ZigBee радиомодемы


Украинские ZigBee радиосети «ЭМБИ» с функцией автоматического формирования и поддержки MESH – сети.

 

EMB-250-100BI-R-006

EMB-250-100BI-U-007

EMB-250-100UI-003

EMBEE-T Отладочная плата

 

 

 

 

 

 

В настоящее время направление ZigBee развивается стремительными темпами. Системы энергоучета, умного дома, а также системы охранно-пожарной сигнализации уже нуждаются в надежных беспроводных сетях мониторинга и управления. Для построения ZigBee сетей ряд производителей предлагают решения в модульном исполнении. Но отечественному разработчику требуется приложить немало усилий для реализации Mesh сети на базе подобных модулей, не смотря на то, что большинство производителей уже предлагают свой стек. надежная ZigBee Mesh сеть требует разработки операционной системы уровня приложения, которая должна обеспечивать очень жесткую синхронизацию, используя библиотеки стека. В помощь разработчикам предлагается интеллектуальный модуль EMBEE, являющийся законченным сетевым решением с поддержкой различных типов устройств. В статье рассматриваются возможности и примеры применения модуля, а также легкость построения ZigBee сети на базе модуля EMBEE.



 

 

Введение

 

Модули EMBEE разработаны на базе кристаллов Ember и стека EmberZNet 2.5, позволяющим строить очень сложные ZigBee Mesh сети. Основная особенность Mesh сети заключается в том, что она поддерживает не только простые топологии беспроводной связи («точка-точка» и «звезда»), но и сложные беспроводные сети с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений с ячеистой топологией при относительно невысоком энергопотреблении. Области применения новой технологии — это беспроводные сети датчиков, системы автоматизации зданий, устройства автоматического считывания показаний счетчиков, охранные системы, системы управления в промышленности.

 

Особенности технологии

 

Особенность ZigBee заключается в том, что, в отличие от других БТ (беспроводных технологий), она предназначена для реализации не только

простых соединений «точка-точка» и «звезда», но также и сложных сетей

с топологиями «дерево» и «ячеистая сеть», способных поддерживать ретрансляцию и поиск наиболее эффективного маршрута для передачи данных. Сети ZigBee являются самообразующимися и самовосстанавливающимися. Благодаря встроенному программному обеспечению их устройства при включении питания умеют сами «находить» друг друга. В случае выхода из строя какого-либо прибора они способны «разыскать» новые маршруты для передачи сообщений.

 

Диапазон 2.4 ГГц

 

Наибольшие скорости передачи данных и наивысшая помехоустойчивость достигаются в диапазоне 2.4 ГГц, поэтому большинство производителей микросхем выпускают приемопередатчики именно для него. Диапазон 2.4 ГГц с самого начала был выделен во многих странах для использования различными технологиями расширения спектра. В нем на отдельных частотах мощность сигнала может быть соизмерима с уровнем шума. Приемник, «применяя» закон расширения спектра, может восстановить исходный сигнал. Этот закон позволяет более эффективно бороться с узкополосными помехами и допускает сосуществование в одном диапазоне различных беспроводных технологий.

 

Формирование ZigBee сети на модулях EMBEE

 

ZigBee сеть состоит из одного координатора и одного или более роутеров и оконечных спящих устройств. ZigBee сеть формируется, когда координатор выбирает канал и PAN ID (идентификатор сети). Формирование сети происходит автоматически при подключении роутеров и оконечных спящих устройств к координатору (рис. 1). При отсутствии координатора подключающиеся устройства ожидают его появление в сети неограниченное время. В отсутствии координатора любое из устройств можно переключить в режим координатора. При замене координатора происходит автоматическое переформирование сети (при этом оконечные спящие устройства должны успеть хотя бы раз пробудиться, чтобы обнаружить отсутствие координатора). Выпадающие из сети устройства автоматически переподключаются. Когда сеть сформирована, от устройств все связи проложены только к координатору. Координатор может обратиться к любому из устройств или передать данные всем устройствам сети (широковещательная рассылка).

