Внимание! Отгрузка заказов 30 и 31 марта будет отложена из-за технических работ на территории склада. Пожалуйста, обратитесь к вашему менеджеру для переноса даты отгрузки скомплектованных заказов на более ранние даты, если это необходимо.

№2 / 2017 Статья 7 IoT: как совместить передачу данных на большое расстояние и подключение смартфона?

, ,

Инженеры Texas Instruments рассказывают, как на базе нового двухдиапазонного сетевого микроконтроллера СС1350 организовать беспроводную сеть, сочетающую дальние расстояния передачи и эффективное взаимодействие с управляющим процессами и отображающим информацию мобильным устройством.

В современном мире Интернета вещей (IoT) на рынке ежедневно появляется множество новых беспроводных приложений, осуществляющих непрерывный сбор информации от датчиков и двусторонний обмен данными. С нашего смартфона мы получаем информацию о том, например, какие мероприятия были предприняты в нашей системе безопасности, сообщения о том, что ни одно из окон в помещении не осталось открытым. Уведомления, присылаемые системой безопасности с использованием беспроводных сетей, помогают сделать нашу каждодневную жизнь комфортной. Тенденция сбора все большего количества дополнительной информации ведет к ежедневному взаимодействию с различными беспроводными устройствами. В течение одного дня человек может взаимодействовать с более чем 100 устройствами, использующими несколько беспроводных протоколов или стандартов. На сегодняшний день различные беспроводные сети, например, системы безопасности дома и автомобильные и офисные сети очень мало взаимодействуют друг с другом. Переключение между различными диапазонами частот и разными сетями создает некоторые неудобства, связанные с использованием разных интерфейсов, вследствие чего возникает вопрос – как добиться более тесного взаимодействия между этими сетями? Основная проблема в межсетевых взаимодействиях состоит в отсутствии переключения с диапазона 2,4 ГГц на субгигагерцевый диапазон.

Субгигагерцевый диапазон: большая дальность связи при низкой мощности передатчика

Существует значительное число беспроводных устройств, для которых дальность связи имеет намного большее значение, чем высокая пропускная способность канала связи. К подобным устройствам относятся, например, интеллектуальные приборы учета электроэнергии, извещатели в системах охранной сигнализации или датчики температуры в системах домашней автоматизации. В этих приложениях субгигагерцевый диапазон ISM (433/868/915 МГц), выделенный для промышленных, научных и медицинских беспроводных устройств, обеспечивает значительно большую дальность связи, чем диапазон 2,4 ГГц, что обусловлено физическими свойствами радиоволн на более низких частотах. Теоретически в свободном пространстве при том же коэффициенте усиления антенны уменьшение рабочей частоты вдвое увеличивает дальность связи в два раза. Еще одним важным фактором является то, что более длинные радиоволны имеют возможность проходить сквозь стены и огибать препятствия.

Определенную роль в увеличении дальности связи играет также низкая скорость передачи данных, так как чувствительность приемника существенно зависит от этого параметра. Согласно эмпирическому правилу, уменьшение скорости передачи в четыре раза увеличивает вдвое дальность связи в свободном пространстве. И, наконец, вследствие малой длительности рабочего цикла, разрешенной в субгигагерцевом диапазоне, у низкоскоростных каналов передачи данных меньше проблем с нарушениями связи по сравнению с диапазоном 2,4 ГГц, где они, в основном, обусловлены работой устройств Wi-Fi®. Более низкие рабочие частоты позволяют также ограничить потребляемый ток, что позволяет продлить срок службы батареи и использовать литиевые элементы питания меньших размеров.

Однако получение данных из субгигагерцевой сети может оказаться непростой задачей для интеллектуальных устройств пользователя ввиду того, что они, как правило, не охватывают субгигагерцевый диапазон ISM. По этой причине Bluetooth® с низким энергопотреблением стал де-факто стандартом для двухдиапазонных МК беспроводной сети, служащих в качестве моста между устройствами, работающими в двух разных диапазонах. В настоящее время на рынке представлен микроконтроллер CC1350 (Texas Instruments), работающий в субгигагерцевом диапазоне частот и в стандарте Bluetooth с низким энергопотреблением (Bluetooth Low Energy, BLE). МК CC1350 способен передавать сигнал с уровнем +10 дБм, потребляя при этом ток до 15 мА, что является допустимым значением при питании от литиевой батареи. Используя низкоскоростную передачу данных, можно получить дальность связи по прямой видимости свыше 20 км с передатчиком, поднятым над поверхностью земли, при этом ток потребления приемника составит 5,4 мА при питании от литиевой батареи.

