Зажигая «звезды»: беспроводной стек протоколов 802.15.4e/g для CC1310

27 декабря 2016

телекоммуникациисистемы безопасностипотребительская электроникаинтернет вещейTexas Instrumentsстатья802.15.4wireless

Новое программное обеспечение TI 15.4-Stack SDK компании Texas Instruments для беспроводных микроконтроллеров CC1310 позволяет создавать сетевые приложения топологии «звезда» для устройств, работающих в субгигагерцевом диапазоне. Поддержка режима работы с переключением частот позволяет узлам сети работать с большей выходной мощностью, увеличивая радиус действия, и размещать на одной территории большее количество узлов.

Применение беспроводных сетей открывает широкие возможности по автоматизации и отслеживанию состояния различных процессов. Беспроводные интерфейсы позволяют подключать к сетям управления самые различные по типу и функциональности устройства. Фактически, так родился процесс, получивший название «Интернет вещей» (Internet of Things, IoT). Взаимодействие устройств, относящихся к категории «Интернета вещей» чаще всего происходит в пределах небольших сетей (как правило, типа PAN или LAN), работающих по различным протоколам. Выбор технологии для того или иного класса задач будет зависеть в первую очередь от самой задачи и возможного территориального разброса узлов.

В середине 2016 года компания Texas Instruments представила беспроводной стек протоколов TI-15.4 MAC, построенный на основе стандарта IEEE802.15.4e/g. Новое программное обеспечение для беспроводных микроконтроллеров CC1310 позволяет создавать беспроводные сети с топологий «звезда» в диапазоне 868 МГц (Sub-1 GHz). Полное название нового продукта – TI-15.4 Stack: IEEE802.15.4e/g Standard Based Star Networking Software Development Kit (SDK).

Преимущества TI 15.4-Stack перед другими сетевыми протоколами – большая дальность действия и устойчивость к помехам благодаря использованию технологии «прыгающих частот» (Frequency Hopping).

TI 15.4-Stack является реализацией стандарта 802.15.4-2006 с расширениями 802.15.4e для промышленного применения и 802.15.4g для небольших сетей. Он поддерживает режим переключения частот WiSUN.

Основные целевые области применения стека протоколов TI 15.4-Stack это:

  • охранные системы – датчики открытия окон и дверей, детекторы движения, управление открытием/закрытием ворот;
  • пожарные датчики – детекторы огня, дыма;
  • системы вентиляции и кондиционирования, датчики температуры, влажности и состава воздуха;
  • промышленная автоматика;
  • датчики потока, давления, протечек;
  • системы учета расхода ресурсов;
  • интеллектуальные сети распределения ресурсов;
  • системы домашней автоматики.

Основные характеристики стека протоколов TI-15.4 Stack

Программное обеспечение TI-15.4 Stack Software Development Kit (TI-15.4 Stack SDK) ориентировано на серию многоядерных беспроводных систем-на-кристалле SimpleLink CC1310.

Микросхема CC1310 имеет в своем составе субгигагерцевый приемопередатчик, управляемый процессорным ядром ARM Cortex M0, независимый контроллер датчиков, контроллер приложений и верхних уровней стека протоколов архитектуры ARM Cortex M3, 128 кбайт встроенной памяти программ, 20 кбайт оперативной памяти, набор периферийных интерфейсов.

Субгигагерцевый диапазон, в частности – диапазон 868 МГц, позволяет при незначительных затратах энергии передавать данные на значительные расстояния (до нескольких километров между узлами в условиях прямой видимости), или же достаточно свободно осуществлять связь между узлами в пределах здания или группы близко расположенных зданий. Для обеспечения безопасности сети при передаче сообщений TI-15.4 Stack поддерживает AES-шифрование.

Программное обеспечение предоставляется без лицензионных отчислений и предназначено для работы на линейке беспроводных систем на кристалле SimpleLink Sub-1 GHz CC1310 wireless MCU.