Когда роутер или оконечное спящее устройство присоединяются к сети, ему присваивается 16-разрядный адрес (MY). При переподключении устройств эти адреса могут изменяться. Поэтому передача данных в сети привязана к строковым идентификаторам (NI), которые пользователь присваивает устройствам. Координатор всегда имеет нулевой 16-разрядный адрес и не имеет строкового идентификатора. Так же каждый модуль имеет свой уникальный фиксированный 64-разрядный идентификатор (SH, SL).

Оконечные спящие устройства всегда подключаются к роутерам, хотя все связи от оконечных спящих устройств прокладываются только к координатору. При этом оконечное спящее устройство становится «ребенком» роутера. Передача и прием данных в оконечное спящее устройство всегда осуществляется через родительский роутер.

Оконечные спящие устройства могут быть мобильными устройствами. Мобильное устройство выполняет все те же функции, что и оконечное спящее устройство, но только предназначено для перемещаемых объектов. Если в течении 50 секунд сеть не обнаружила мобильное устройство, она удаляет его из своих таблиц. Оконечные спящие устройства поддерживают режим пониженного энергопотребления и предназначены для использования батарейного питания.

С помощью команды ND можно получить информацию о подключенных устройствах к сети. Для защиты сетевой информации сеть можно формировать с применением ключа KY. Таким образом, можно получить уникальную сеть. Все устройства в сети обязательно должны иметь одинаковые CH (номер радиоканала), ID (идентификатор сети), KY (ключ).


    Рисунок 1 

 

Координатор EMBEE

 

Координатор (AD = C) в сети всегда один и предназначен для ее формирования. После перезапуска он позволяет другим типам устройств подключаться к сети. Координатор позволяет подключать к сети до 65000 устройств, из которых неограниченное количество роутеров, подключаемых к координатору. Он должен быть обеспечен постоянным непрерывным напряжением питания. Роутер EMBEE Роутеры (AD = R) всегда присоединяются к координатору или к другим роутерам и предназначены для маршрутизации данных в сети. После перезапуска они позволяют подключать к себе остальные роутеры или оконечные спящие устройства. Каждый из роутеров позволяет подключать к себе до 6 оконечных спящих устройств. Функция автоматической маршрутизации в роутерах позволяет формировать сети неограниченной длины и неограниченного радиуса действия любой древовидной структуры. Роутер должен быть обеспечен постоянным непрерывным напряжением питания. 

 

Оконечное спящее устройство EMBEE

  

Оконечные спящие устройства (AD = E) всегда присоединяются к роутерам и являются оконечным устройством в сети, предназначенным для работы с батарейным питанием. Функция пониженного энергопотребления позволяет использовать устройство длительное время от батарейного питания. Мобильное спящее устройство (AD=M) выполняет все функции оконечного спящего устройства, но предназначено для перемещаемых объектов. Если мобильное устройство не обратилось к сети в течении 50 секунд, сеть удаляет его из своих таблиц.

 

Области применения

 

Беспроводная технология ZigBee предназначена для использования в системах сбора данных и управления. Она обладает малым энергопотреблением, надежностью передачи данных и защиты информации, совместима с устройствами различных производителей. EMBEE модули применяются в различных областях (рис. 2). 

 

 

 

Рисунок 2

 

 

 

 

Общие характеристики модуля

 

Интеллектуальный модуль EMBEE предоставляет разработчикам следующие удобства в работе:

• автоматическое формирование Mesh сети (координатор → всем устройствам, координатор → устройство, устройство → координатор);

• автоматическое переформирование сети при замене координатора (такую задачу может взять на себя любой роутер);

• автоматическое переподключение выпадающих из сети устройств;

• поддержка всевозможных типов устройств:

• координатор;

• роутер;

• спящее устройство;

• мобильное устройство (перемещаемое спящее устройство);

• поддержка каждым из роутеров до 6 спящих (мобильных устройств);

• получение информации о подключенных устройствах в сети;

• возможность получения эхо от любого от устройств;

• небольшие габаритные размеры;

• АТ и АРI командные режимы для конфигурирования параметров модуля и передачи данных. Общие характеристики модуля EMBEE предоставлены в табл. 1.