Проблемы, связанные с работой в субгигагерцевом диапазоне

Преимущества субгигагерцевого диапазона вполне очевидны, однако ему присущи также определенные недостатки. Например, смартфон – одно из основных устройств, используемых в нашей повседневной жизни – не поддерживает субгигагерцевый диапазон. По факту, смартфоны способны осуществлять связь с беспроводными устройствами, используя лицензированные диапазоны (GPRS, 3G и LTE) для получения максимальной дальности, однако они не используют субгигагерцевый диапазон ISM. Очевидным преимуществом технологий Wi-Fi и Bluetooth является то, что они имеются в виде стандартных функций в любом смартфоне, представленном на сегодняшний день на рынке.

Решением данной проблемы является объединение преимуществ двух диапазонов – субгигагерцевого для получения максимальной дальности связи с низким энергопотреблением и диапазона 2,4 ГГц с использованием технологии Bluetooth с низким энергопотреблением для связи со смартфоном, планшетом и персональным компьютером (ПК). Компания Texas Instruments представляет первый на рынке МК беспроводной сети CC1350, совмещающий на одном кристалле высокопроизводительный процессор ARM® Cortex®-M3, контроллер датчиков с низким энергопотреблением и маломощный двухдиапазонный трансивер.

CC1350 – двухдиапазонный МК

МК беспроводной сети CC1350 (рисунок 1) представляет собой полностью однокристальное устройство в миниатюрном корпусе QFN с минимальным посадочным местом на плате 4х4 мм. При необходимости использования большего числа портов ввода/вывода можно использовать МК в корпусе QFN размером 7х7 мм. Процессор приложений ARM Cortex-M3 имеет в своем составе128 кбайт Flash-памяти программ, 20 кбайт статической оперативной памяти данных (ОЗУ) со сверхнизким энергопотреблением и дополнительно ОЗУ объемом 8 кбайт, используемое в качестве кеш-памяти (также может быть использовано как обычное ОЗУ). Радиочастотный блок МК содержит полный тракт приемопередатчика, охватывающего субгигагерцевые поддипазоны 315, 433, 470, 868 и 915 МГц, а также диапазон 2,4 ГГц. Радиочастотный блок включает в себя модем с гибкой программной настройкой конфигурации, обеспечивающей скорость передачи данных от нескольких сотен бит/с до 4 Мбит/с и несколько форматов модуляции от «простой» коммутации (вкл-выкл), до (G)FSK, (G)MSK, 4-(G)FSK и CPM (shaped 8-FSK). Основное преимущество гибко программируемого радиочастотного блока состоит в поддержке большого количества представленных на рынке субгигагерцевых беспроводных устройств прежнего поколения, а также в возможности программной настройки радиочастотного блока для соответствия существующим стандартам. Одним из наглядных примеров гибкой настройки конфигурации является то, что для работы МК CC1350 в новых режимах связи большой дальности или высокоскоростного режима передачи данных, представленного Bluetooth SIG в июне 2016 г. (Bluetooth 5.0), достаточно всего лишь обновить встроенное программное обеспечение МК.

Рис. 1. Структурная схема МК CC1350

Рис. 1. Структурная схема МК CC1350

Встроенное в радиочастотный блок процессорное ядро ARM Cortex-M0 работает под управлением программы, записанной в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), и обеспечивает поддержку низкоуровневых функций протоколов Bluetooth и собственных протоколов TI для беспроводной передачи данных, что позволяет разгрузить основное процессорное ядро ARM Cortex-M3 от выполнения критичных по времени задач. Система питания построена на преобразователе постоянного напряжения (DC/DC), тесно интегрированного со схемой управления. Преобразователь напряжения работает во всех режимах, включая дежурный, что обеспечивает малое энергопотребление, а также стабильность характеристик радиосвязи независимо от падения напряжения батареи.

Встроенное ПЗУ МК CC1350

Встроенное ПЗУ МК CC1350 имеет объем более 200 кбайт и поддерживает следующие функции:

  • операционную систему (ОС) реального времени TI-RTOS;
  • библиотеку низкоуровневых драйверов SPI, UART и других устройств;
  • функции шифрования;
  • функции низкого уровня и некоторые функции высокого уровня стека протоколов Bluetooth.