Основные характеристики стека протоколов TI-15.4 MAC:

  • поддерживает стандарты IEEE 802.15.4e/g;
  • позволяет организовать PAN-сети топологии «звезда»;
  • возможны различные режимы работы сети: синхронный (маяк) и асинхронный (non-beacon), режим с переключением частот (поддерживается спецификация WiSUN FAN, на данный момент возможен только для полосы 915 МГц);
  • реализованы шифрование и проверка целостности (AES -128).

Все это в сумме позволяет строить на базе стека протоколов TI-15.4 Stack защищенные малопотребляющие беспроводные сети с достаточно широким радиусом действия. Использование готового стека существенно сокращает время разработки устройств для Интернета вещей, так как включает в себя программное обеспечение как для беспроводных сенсоров, так и для центрального узла сбора данных.

В стеке определено два типа сетевых устройств – полнофункциональные устройства (full-function device, FFD) и устройства с ограниченной функциональностью (reduced-function device, RFD). Поддерживается также два подхода к организации системной архитектуры сетевых узлов – «однокристальный» узел и узел на основе сетевого процессора с внешним управляющим микроконтроллером (рисунок 1).

Рис. 1. Организация системной архитектуры сетевых узлов: а) «однокристальный» узел; б) узел на основе сетевого процессора

Рис. 1. Организация системной архитектуры сетевых узлов: а) «однокристальный» узел; б) узел на основе сетевого процессора

В «однокристальном» узле и приложение и стек протоколов выполняется непосредственно на CC1310. Данная конфигурация является типовой, наиболее дешевой и энергоэффективной. На СС1310 реализуются и рядовые узлы сети и координатор сети.

При архитектуре сетевого узла, использующего сетевой процессор, СС1310 выполняет все задачи, связанные с функционированием сети и сетевого стека, тогда как приложение выполняется на отдельном внешнем контроллере (хост-контроллере). Взаимодействие СС1310 и хост-контроллера осуществляется посредством интерфейса UART. Такой подход позволяет, например, легко добавить сетевую функциональность в уже работающую систему, или же реализовать и протестировать в короткие сроки макетный образец проекта беспроводной сети. Сетевой процессор позволяет также работать с беспроводной сетью посредством персонального компьютера.

Программное окружение TI-15.4 Stack SDK состоит из трех основных частей:

  • операционной системы реального времени TI-RTOS;
  • образа прикладной задачи;
  • образа стека протоколов.

TI-RTOS является многозадачной операционной системой реального времени с возможностью синхронизации задач. И стек протоколов, и приложение пользователя выполняются в рамках TI-RTOS как отдельные задачи, при этом TI-15.4 Stack имеет более высокий приоритет. Синхронизация между приложением и стеком протоколов осуществляется при помощи механизма косвенных вызовов Indirect Call (ICall) (рисунок 2).

Рис. 2. Составные части TI-15.4 Stack SDK

Рис. 2. Составные части TI-15.4 Stack SDK

В образ приложения входят программный код приложения, драйвера периферийных устройств, TI-RTOS и модуль ICall.

Основные компоненты, входящие в TI-15.4 Stack SDK (рисунок 3):

  • контроллер логического канала (Logical Link Controller) – программный блок, реализующий специфичные для стандартов IEEE 802.15.4 или Wi-SUN задачи, такие как формирование сети, присоединение или выход из сети. Link Controller скрывает особенности работы с различными сетевыми протоколами;
  • код инициализации TI-RTOS Startup Code предназначен для настройки и запуска задач приложения и стека протоколов;
  • утилиты и драйверы периферийных устройств – LCD, таймеры, последовательные интерфейсы, кнопки и так далее;
  • вспомогательные прикладные функции – набор функций, специфичных для платформ, поддерживающих CC1310, например, запись данных в постоянную память, отображение информации на LCD, интерфейс с пользователем;
  • модуль TI-15.4 Stack API (API MAC module) предоставляет интерфейс к сервисам стека протоколов 802.15.4 через модуль ICALL.