Таблица 1.  Характеристики модуля EMBЕЕ 

Параметр 

EMBEE 

Производительность 

Дальность связи в помещении, в городе

до 100 м

Дальность связи на открытой местности

до 1800 м

Передаваемая мощность, max (устанавливается программно)

100 мВт (20 dBm)

Скорость передачи сети

250 Kб/с

Скорость передачи данных пользователя в Mesh сети

4 800 бит/с

Скорость последовательного интерфейса (устанавливается программно)

1200 –38400 бит/с

Чувствительность приемника

–91 dBm (потеря 1 % пакетов)

Энергетические требования 

Напряжение питания

2.1–3.6 В

Ток передачи

(в импульсе 3 мс.) (Рвых=100мВт)

165мА±10%  (3.3 В)

Ток ожидания/приема (усредненный) (Рвых=100мВт)

60мА±10%   (3.3 В)

Ток выключения

1 мкA

Общие 

Диапазон частот

2400-2438 МГц

Размеры мм

24,00 х 47,60

Диапазон температур

от –40 °С до 85 °С

Тип антенны EMB-250-100СI-002

Интегрированная на плате, керамическая SMD

Тип антенны EMB-250-100UI-003

UFL разъем для подключения внешней антенны

Сетевые возможности и безопасность

Поддерживаемые топологии

Mesh сеть (координатор -> всем устройствам, координатор -> устройство, устройство -> координатор)

Вид модуляции

O-QPSK

Количество каналов

16

Количество адресов в сети

65000

Типы адресации

По идентификатору сети (PAN ID) (с 128-битным паролем), каналу и строковому идентификатору

Практическая реализация

 

После формирования сети или подключения к сети каждый из модулей EMBEE переключается в режим передачи данных. Необходимо только предварительно сконфигурировать модули, присвоить тип устройства, установить параметры сети и присвоить модулю строковый идентификатор (NI). Для конфигурирования модуля его необходимо переключить в командный режим, используя 3-символьную командную последовательность «+++».

В режиме передачи данных модуль может работать в прозрачном режиме передачи данных и в режиме API. В прозрачном режиме данные, поступающие на вывод UART nDIN отправляются адресату (строковому идентификатору), установленному в параметре DN. Этот параметр должен соответствовать строковому идентификатору NI получателя. На вывод UART nDOUT поступают входные данные от получателя. В отличие от прозрачного режима, в режиме API в пакете данных добавляется строковый идентификатор получателя DN и возвращается статус доставки данных (OK, ERROR). Таким образом, в режиме API приложение хоста может посылать пакеты данных на модуль, содержащие адрес и полезную информацию, вместо использования командного режима. 

Так же в режиме API доступны режимы удаленной записи и чтения внешних устройств модуля:

• 12 портов ввода-вывода;

• 8 каналов 10-разрядного АЦП;

• 2 ШИМ (Широтно-импульсных модулятора).

В режиме API можно переключить модуль в режим автоматического вывода подключенных цифровых и аналоговых входов на удаленный модуль. На удаленный модуль информация может приходить на UART в формате API или  в режиме виртуального отображения отображаться на выходных выводах удаленного модуля. При этом параметр IR задает частоту вывода, а параметр IU определяет вывод на UART или на порты вывода. Назначение выводов модуля EMBEE предоставлено в табл. 2.