Необходимо отметить, что программное обеспечение ПЗУ может быть модифицировано c помощью механизма программной коррекции (патчей) из функций во Flash-памяти.

Сверхнизкое энергопотребление

МК CC1350 обеспечивает сверхмалый ток потребления во всех режимах работы как процессорного ядра, так и радиочастотного блока, что иллюстрирует рисунок 2.

Рис. 2. Сверхмалый ток потребления во всех режимах работы CC1350

Рис. 2. Сверхмалый ток потребления во всех режимах работы CC1350

Контроллер датчиков

Контроллер датчиков представляет собой встроенный в устройства серии CC13xx небольшой оптимизированный по энергопотреблению 16-разрядный МК с интерфейсами для обработки сигналов малопотребляющих аналоговых и цифровых датчиков. Программирование контроллера датчиков осуществляется посредством программной среды Sensor Controller Studio, в которой пользователь может самостоятельно выбрать заранее определенные функции для различных периферийных устройств. Данная программная среда предоставляет также примеры программной поддержки интерфейсов датчиков общего применения – работу с АЦП (потоковое чтение, протоколирование, функция двухпорогового компаратора) и работу с цифровыми датчиками по интерфейсам I2C/SPI. На рисунке 3 показан примерный вид окна программы Sensor Controller Studio.

Рис. 3. Окно программы Sensor Controller Studio

Рис. 3. Окно программы Sensor Controller Studio

Простое в использовании ПО и его техподдержка

Для малопотребляющего МК CC2540 с поддержкой Bluetooth компания TI выпустила один из первых сертифицированных стеков протоколов BLE. Программный стек получил дальнейшее развитие для поддержки появившейся в 2015 г. платформы CC26xx. В настоящее время программный стек доступен также для МК CC1350 и обладает теми же функциями, что и Bluetooth 4.2 – от применения в виде «простых» маячков до полнофункционального двустороннего соединения. Все программные стеки компании TI, поддерживающие устройства беспроводных сетей, используют свободно распространяемую операционную систему (ОС) реального времени TI-RTOS, также разработанную компанией TI. ОС TI-RTOS распространяется в соответствии с п. 3 лицензии BSD (программная лицензия университета Беркли), что означает предоставление полного доступа к исходному коду. Для упрощения разработки приложений компания TI разработала большой набор драйверов периферийных устройств, в том числе – драйверов, оптимизирующих работу радиочастотного блока МК, что позволяет разработчикам сосредоточиться исключительно на решении задач, связанных с работой приложения. Для МК серий CC13xx и CC26xx, работающих под управлением TI-RTOS, компания TI предлагает комплекты разработки программного обеспечения (SDK), включающие в себя большое число примеров для быстрого освоения программных продуктов. Примеры реализации беспроводных приложений представлены с целью демонстрации возможностей использования различных драйверов с оптимизированной производительностью и являются хорошей отправной точкой для разработки собственных беспроводных систем. При разработке новых систем, не требующих поддержки устройств предыдущего поколения, отличным решением является новый программный стек TI-15.4, являющийся реализацией стандарта IEEE 802.15.4g/e и поддерживающий сетевые топологии типа «звезда». Стек TI-15.4 распространяется бесплатно в двух версиях:

  • в версии, оптимизированной в соответствии с нормативными документами ЕС (ETSI) и использующей быструю перестройку частоты и технологию LBT (прослушивание канала перед включением передатчика);
  • в версии, оптимизированной в соответствии с нормативными документами США (FCC) и использующей скачкообразное изменение частоты для получения максимальной выходной мощности.

Варианты совместного использования субгигагерцевой сети и соединения по протоколам BLE

Работа МК CC1350 в субгигагерцевом диапазоне и поддержка протоколов BLE открывает много возможностей, основные из которых перечислены ниже.