Рис. 3. Основные компоненты, входящие в TI-15.4 Stack SDK

Рис. 3. Основные компоненты, входящие в TI-15.4 Stack SDK

Также TI-15.4 Stack SDK предлагает примеры исходных кодов реализации сетевых устройств двух типов – коллекторного и сенсорного узлов. Разработчик может в дальнейшем модифицировать данные примеры для получения собственного приложения с нужной функциональностью.

TI-15.4 Stack поддерживает три режима организации и работы сети:

  • синхронный («маячковый»);
  • асинхронный;
  • режим с переключением частот.

Синхронный режим работы сети под управлением TI-15.4 Stack

Описанный в стандарте IEEE 802.15.4 синхронный режим работы PAN-сети предполагает наличие координатора, периодически рассылающего пакеты синхронизации сети для обозначения своего присутствия и обеспечения возможности подключения к сети новых устройств.

В данном режиме работы сети весь временной период разбивается на дискретные интервалы определенной длительности, называемые суперкадрами. Отсчет суперкадра начинается с пакета синхронизации (beacon), в котором указывается информация, помогающая узлам присоединиться к сети, получить сетевые параметры и синхронизировать цикл своей работы с сетью. В суперкадре выделяется активный и пассивный периоды. В течение активного периода узлы сети взаимодействуют между собой посредством механизма доступа CSMA/CA, в течение пассивного периода узлы могут находиться в режиме пониженного энергопотребления.

Сеть всегда создается полнофункциональным устройством, и процесс ее запуска начинается со сброса подуровня MAC. Работа синхронной сети идет всегда в рамках одного частотного канала и перед стартом сети координатор может просканировать диапазон с целью выбрать канал с наименьшим количеством помех и других работающих активных сетей. Далее координатор задает идентификатор сети, собственный короткий адрес, конфигурирует суперкадр и вызовом процедуры ApiMac_mlmeStartReq() запускает работу сети.

Диаграмма последовательностей взаимодействия приложения координатора и стека протоколов представлена на рисунке 4.

Рис. 4. Взаимодействие приложения координатора и стека протоколов

Рис. 4. Взаимодействие приложения координатора и стека протоколов

Устройство, желающее присоединиться к сети (рисунок 5), должно просканировать частотные каналы и по результатам сканирования выбрать подходящую сеть. Вторым шагом будет непосредственная синхронизация с сетью для приема сигналов маяка и отправки и приема информационных пакетов.

Рис. 5. Процесс присоединения узла к сети в синхронном режиме

Рис. 5. Процесс присоединения узла к сети в синхронном режиме

Для завершения процесса синхронизации требуется определенный период времени, после которого узел получает возможность отслеживать синхронизирующие пакеты. Далее приложение может инициировать процесс присоединения к сети.

Процесс прямого обмена данными в сети представлен на рисунке 6. Рассмотрены несколько случаев:

  • успешный обмен данными;
  •  запрос на передачу данных в условиях загруженной сети (ошибка доступа к среде);
  • случай передачи данных без подтверждения получения.

Рис. 6. Обмен данными в синхронном режиме

Рис. 6. Обмен данными в синхронном режиме

Все конечные устройства, работающие в сети маяком, должны отслеживать пакеты синхронизации, генерируемые координатором. Данные пакеты позволяют устройствам синхронизироваться с координатором, запрашивать координатор о наличии данных для них и самим передавать сообщения другим узлам сети.

В ходе подключения к сети узел вызывает функцию Api_mlmeSyncReq() с параметром trackBeacon (=TRUE) для автоматического отслеживания и приема синхронизирующих пакетов. При потере синхронизации с координатором узел может запустить процедуру синхронизации заново (рисунок 7).

Рис. 7. Получение данных узлом от координатора в синхронном режиме работы сети

Рис. 7. Получение данных узлом от координатора в синхронном режиме работы сети

Асинхронный режим работы сети

Вторым режимом работы сети, определенным в стандарте IEEE 802.15.4, является асинхронный режим, не требующий от координатора периодической рассылки синхропакетов, а от узлов – их отслеживания. Совместная работа устройств в сети регулируется механизмом CSMA/CA.

