Российский Интернет вещей: беспроводные ZigBee-модули диапазона 2,4 ГГц от компании СМК

20 апреля 2016

интернет вещейСМКстатьяInternet-of-Things

Для создания сети «Интернета вещей» путем добавления к устройствам внешнего беспроводного модуля теперь не обязательно использовать готовую импортную продукцию – российская компания СМК выпускает беспроводные ZigBee-радиомодули для диапазона 2,4 ГГц MBee v2.1 и MBee v3.0, а также средства разработки и отладки для них.

В ходе развития беспроводных систем и появления широкого спектра миниатюрных вычислительных устройств с низким энергопотреблением вслед за понятием «умный дом» возник термин «Интернет вещей». Данный термин предполагает взаимодействие между различными устройствами, оснащенными беспроводными интерфейсами связи, а также удаленное управление ими, в том числе – и с использованием глобальной Cети. В отличие от «умного дома» «Интернет вещей» в принципе не предполагает применение какой-либо единой технологии или стандарта для построения среды передачи данных между устройствами – это именно подход к организации взаимодействия совершенно разнородных сетей. Межсетевое взаимодействие отдается на откуп специализированным устройствам – шлюзам, или устройствам, способным работать в нескольких частотных диапазонах.

Для решения различных типов задач и приложений подходят специализированные топологии сетей и протоколы организации взаимодействия между узлами сети. Так для набора датчиков, например, датчиков состояния окружающей среды, учета потребления ресурсов, из доступных и популярных технологий больше всего подходят технологии Bluetooth Low Energy (BLE) и ZigBee. При этом BLE актуален для небольших площадей, где возможно «видеть» одновременно все устройства или не требуется организации их согласованного взаимодействия. Для более сложных случаев предпочтительнее протокол ZigBee. Он позволяет осуществлять более гибкое взаимодействие узлов сети между собой, включая такую немаловажную вещь, как самоорганизация сети. Данные свойства ZigBee-сетей особенно важны в тех случаях, когда требуется длительная работа сети без внешнего воздействия (фактически – без участия человека).

Один из самых простых способов подключения устройств к беспроводной сети с целью обеспечения их взаимодействия – это подключение внешнего модуля с беспроводным интерфейсом.

В состав подобных модулей может входить:

  • контроллер и трансивер;
  • система-на-кристалле, содержащая в одном корпусе и трансивер, и управляющий контроллер.

В некоторых случаях модули оснащаются радиочастотным усилителем, что позволяет увеличить так называемый бюджет канала связи (фактически – зону уверенной связи или доступности узла беспроводной сети, оснащенного таким модулем).

Беспроводные модули от компании «Системы, модули и компоненты»

На рынке присутствует достаточно большое количество производителей беспроводных модулей. В их числе одна из немногих российских компаний – компания «Системы, модули и компоненты» (СМК) [1], предлагающая семейство беспроводных радиомодулей MBee для диапазонов частот 868 МГц и 2,4 ГГц [1, 2].

Модули MBee поддерживают работу в сетях ZigBee PRO, RF4CE, 6LoWPAN и SimpliciTI. В беспроводных модулях MBee используются системы-на-кристалле производства компании Texas Instruments – CC430 (диапазон 868 МГц) и CC2530 (диапазон 2,4 ГГц). Ряд моделей оснащен радиоусилителями CC1190 или CC2591, в зависимости от частотного диапазона.

Применение систем-на-кристалле позволяет, в зависимости от прошивки, менять функциональность модулей – от простейших радиоудлинителей до многофункциональных программируемых узлов сети сбора данных.

Рассмотрим модули семейства MBee, предназначенные для работы в диапазоне 2,4 ГГц. Это модули MBee v2.1 и MBee v3.0. В основе данных модулей лежит система-на-кристалле CC2530 с 8-битным процессорным ядром архитектуры х51, трансивером и набором периферийных устройств.

CC2530 поддерживает следующий спектр протоколов и стандартов: TiMAC, Z-Stack, RF4CE, SimpliciTI.