Таблица 2.  Назначение выводов для модуля EMBEE (сигналы, передаваемые низким уровнем, подчеркнуты)

№ вывода

Название

Направ­ление

Описание

1

VCC

Питание (3.3 В)

2

nDOUT

Выход

Выход последовательных данных UART

3

nDIN

Вход

Вход последовательных данных UART

4

DIO8/NW_READY

Вход/Выход

Цифровой порт 8, готовность сети и передачи данных

5

RESET

Вход

Сброс модуля

6

PWM0/RSSI

Вход/Выход

Цифровой порт 10, выход ШИМ канала 0 или индикация силы принимаемого сигнала

7

PWM1

Вход/Выход

Цифровой порт 11, выход ШИМ канала 1

8

DIO9

Вход/Выход

Цифровой порт 9

9

SLEEP_RQ

Вход

Контроль режима сна

10

GND

Общий

11

AD4/DIO4

Вход/выход

Аналоговый вход 4 или цифровой порт 4

12

AD7/DIO7/CTS

Вход/выход

Аналоговый вход 7, цифровой порт 7 или сигнал CTS контроля передачи данных последовательного порта

13

nSLEEP_OUT

Выход

Индикатор статуса режима сна модуля

14

VREF

Вход

Опорное напряжение для АЦП

15

AD5/DIO5

Вход/выход

Аналоговый вход 5 или цифровой порт 5

16

AD6/DIO6

Вход/выход

Аналоговый вход 6 или цифровой порт 6

17

AD3/DIO3

Вход/выход

Аналоговый вход 3 или цифровой порт 3

18

AD2/DIO2

Вход/выход

Аналоговый вход 2 или цифровой порт 2

19

AD1/DIO1

Вход/выход

Аналоговый вход 1 или цифровой порт 1

20

AD0/DIO0

Вход/выход

Аналоговый вход 0 или цифровой порт 0

Командный режим и формат AT команд

 

Чтобы изменять или читать параметры модуля, он должен сначала перейти в командный режим — состояние, в котором поступающие символы интерпретируются как команды. Для перехода в командный режим необходимо выдать 3-символьную последовательность «+++». После выдачи «OK» модуль переходит в командный режим. Если время между символами последовательности «+++» превышает время, установленное в параметре GT (по умолчанию секунда), последовательность воспринимается как данные. Символы командной последовательности можно изменить с помощью команды CC.

Каждая АТ-команда представляет собой текстовую строку, которая начинается символами «АТ». Далее следует код команды, пробел, параметр команды и символы «возврат каретки» (, код 0x0D), «перевод строки» (, код 0x0A) (табл. 3). Например, команда, изменяющая номер радиоканала на «0x10» будет выглядеть так: ATCH 10. Для сохранения измененных параметров модуля в энергонезависимой памяти используется команда записи WR (Write). Если не подать команду WR, то после  выключения и повторной подачи питания будут восстановлены предыдущие значения параметров. Каждая подаваемая команда сначала распознается модулем и затем исполняется. В случае успешного выполнения модуль выдаст строку «ОК» по линии DO. Если команду не удалось исполнить, сообщение «ERROR» поступает во внешний микроконтроллер. Модуль выходит из командного режима по команде «ATCN». В командном режиме все символы можно вводить как в верхнем, так и в нижнем регистре клавиатуры. Отвечает модуль числовыми значениями шестнадцатеричного и десятичного исчисления верхнего регистра и символьными значениями нижнего регистра.

В табл. 3 - 6 приведены примеры программирования модуля.

 

Таблица 3. Конфигурирование координатора

Отсылаемая АТ-команда

Ответ модуля

+++

OK (Вошли в командный режим)

ATAD C

OK (Установить тип устройства — координатор)

ATCH 10

OK (Изменить значение CH (номер канала) на 0x10)

ATID 2222

OK (Установить идентификатор сети — 0x2222)

ATKY 1234567890

OK (Установить ключ — 0x1234567890)

ATWR

OK (записать в энергонезависимую память)

ATFR

OK (Перезапустить модуль)

 

Таблица 4. Конфигурирование роутера

Отсылаемая АТ-команда

Ответ модуля

+++

OK (Вошли в командный режим)

ATAD R

OK (Установить тип устройства — роутер)

ATCH 10

OK (Изменить значение CH на 0x10)

ATID 2222

OK (Установить идентификатор сети — 0x2222)

ATKY 1234567890

OK (Установить ключ — 0x1234567890)

ATNI router1

OK (Присвоить строковый идентификатор — router1)

