RS- 232 або USB. При підключенні через RS- 232 на плату необхідно подати постійну напругу живлення 5-25 В. Усі висновки модуля виведені на тестовий роз'єм для відпрацювання технічних рішень. На платі так само присутні додаткові кнопки і світлодіоди для управління і відображення портів введення -виведення . Конфігурування модуля і передачу даних можна реалізувати за допомогою будь-якого терміналу , що працює в операційній системі Windows.
Для відпрацювання технічних рішень та отримання мережевої інформації про кожному пристрої користувачам надається тестове програмне забезпечення «EMBEE Radio Sniffer» (рис. 4 ) . Програма « EMBEE Radio Sniffer » дозволяє:
· Підключати до радіомодему , зчитувати і змінювати основні параметри мережі .
· Швидко налаштовувати модем , використовуючи файл з мережевими настройками ( для підготовки радіомодема для роботи у вже існуючій мережі).
· Скидати налаштування радіомодема до стандартних значень.
· Має вбудований термінал для роботи за допомогою АТ - команд.
· Режим « Sniffer » необхідний для обстеження об'єкта. Дозволяє перевіряти рівень і якість радіосигналу в реальних умовах.
" Sniffer " - Цей режим призначений для перемикання роутера в режим сніфферу і для перемикання координатора в режим постійного автовивода з 15 с. інтервалом .
· Роутер .
Після включення режиму сніфферу кнопка приймає позначення "Stop" . При повторному натисканні режим сніфферу буде відключений . При запуску сніфферу у вікнах графіків " RSSI " , " LQI " відображаються рівні потужності ( RSSI ) і якості ( LQI ) мережі відповідно.
Для параметра RSSI значення -90 дБм приймає мінімальне значення , а -25 дБм максимальне значення потужності.
Для параметра LQI значення 255 приймає найкращу якість сигналу ( без втрат) і 0 приймає найгірше значення сигналу ( максимальне число втрат).
· Координатор.
Режим автовивода в координатора необхідний для відображення сніффером потужності
( RSSI ) і якості ( LQI ) прийнятого сигналу з постійним 15 с. інтервалом .
При відключеному режимі автовивода координатор звертається до мережі перші 5 хвилин після включення живлення з періодом 15 сек , після чого період змінюється на 1 хвилину .
При натисканні на кнопку " Sniffer " при відключеному режимі автовивода видається запит на включення режиму - " Mode Auto off . Switch on ? " . "Yes" включає режим , " No" скасовує включення . При натисканні на кнопку " Sniffer " при включеному режимі автовивода видається запит на вимикання режиму - " Mode Auto on . Switch off ? " . "Yes " відключає режим , " No" скасовує відключення .
Рисунок 4
Купити продукцію компанії EMBEE можна у нас. Менеджер напрямку Василь Козлов , контакти:
vk@rcscomponents.kiev.ua
тел. : +38-044-220-01-72