Процедура старта сети практически не отличается от старта синхронной сети (за исключением параметров). Координатор проводит сканирование диапазона с целью выбора оптимального частотного канала, устанавливает собственный короткий адрес, идентификатор сети и ожидает запросов на подключение.

Устройство, желающее подключиться к сети, проводит активное сканирование частотных каналов, рассылая широковещательный запрос на подключение. Координатор (если он присутствует в данном канале) в случае получения такого пакета высылает ответ. По окончанию сканирования устройство будет иметь список дескрипторов сетей и выберет нужный ему координатор.

Выбрав сеть, устройство посылает координатору запрос на присоединение. После получения подтверждения от координатора устройство считается подключенным к сети.

Режим переключения частот

Стек протоколов TI-15.4 Stack позволяет создавать сети, работающие в режиме переключения частот. Данная опция поддерживается стеком по умолчанию в диапазоне 902…928 МГц и основывается на режиме прямого обмена пакетов, описанного в спецификации Wi-SUN FAN v1.0. Это позволяет работать на каком-либо фиксированном канале или в режиме переключения каналов, где последовательность переключений задается функцией Direct Hash Channel Function (DH1CF). Для работы в диапазоне 868 МГц нужно задать другую маску сканируемых каналов.

DH1CF позволяет генерировать псевдослучайную последовательность переключения каналов, основываясь на расширенном адресе сетевого узла, гарантируя тем самым уникальность последовательности для каждого узла. Каждый узел поддерживает два типа последовательностей переключения каналов: адресную (Unicast) и широковещательную (Broadcast).

Устройство, желающее присоединиться к сети, проводит активное сканирование каналов, осуществляя широковещательную рассылку пакетов-запросов. Координатор, получив подобный запрос, посылает ответ. По окончании сканирования TI15.4 Stack осуществляет вызов call-back-функции ApiMac_scanCnfFp_t с дескрипторами обнаруженных в ходе сканирования сетей. Приложение на устройстве выбирает требуемый дескриптор и координатор. Следующим шагом является отправка запроса на присоединение к сети. Приложение вызывает функцию ApiMac_mlmeAssociateReq() для отправки запроса координатору. В случае успеха приложению приходит подтверждение со стороны стека протоколов.

В ходе работы сети каждый из узлов работает по своей собственной последовательности переключения частот (рисунок 8).

Рис. 8. Пример последовательности переключения частот на различных узлах

Рис. 8. Пример последовательности переключения частот на различных узлах

Для запуска широковещательной передачи координатор инициирует специальную процедуру, позволяющую узлам подстроиться под псевдослучайную последовательность переключений широковещательной передачи координатора.

Получив широковещательный пакет от координатора, узел будет продолжать работать по собственной последовательности в течение текущего интервала dwell, а со следующего интервала переключится на широковещательную последовательность и будет отслеживать ее в течение следующего dwell-интервала, после чего вернется на собственную последовательность переключения частот (рисунок 9).

Рис. 9. Переход на широковещательную последовательность переключения частот

Рис. 9. Переход на широковещательную последовательность переключения частот

Приложение может установить собственный интервал отслеживания широковещательных пакетов dwell (по умолчанию – 250 мс), режим переключения частот и список каналов, в пределах которых будет осуществляться переключение частот. На координаторе дополнительно можно установить интервал отправки широковещательных пакетов (по умолчанию – 4250 мс).

Поддерживается специальный тип передачи, называемый асинхронной передачей (Async transmission). В этом режиме устройство передает пакет специального вида (Async frame types, о чем более подробно в “Wi-Sun FAN Specification”) по всем указанным приложением каналам. Это позволяет другим устройствам получить данные пакеты вне зависимости от последовательности переключения каналов. Данная возможность используется для обмена между узлами сети информацией о последовательностях переключений, например, при старте сети.