Модули MBee v2.1

MBee v2.1 (рисунок 1) это мощный радиомодуль с низким энергопотреблением, предназначенный для использования в составе систем беспроводной передачи данных и управления, функционирующих на базе протоколов ZigBee PRO и RF4CE в диапазоне 2,4 ГГц [3]. Модули MBee v2.1 могут быть применены как в качестве контроллеров удаленных датчиков в сетях ZigBee PRO, так и в беспроводных миниатюрных пультах дистанционного управления или исполнительных устройствах, работающих по протоколу RF4CE.

Рис. 1. Внешний модуль MBee v2.1, модель с SMA-разъемом

Рис. 1. Внешний модуль MBee v2.1, модель
с SMA-разъемом

Модули разработаны на основе семейства микросхем CC2530 типа «система-на-кристалле» производства компании Texas Instruments. Они поддерживают полную реализацию протоколов ZigBee PRO в диапазоне 2,4 ГГц, обеспечивая минимальный уровень энергопотребления во всех режимах. Наличие специализированной микросхемы усилителя позволяет использовать модули в тех задачах, в которых необходимо добиться максимальной дальности связи (рисунок 2). Выбор конструктивного решения, а также форм-фактор изделия значительно расширяют возможные сферы использования модулей.

Рис. 2. Структура модулей MBee v2.1

Рис. 2. Структура модулей MBee v2.1

Модули MBee-2.4-2.1 могут быть применены в сетях стандарта ZigBee PRO как в качестве контроллеров удаленных датчиков, так и в качестве маршрутизаторов или координаторов. Во всех областях применения модули MBee-2.4-2.1 обеспечивают простоту и бюджетность решения, а также минимизируют время разработки конечной системы и выхода на рынок. На платах модулей размещены все необходимые компоненты радиочастотного тракта и пассивные компоненты цепей питания, что позволяет без дополнительных усилий добавлять данные модули в свое устройство.

В ряде случаев модули MBee могут служить прямой заменой модулям XBee производства компании Digi Inc. – повыводно и по размерам корпуса они совместимы.

Радиочастотные характеристики [3, 4]:

  • протокол нижнего уровня: IEEE 802.15.4;
  • протокол верхнего уровня: ZigBee PRO;
  • рабочий диапазон частот: 2,405…2,480 ГГц;
  • программируемая выходная мощность передатчика: до +21 дБм;
  • чувствительность приемника: до -103 дБм;
  • скорость передачи данных: до 250 кбит/с;
  • тип модуляции: 0-QPSK;
  • тип антенны: внешняя, разъем SMA (UFL – опционально);
  • дальность связи вне городской застройки в зоне прямой видимости: до 3000 м.

Электрические характеристики:

  • напряжение питания: 2,0…3,6 В;
  • потребляемый ток в режиме передачи: 130 мА;
  • потребляемый ток в режиме приема: 31 мА;
  • потребляемый ток в дежурном режиме: 1,6 мкА;
  • потребляемый ток в режиме сна: 0,4 мкА;
  • максимальное напряжение низкого уровня на цифровых входах: 0,5 В;
  • минимальное напряжение высокого уровня на цифровых входах: 2,5 В.

Модули MBee v3.0

Для бюджетных устройств, а также для случаев, когда размер является критичным или нет возможности использовать внешнюю антенну, идеально подходит модуль диапазона 2,4 ГГц MBee v3.0. Данные модули выполнены в виде небольшой низкопрофильной платы поверхностного монтажа с шагом выводов 2 мм [5, 6].

В основе модулей MBee V3.0 также лежат системы-на-кристалле CC2530, но, в отличие от модулей версии 2.1, они не имеют внешнего РЧ-усилителя. В связи с этим выходная мощность модулей составляет +4,5 дБм, а чувствительность приемника -97 дБм. Это несколько ниже, чем у версии 2.1. Естественными плюсами отсутствия усилителя является меньшая, по сравнению с v2.1, потребляемая мощность.

Модули MBee 3.0 (рисунок 3) оснащены печатной меандровой инвертированной F-антенной (компактные размеры, полоса пропускания порядка 100 МГц, суммарная диаграмма направленности антенны близка к круговой) [7].