ATWR

OK (записать в энергонезависимую память)

ATFR

OK (Перезапустить модуль)

 

 

 

 

Таблица 5. Передача данных от координатора роутеру (прозрачный режим AP = 0)

Отсылаемые команда/данные

Ответ модуля

 

OK (Готовность сети)

+++

OK (Вошли в командный режим)

ATDN router1

OK (Установить узел назначения — router1)

ATCN

OK (Выйти из командного режима)

12345

(Последовательность 12345 выдается в роутер)

 

Таблица 6. Передача данных от координатора роутеру (API режим AP = 1)

Отсылаемые команда/данные

Ответ модуля

 

OK (Готовность сети)

+++

OK (Вошли в командный режим)

ATAP 1

OK (Включить API режим)

ATRO 1000

OK (Установить задержку выдачи пакета 4 сек)

ATCN

OK (Выйти из командного режима)

router112345

(Через 4 с. последовательность 12345 выдается в роутер)

OK — норма ERROR — ошибка

 

Рисунок 3

 

 

Отладочные средства

 

Для отработки технических решений разработчикам предоставляется отладочная плата EMBEE-T (рис. 3). UART модуля EMBEE с помощью такой платы можно подключить к персональному компьютеру через RS-232 или USB. При подключении через RS-232 на плату необходимо подать постоянное напряжение питания 5–25 В. Все выводы модуля выведены на тестовый разъем для отработки технических решений. На плате так же присутствуют дополнительные кнопки и светодиоды для управления и отображения портов ввода-вывода. Конфигурирование модуля и передачу данных можно реализовать с помощью любого терминала, работающего в операционной системе Windows.

Для отработки технических решений и получения сетевой информации о каждом устройстве пользователям предоставляется тестовое программное обеспечение «EMBEE Radio Sniffer» (рис. 4). Программа «EMBEE Radio Sniffer» позволяет:

·        Подключатся к радиомодему, считывать и изменять основные сетевые параметры.

·        Быстро настраивать модем, используя файл с сетевыми настройками (для подготовки радиомодема для работы в уже существующей сети).

·        Сбрасывать настройки радиомодема к стандартным значениям.

·        Имеет встроенный терминал для работы с помощью АТ – команд.

·        Режим «Sniffer» необходим для обследования объекта. Позволяет проверять уровень и качество радиосигнала в реальных условиях.

 

“Sniffer” - Этот режим предназначен для переключения роутера в режим сниффера и для переключения координатора в режим постоянного автовывода с 15 с. интервалом.

·        Роутер.

После включения режима сниффера кнопка принимает обозначение “Stop”. При повторном нажатии режим сниффера будет отключен. При запуске сниффера в окнах графиков “RSSI”, “LQI” отображаются уровни мощности(RSSI) и качества(LQI) сети соответственно.

Для параметра RSSI значение -90 дБм принимает минимальное значение, а -25 дБм максимальное значение мощности.

Для параметра LQI значение 255 принимает наилучшее качество сигнала (без потерь) и 0 принимает наихудшее значение сигнала (максимальное число потерь).

 

·        Координатор.

Режим автовывода в координаторе необходим для отображения сниффером мощности

(RSSI) и качества (LQI) принимаемого сигнала с постоянным 15 с. интервалом.

При отключенном режиме автовывода координатор обращается к сети первые 5 минут после включения питания с периодом 15 сек, после чего период изменяется на 1 минуту.

При нажатии на кнопку “Sniffer” при отключенном режиме автовывода выдается запрос на включение режима - “Mode Auto off. Switch on?”. “Yes” включает режим, “No” отменяет включение. При нажатии на кнопку “Sniffer” при включенном режиме автовывода выдается запрос на выключение режима - “Mode Auto on. Switch off?”. “Yes” отключает режим, “No” отменяет отключение.

Рисунок 4

 

 

Купить продукцию компании EMBEE можно у нас. Менеджер направления Василий Козлов, контакты:

vk@rcscomponents.kiev.ua

тел.: +38-044-220-01-72