Монтаж, ввод в эксплуатацию, техническое обслуживание и диагностика субгигагерцевых сетей. На этапе монтажа и ввода в эксплуатацию большая дальность связи устройств субгигагерцевого диапазона может оказаться недостатком, так как пользователю необходимо настроить узлы только своей сети, не захватывая при этом соседнюю сеть, которая может использовать тот же набор устройств. Использование смартфона с меньшей дальностью связи, но значительно более высокой скоростью передачи данных по протоколу Bluetooth, а также наличие экрана большого размера в смартфоне намного упрощают настройку узлов в сети (рисунок 4). С помощью смартфона, подключенного к сети Интернет, проще загружать новое программное обеспечение в конечные беспроводные устройства, а также осуществлять сбор диагностической информации. Такие действия могут осуществляться в беспроводных системах, установленных специализированными компаниями, а также выполняться пользователем самостоятельно, например:

  • пользователь приобрел два комплекта дымовых извещателей, предварительно сконфигурированных для совместной работы в беспроводной сети субгигагерцевого диапазона, а затем обнаружил, что ему необходимо еще одно устройство, которое он хотел бы подключить к той же сети.
  • другим примером является установка пользователем или специализированной компанией системы охранной сигнализации или системы домашней автоматизации.
Программное обеспечение Bluetooth: стек двустороннего соединения. Программное обеспечение субгигагерцевой сети: стек протокола TI 15.4 или протоколов предыдущего поколения

Программное обеспечение Bluetooth: стек двустороннего соединения. Программное обеспечение субгигагерцевой сети: стек протокола TI 15.4 или протоколов предыдущего поколения

Обновление встроенного программного обеспечения. Для обеспечения наилучшей производительности в течение всего срока службы сетевого устройства решающее значение имеет возможность удаленного обновления встроенного программного обеспечения по технологии OTA (Over-the-air). Обновление встроенного программного обеспечения позволяет также добавлять новые функции уже установленным на объектах сетевым устройствам. Благодаря более высокой скорости передачи данных, осуществляемой по Bluetooth, обновление встроенного программного обеспечения может быть сделано намного быстрее. Система может включать в себя устройства, в которых программное обеспечение обновляется по субгигагерцевой сети или посредством соединения по Bluetooth с низким энергопотреблением, что дает большую гибкость для пользователей. Одним из примеров обновления по технологии OTA с использованием Bluetooth может быть следующий сценарий: устройство получает команду через интерфейс субгигагерцевой сети переключиться в режим BLE, далее пользователь подключается к устройству по интерфейсу Bluetooth и, после установления соединения, загружает в устройство новое программное обеспечение (рисунок 5). Далее устройство перезагружается с обновленной программой.

Рис. 5. Программное обеспечение Bluetooth: полнофункциональный Bluetooth-стек. Программное обеспечение для работы на частотах до 1 ГГц: стек протоколов TI 15.4-Stack или драйвер для совместимости с предыдущими поколениями радиочастотных приемопередатчиков

Рис. 5. Программное обеспечение Bluetooth: полнофункциональный Bluetooth-стек. Программное обеспечение для работы на частотах до 1 ГГц: стек протоколов TI 15.4-Stack или драйвер для совместимости с предыдущими поколениями радиочастотных приемопередатчиков

Использование смартфона в качестве удаленного дисплея. Создание удобных в использовании готовых изделий имеет большое значение как для потребительских, так и для специализированных товаров. Однако цветные дисплеи с красивым дизайном являются дорогими в разработке и производстве, зачастую имеют недостаточную механическую прочность и увеличивают ток, потребляемый устройством. Во многих случаях можно значительно упростить интерфейс или добавить новые функции имеющимся устройствам, используя смартфон в качестве дисплея. Например, беспроводной дымовой пожарный извещатель может использовать смартфон для отображения состояния батареи или времени, прошедшего с момента последнего срабатывания. В принципе, любая сеть датчиков, имеющая данные для отображения, может использовать смартфон в качестве удаленного дисплея вместо стандартного ЖК-дисплея (рисунок 6).

Рис. 6. Программное обеспечение Bluetooth: стек двустороннего соединения. Программное обеспечение субгигагерцевой сети: стек протокола TI 15.4 или протоколов предыдущего поколения

Рис. 6. Программное обеспечение Bluetooth: стек двустороннего соединения. Программное обеспечение субгигагерцевой сети: стек протокола TI 15.4 или протоколов предыдущего поколения

Управление данными, передаваемыми устройством BLE в режиме маячка. Одним из основных преимуществ использования субгигагерцевой сети является большая дальность связи при той же выходной мощности передатчика. При обновлении информации большого числа устройств Bluetooth с низким энергопотреблением, работающих в режиме маячков, физический доступ к каждому маячку может оказаться невыполнимой задачей. В этом случае субгигагерцевая сеть может быть использована для подключения к маячку и загрузки в него новой информации, которую он будет передавать по каналу Bluetooth (рисунок 7). В данном разделе описано несколько вариантов использования такой системы.