Рис. 3. Внешний вид модулей MBee 3.0

Рис. 3. Внешний вид модулей MBee 3.0

По расположению боковых выводов модули MBee 3.0 совместимы с модулями версии 2.1 (рисунок 4), однако есть отличия в размерах модулей, поэтому при реализации печатной платы требуется коррекция топологии [8].

Рис. 4. Сравнение расположения выводов модулей MBee 2.1 и 3.0

Рис. 4. Сравнение расположения выводов модулей MBee 2.1 и 3.0

Ассортимент доступных вариантов модулей представлен в таблице 1.

Таблица 1. Доступные модификации модулей MBee диапазона 2,4 ГГц

Наименование Тип антенного разъема Способ монтажа модуля
MBee-2.4-2.1-SMA-PLS10 SMA Штыревые разъемы 2xPLS2-10, шаг 2 мм
MBee-2.4-2.1-RPSMA-PLS10 RP-SMA
MBee-2.4-2.1-SMA-PLS12 SMA Штыревые разъемы 2x PLS2-12, шаг 2 мм
MBee-2.4-2.1-RPSMA-PLS12 RP-SMA
MBee-2.4-2.1-SMA-SOLDER SMA Монтаж пайкой
MBee-2.4-2.1-RPSMA-SOLDER RP-SMA
MBee-2.4-2.1-UFL-PLS10 UFL Штыревые разъемы 2x PLS2-10, шаг 2 мм
MBee-2.4-2.1-UFL-PLS12 Штыревые разъемы 2x PLS2-12, шаг 2 мм
MBee-2.4-2.1-UFL-SOLDER Монтаж пайкой
MBee-2.4-2.1-WIRE-PLS10 Распайка внешнего антенного кабеля на модуль Штыревые разъемы 2x PLS2-10, шаг 2 мм
MBee-2.4-2.1-WIRE-PLS12 Штыревые разъемы 2x PLS2-12, шаг 2 мм
MBee-2.4-2.1-WIRE-SOLDER Монтаж пайкой
MBee-2.4-3.0-PCB-SOLDER Встроенная антенна

Работа с модулями MBee

Компания «СМК» поставляет MBee-модули с предварительно прошитой программой-загрузчиком собственной разработки, позволяющей при помощи специализированной утилиты SysmcBootLoader [8] и последовательного порта (UART, ТТЛ/КМОП с совместимыми уровнями сигналов) загружать и конфигурировать прошивки.

На текущий момент доступны следующие варианты прошивок:

  • беспроводной UART – MBee2.1-2.4-serialExtender [9];
  • координатор сети ZigBee – Mbee-*- Coordinator [3, 5];
  • ZigBee-маршрутизатор – MBee-*-Router [3, 5];
  • конечное устройство ZigBee сети – MBee-*- EndDevice [3, 5].

Прошивка SerialExtender позволяет использовать модули в «прозрачном» режиме в качестве беспроводного последовательного интерфейса (радиоудлинитель UART).

Прошивки Coordinator, Router, EndDevice (координатор, маршрутизатор и конечное устройство соответственно) предназначены для организации беспроводной сети стандарта ZigBee. В основе данной сети ZigBee лежит стек производства компании Texas Instruments – Z-Stack.

Средства разработки и отладки для модулей MBee. Плата SerialBridge 2.1

Фактически штатным средством для перепрограммирования и настройки модулей MBee является плата SerialBridge, входящая также в состав радиомодемов RFSerialBridge [9].

Данная плата позволяет:

  • обновлять прошивку модулей MBee (всей линейки продукции);
  • изменять настройки модулей MBee;
  • осуществлять подключение модулей к хост-системе по последовательному интерфейсу (доступные варианты представлены в таблице 2, внешний вид изображен на рисунке 5).