После получения информации о последовательностях переключения соседних узлов TI-15.4 Stack автоматически отслеживает их, что позволяет успешно осуществлять адресные и широковещательные передачи, скрывая от приложения механизмы синхронизации и переключения последовательностей.

Единственным заметным отличием режима переключения частот от остальных режимов является необходимость использования глобальных адресов узлов вместо коротких.

В режиме переключения частот в сети могут функционировать три типа устройств:

  • координатор сети;
  • постоянно включенный узел;
  • узел, большую часть времени находящийся в режиме сна.

Примеры приложений TI-15.4 Stack SDK

В помощь разработчикам в TI-15.4 Stack SDK предлагаются несколько проектов приложений различного уровня – от простой функциональности 802.15.4 MAC до примеров приложений сенсорных узлов и координатора сети. Данные проекты не требуют доработки и специальных навыков для компиляции или запуска и могут служить отправной точкой для собственных приложений.

Проект Stack реализует весь функционал сетевого взаимодействия узла. Он включает программное обеспечение для полнофункционального устройства (FFD) и для устройств с ограниченной функциональностью (RFD). Предварительно скомпилированный образ стека используется во всех проектах-примерах TI-15.4 Stack SDK.

Основным отличием FFD от RFD является количество устройств, с которыми узел может взаимодействовать. По умолчанию FFD может общаться с 50 соседними узлами (при включенном режиме шифрования), RFD – только с 5, но это экономит порядка 3300 байт оперативной памяти.

Проект сетевого процессора (Co-Processor) предназначен для реализации систем, работающих по «двухчиповой» схеме, существенно упрощая добавление сетевых возможностей в уже готовые проекты и решения. Наличие исходных текстов позволяет модифицировать код и добавлять новые команды в зависимости от потребностей текущей задачи.

Проект коллектора данных (Collector) реализует сетевой полнофункциональный узел, выполняющий задачи сетевого координатора (инициирование сети и присоединение к сети новых устройств), а также устройства сбора данных с подключившихся к сети сенсорных узлов (Sensor devices).

Сенсорные узлы, в свою очередь, основываются на проекте (Sensor) сетевого устройства с неполной функциональностью (присоединение к сети и опрос координатора на предмет наличия данных для узла) с дополнительными функциями опроса датчиков и пересылки данных координатору.

Заключение

TI 15.4-Stack SDK является достаточно мощным и гибким инструментом разработки сетевых приложений для устройств, работающих в субгигагерцевом диапазоне. Большинство рутинных сетевых операций автоматически выполняется на уровне стека протоколов прозрачно для прикладной задачи. Наличие готовых примеров позволяет разработчику в достаточной мере адаптироваться к стилю написания приложений с учетом специфики работы TI-RTOS и TI 15.4-Stack.

Поддержка в TI 15.4-Stack режима работы сетевых устройств с переключением частот позволяет узлам сети работать с большей выходной мощностью радиосигнала в пределах одного частотного диапазона, увеличивая тем самым радиус действия сети без увеличения уровня ошибок и перекрестных помех. Также это позволяет размещать на одной территории большее количество узлов. Особенно это актуально для решения задач, связанных с автоматизацией жилых и коммерческих зданий, промышленной автоматикой, интеллектуальными энергосетями.

Литература

  1. Kumaran Vijayasankar, Roberto Sandre. Frequency hopping for long-range IoT networks. http://www.ti.com/.
  2. TI-15.4 Stack: IEEE802.15.4e/g Standard Based Star Networking Software Development Kit (SDK). http://www.ti.com/.
  3. Новый беспроводной стек протоколов 802.15.4e/g для CC1310.
  4. TI-15.4 Stack CC1310 SimpleLink™ Embedded Example Applications – Quick Start (Rev. A). http://www.ti.com/.
  5. CC1310 SimpleLink™ TI-15.4 Stack 2.x.x Developer’s Guide. http://www.ti.com.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

ti_ti-15

•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, технологий и отладочных средств, а также ...читать далее