Рис. 7. Программное обеспечение Bluetooth: маячок (стек двустороннего соединения не требуется). Программное обеспечение субгигагерцевой сети: стек протокола TI 15.4 или протоколов предыдущего поколения

Рис. 7. Программное обеспечение Bluetooth: маячок (стек двустороннего соединения не требуется). Программное обеспечение субгигагерцевой сети: стек протокола TI 15.4 или протоколов предыдущего поколения

Physical Web компании Google

В концепции Physical Web производства компании Google маячки используются для передачи адреса URL, который открывается в стандартном веб-браузере. Преимуществом этого решения является простота использования, так как для него не требуется никаких специальных приложений: достаточно создать веб-страницу, на которую будет указывать маячок Bluetooth. Управление маячком заключается, в основном, в изменении ссылки на веб-страницу и осуществляется по субгигагерцевой сети.

Google Physical Web использует спецификацию Eddystone с открытым исходным кодом, определяющую несколько различных форматов кадра маячка Bluetooth с низким энергопотреблением:

  • URL передает стандартный адрес URL;
  • TLM используется для передачи данных телеметрии, например, уровня заряда аккумулятора, времени с момента перезагрузки и тому подобного;
  • UDI передает уникальный идентификатор устройства, используемый для геолокации (например, внутри зданий).

Пример реализации системы: кинотеатр объявляет следующий фильм с помощью маячков Bluetooth, расположенных в нескольких местах вокруг кинотеатра. Субгигагерцевая сеть используется для обновления «цифровых плакатов» каждый раз, когда готовится показ нового фильма.

Маячки с собственными протоколами

В тех случаях, когда не требуется взаимодействовать с другими приложениями, разработчик может использовать свой собственный формат кадра BLE-маячка, одним из примеров которого является набор приложений SensorTag для сети SimpleLink компании TI, осуществляющий связь смартфона с оконечными устройствами посредством собственного формата кадра, разработанного компанией TI (рисунок 8).

Рис. 8. Набор приложений SensorTag для сети SimpleLink компании TI

Рис. 8. Набор приложений SensorTag

Работа с отладочным набором МК CC1350

Установочная версия программного обеспечения МК CC1350 позволяет продемонстрировать большинство вариантов использования, описанных в данной статье. Отладочный набор LaunchPad™ на основе двухдиапазонного МК CC1350 поставляется с предварительно запрограммированным стеком TI BLE, что позволяет подключиться к устройству, используя приложение SensorTag iOS/Android, установленное на смартфоне. После подключения к смартфону МК CC1350 обеспечивает тот же набор функций, что и отладочный набор LaunchPad на основе МК CC2650, поддерживающего несколько стандартов только в диапазоне 2,4 ГГц. Благодаря возможности работы в двух радиочастотных диапазонах, МК CC1350 может быть переведен посредством удаленного программирования по технологии OTA из режима BLE в режим датчика сети субгигагерцевого диапазона. Пошаговое руководство показывает, как загрузить новое приложение для создания небольшой беспроводной сети датчиков. Сеть датчиков включает в себя концентратор, который принимает данные в диапазоне 868 МГц от конечных узлов сети. Устройства, которые посылают данные концентратору, могут «на ходу» перестроить радиочастотный блок для передачи пакетов объявлений по протоколу BLE в диапазоне 2,4 ГГц.

Дополнительная информация

Отладочные наборы для разработчиков:

  • отладочный набор LaunchPad на основе двухдиапазонного МК CC1350 LAUNCHXL-CC1350;
  • демонстрационный комплект SensorTag на основе МК CC1350 CC1350STK;
  • комплект LaunchPad на основе МК CC1310 (только субгигагерцевый диапазон) LANUCHXL-CC1310.

Программное обеспечение:

  • комплект разработки программного обеспечения TI BLE-Stack;
  • примеры программ с использованием ОС TI-RTOS для МК серий CC13xx/CC26xx;
  • комплект разработки программного обеспечения с использованием стека протоколов TI-15,4;
  • программная среда SmartRF ™ Studio;
  • программатор SmartRF Flash Programmer.

Техподдержка:

  • форумы сообщества TI E2E™.
Поделиться
Похожие записи