Рис. 5. Плата SerialBridge 2.1

Рис. 5. Плата SerialBridge 2.1

На плате расположены:

  • посадочное место для установки модуля;
  • преобразователи интерфейсов USB-UART, RS485-UART, RS-232-UART с соответствующими им разъемами;
  • конфигурационные разъемы, позволяющие настраивать интерфейсы – тип преобразования, используемые модемом или интерфейсами сигналы;
  • отладочный разъем;
  • стабилизаторы питания и разъемы для подключения питания.

Таблица 2. Доступные преобразования интерфейсов, осуществляемые с помощью платы SerialBridge 2.1

Интерфейс USB RS-232 RS-485
USB + +
RS-232 + +
RS-485 + +

При помощи конфигурационных разъемов путем установки на них перемычек можно настроить необходимые преобразования интерфейсов, что позволяет подключать беспроводные модули к различному промышленному, коммуникационному, научному оборудованию и к системам учета потребления ресурсов.

Для настройки модулей плата SerialBridge подключается к персональному компьютеру по USB-интерфейсу, который определяется операционной системой как последовательный или COM-порт.

Процесс настройки модулей достаточно прост. Необходимо:

  • установить модуль на плате Serial Bridge;
  • подать питание на плату и подключить ее к ПК посредством COM- или USB-интерфейса (в последнем случае внешнее питание не требуется);
  • нажав и удерживая кнопку «PING», кратковременно нажать кнопку «RESET», после чего отпустить «PING».

Если все сделано правильно, модуль перейдет в режим обновления прошивки/конфигурирования, что отобразится с помощью периодического мигания белого светодиода на плате (период примерно 1,5…2 с). После этого нужно запустить программу SysMC Serial BootLoader, выбрать порт, к которому подключен модуль, нажать кнопку «опросить» в меню программы. При этом на правой половине окна программы будут отображены параметры модуля: имя, версия и название прошивки, роль модуля – master/slave (рисунок 6).

Рис. 6. Скриншот работы с программой SerialBootloader

Рис. 6. Скриншот работы с программой SerialBootloader

Для прошивок SerialExtender к версиям модулей MBee-2.4-2.1 и MBee-2.4-3.0 доступна только настройка параметров последовательного порта – скорость и управление потоком.

Модули с прошивкой SerialExtender можно применять для создания беспроводного канала связи между удаленными узлами или между контроллером и датчиком. Также данный вариант прошивки модулей может быть с успехом использован для тестирования возможности связи между узлами сети датчиков, например, при планировании размещения беспроводных приемопередатчиков систем автоматизации здания или учета расхода ресурсов.

Модули MBee-2.4-2.1 показали следующие результаты:

  • полное покрытие сигналом площади городской квартиры (100…150 м2);
  • уверенный прием-передача сигнала в пределах этажа кирпичного здания (по горизонтальному направлению – порядка 15…20 м, по вертикали через перекрытие – ± этаж);
  • в условиях леса – 180…300 м, в зависимости от густоты деревьев и рельефа;
  • на открытом пространстве – 500…700 м при использовании штыревых антенн и произвольном размещении модулей.

Тестирование внутри помещений проводилось в условиях зашумленного диапазона при большом количестве работающих Wi-Fi-сетей.

Применение направленных антенн и размещение модулей на высоте 2…3 м над поверхностью земли позволяет получать дальность связи до 3…4 км в зависимости от погодных условий и рельефа.

Отладочный набор MBeeKit Start

Еще одним отладочным средством для модулей MBee, является набор MBeeKit Start [11]. Он предназначен для знакомства с технологией ZigBee и изучения возможностей беспроводных модулей на примере типовой сети беспроводного сбора данных (рисунок 7).

Рис. 7. Внешний вид отладочных плат BB-MBee из набора MBeeKit Start

Рис. 7. Внешний вид отладочных плат BB-MBee из набора MBeeKit Start

В набор входят [11, 12]:

  • три модуля MBee-2.4-2.1;
  • три модуля MBee-2.4-3.0;
  • две платы USB Board (UB-MBee) c USB-портом;
  • четыре платы Battery Board (BB-MBee) с батарейным питанием.

Отладочный комплект реализует базовые функции распределенной сети сбора данных и управления.

Модули MBee-2.4-2.1, входящие в набор MBeeKit Start, имеют прошивки «координатор», «маршрутизатор» и «конечное устройство», модули версии 3.0 поставляются с прошивкой «конечное устройство».

При развертывании сети на базе узлов набора MBeeKit Start [12] возможны два варианта взаимодействия узлов – с привязкой дочерних узлов к маршрутизатору и с привязкой их к координатору. В первом случае сначала включается координатор, а затем маршрутизатор и конечные узлы, во втором – сначала включается маршрутизатор, потом конечные устройства, потом координатор.

Координатор отвечает за первоначальный запуск сети. После первого включения координатор, в зависимости от внешней электромагнитной обстановки, выбирает частотный канал по критерию наименьшего уровня помех, а также определяет другие сетевые параметры, необходимые для его корректной работы.

Допускается подключение до 20 дочерних устройств, до шести из которых могут быть маршрутизаторами. Координатор не имеет спящего режима, так как приемник должен быть все время включен для обеспечения функций маршрутизации. В отладочном комплекте MBeeKit Start на координатор возложена также функция агрегатора [12].

Маршрутизатор отвечает за прокладку маршрутов между взаимодействующими узлами. Применяется для расширения емкости сети и для увеличения зоны покрытия сети. Допускает подключение до 20 дочерних устройств, из которых до шести могут быть маршрутизаторами. Не имеет спящего режима. Также может выполнять все функции конечного устройства.

Конечное устройство не имеет маршрутизирующих свойств. Как правило, является устройством с батарейным питанием. Большую часть времени находится в спящем режиме для обеспечения максимального времени автономной работы. Основное предназначение – сбор и отправка данных с датчиков разных типов на агрегатор (концентратор). Может также осуществлять управление различными устройствами по командам с других узлов.

Модули с прошивкой «координатор» и «маршрутизатор» устанавливаются на платы UB-MBee, модули с прошивкой «конечное устройство» должны быть установлены на платы BB-MBee. На каждом типе плат расположены имитаторы сигналов цифровых и аналоговых датчиков.

На плате UB-MBee расположены:

  • конвертер USB-UART;
  • два пользовательских светодиода;
  • две пользовательские кнопки;
  • два пользовательских потенциометра;
  • кнопка «RESET»;
  • джамперы для выбора режимов работы отладочной платы, проведения измерений различных параметров, а также разъем для подключения пользовательской периферии.

Посредством USB-разъема платы UB-MBee могут быть подключены к хост-компьютеру, с которого можно будет наблюдать за работой сети, а также осуществлять управление модулями.

Battery Board (BB-MBee) содержит следующие устройства:

  • два пользовательских светодиода;
  • две пользовательские кнопки;
  • два пользовательских потенциометра;
  • кнопку «RESET»;
  • повышающий/понижающий импульсный преобразователь, предназначенный для питания модуля MBee;
  • повышающий/понижающий импульсный преобразователь, предназначенный для питания периферийных устройств;
  • джамперы для выбора режимов работы платы, проведения измерений различных параметров, а также для подключения пользовательской периферии;
  • батарейный отсек для одного элемента питания типоразмера AA.

Наличие перемычек на плате BB-MBee позволяет разработчику оценивать потребление энергии автономным узлом во всех режимах работы, а также проводить сравнение потребления для модулей разных серий:

  • JP1 – для подключения амперметра при измерении тока потребления периферийных устройств (датчиков);
  • JP2 – для выбора режима питания внешних устройств: положение 1…2 – питание на внешние датчики подается всегда, положение 2…3 – питание внешних устройств выключено всегда, перемычка отсутствует – питанием внешних устройств управляет модуль;
  • JP3 – выбор напряжения периферии: положение 1…2 – напряжение 3,3 В, 2…3 – напряжение 5 В.
  • JP4 – для подключения амперметра при измерении суммарного тока потребления от элемента питания;
  • JP5 – для подключения амперметра при измерении потребления модуля MBee.

На обеих отладочных платах предусмотрены макетные поля с шагом сетки 2,5 и 2 мм. На них могут быть смонтированы пользовательские узлы.

Осциллограммы токов потребления самих модулей и суммарный ток потребления платы (модуль + повышающий преобразователь) представлены на рисунках 8…11.

Рис. 8. Осциллограммы тока потребления модуля MBee-2.4-2.1

Рис. 8. Осциллограммы тока потребления модуля MBee-2.4-2.1

Рис. 9. Осциллограммы тока потребления модуля MBee-2.4-3.0

Рис. 9. Осциллограммы тока потребления модуля MBee-2.4-3.0

Рис. 10. Осциллограммы суммарного тока потребления платы «модуль + преобразователь напряжения»

Рис. 10. Осциллограммы суммарного тока потребления платы «модуль + преобразователь напряжения»

Рис. 11. Осциллограммы суммарного тока потребления платы «модуль + преобразователь напряжения»

Рис. 11. Осциллограммы суммарного тока потребления платы «модуль + преобразователь
напряжения»

В режиме установленного соединения ток потребления модулей составляет порядка 2…3 мкА. Таким образом, для прошивки «конечное устройство» средний ток потребления для модулей версии 2.1 составляет примерно 29 мкА.

Как видно, в режиме конечного устройства модули MBee обладают достаточно малым потреблением, даже применение импульсного повышающего преобразователя оставляет средний ток потребления в допустимых пределах.

Заключение

По своим конструктивным и техническим характеристиками модули MBee не уступают аналогам зарубежного производства и могут с успехом применяться в устройствах автоматики и автоматизации, сетях сбора данных, учета потребления ресурсов, охранно-пожарных системах.

Используя отладочный набор MBeeKit Start, разработчик сможет познакомиться с такими особенностями ZigBee, как:

  • архитектура и состав сети;
  • назначение узлов и их особенности;
  • самоорганизация с самовосстановление сети.

Данный набор также позволяет изучить возможности ZigBee-модулей производства компании «СМК» – MBee 2 и 3 версий:

  • передачу данных с аналоговых датчиков;
  • опрос цифровых датчиков;
  • управление цифровыми выходами;
  • оценку дальности связи между модулями;
  • потребление тока модулями в различных режимах.

Специалисты компании «СМК» ведут постоянную работу по созданию новых типов программного обеспечения для радиомодулей своего производства. На данный момент для всех вариантов беспроводных модулей доступны прошивки и для организации простого беспроводного соединения, и для развертывания сети сбора данных.

Литература

  1. http://sysmc.ru.
  2. http://sysmc.ru/solutions/wireless_modules_modems.
  3. http://sysmc.ru/solutions/wireless_modules_modems/modules/SYSMC_MBee_2.1.
  4. http://sysmc.ru/documentation/hw_mb21.pdf.
  5. http://sysmc.ru/solutions/wireless_modules_modems/modules/SYSMC_MBee_v3.0.
  6. http://sysmc.ru/documentation/hw_mb3.pdf.
  7. http://www.ti.com/lit/an/swra117d/swra117d.pdf.
  8. http://sysmc.ru/documentation/MBee_schematic.lib.
  9. http://sysmc.ru/documentation/bootloader/SysMC_BootLoader_207.zip.
  10. http://sysmc.ru/solutions/wireless_modules_modems/modems/RFSerialBridge.
  11. http://sysmc.ru/solutions/wireless_modules_modems/development_kit/MBeeKit_start.
  12. http://sysmc.ru/documentation/hw_mbks.pdf.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

•••

Наши информационные каналы

О компании Системы, модули и компоненты

Российская компания-разработчик ООО «Системы, модули и компоненты» (CMK) начала свою деятельность в 2007 году и специализируется на разработке маломощных беспроводных модулей для всех нелицензируемых диапазонов. Компания CMK имеет свой собственный штат инженеров, готовых оптимизировать свою продукцию под любое применение конечного изделия, при этом срок разработки не превышает двух – трех недель. Также на сайте производителя загружены и находятся в свободном доступе ряд стандартных прошивок п ...читать далее