Программно­-аппаратный комплекс для беспроводных систем сбора и передачи данных ADUCRF101 + ADRadioNet. Часть 2

№ 9’2015
PDF версия
В первой части статьи было приведено описание микроконтроллера ADuCRF101 [2], его цифровой части и встроенного трансивера, предназначенного для работы в нелицензируемых диапазонах. Во второй части статьи, посвященной программно-аппаратному комплексу ADUCRF101 + ADRadioNet, описываются демонстрационные и оценочные комплекты, выпускаемые производителем, рассказывается о протоколе ADRadioNet и прикладном программном обеспечении, используемом для конфигурирования и настройки беспроводной сети датчиков.

Часть 1.

Описание протокола ADRadioNet

Компанией Analog Devices, Inc. был разработан протокол беспроводной сети ADRadioNet, предназначенный для использования в устройствах промышленной электроники, систем безопасности и инженерных систем зданий, а также в медицинской аппаратуре. Эти устройства имеют на борту радиомодули, обеспечивающие связь на короткие расстояния в диапазонах, не требующих получения лицензии. Создатели протокола, учитывая преимущественно батарейное питание устройств, которые будут использовать ADRadioNet, стремились уменьшить объем памяти, занимаемый им, а также оптимизировать режимы радиопередачи и радиоприема с точки зрения энергопотребления.

Протокол ADRadioNet отличается от традиционных протоколов отсутствием алгоритма маршрутизации, требующего большого объема памяти для хранения таблиц маршрутизации. Протокол ADRadioNet предполагает двунаправленную передачу данных с возможностью подтверждения получения сообщений, а также допускает адресацию сообщения как одному, так и многим адресатам.

Ключевые особенности протокола ADRadioNet

  • Многоэтапная (до 15 интервалов) ретрансляция передаваемых сообщений (Multi-hop).
  • Возможность работы в нескольких радиочастотных диапазонах (Multi-band).
  • Поддержка различных вариантов реализации сигнала на физическом уровне со скоростью передачи данных до 300 кбит/с (Multi-PHY).
  • Поддержка нескольких каналов передачи данных.
  • Независимая от положения узлов сети маршрутизация (Stateless routing).
  • Функция подтверждения передачи сквозных сообщений (End-to-end acknowledgements).
  • Поддержка IPv6‑адресации (без трансляции).
  • Возможность построения сетей различной топологии.
  • Возможность самовосстановления.

Как было описано в первой части статьи, беспроводная сеть датчиков состоит из конечных точек (End Point), маршрутизаторов (R) и центрального шлюза или базовой станции (CP). Для того чтобы описать работу устройств в сети, уместно ввести понятие «орбиты». В системе, работающей по протоколу ADRadioNet, беспроводные датчики подразделяются по группам, определяющим признаком отнесения к которым является удаленность датчиков от центрального шлюза (Center Point). За схожесть с моделью Солнечной системы, где планеты, движущиеся вокруг Солнца, удалены от него на различные расстояния, «орбитами» называются расстояния от центрального шлюза (что, вообще говоря, не совсем точное сравнение, так как орбита — это траектория движения, а датчики в сети неподвижны, но раз производитель использует данный термин, будем его придерживаться и мы).

В сети датчиков, использующей протокол ADRadioNet, может быть до пятнадцати орбит, то есть датчики можно разделить на пятнадцать групп, отличающихся друг от друга удалением от центрального шлюза. Дистанция, на которую датчик удален от центрального шлюза, в нашем случае называется радиусом орбиты. Настройки приемопередающего модуля датчика напрямую зависят от радиуса орбиты, в которой он находится.

Орбиты нумеруются в порядке возрастания от 0 до 15, причем номер «0» присваивается центральной точке, узлы в орбитах с номерами от 1 до 14 являются маршрутизаторами, а датчики в орбите с номером 15 обозначаются как конечные точки.

Работа в сети ADRadioNet строится на следующих принципах:

  1. Датчики в орбитах с большими номерами осуществляют связь только с датчиками в орбитах с меньшим на одну единицу номером. Иными словами, датчик в орбите номер 15 передает данные датчику из орбиты номер 14.
  2. Связь устройств, относящихся к категории конечных точек, осуществляется только через центральный шлюз.

Принципы обмена данными в сети ADRadioNet изображены на рис. 1.

Датчики сети ADRadioNet, объединенные в орбиты

Рис. 1. Датчики сети ADRadioNet, объединенные в орбиты

Как показано на рисунке, датчики из орбиты 15 (конечные точки) осуществляют связь с центральным шлюзом через датчики из орбиты 1. Если требуется увеличить дальность передачи данных (площадь охвата сети), можно добавить в сеть еще один радиус датчиков, которому будет присвоен номер 2. Для дальнейшего увеличения дистанции передачи данных последовательно добавляются новые радиусы сети с номерами 1, 2, 3, …, 14 соответственно.

Графический интерфейс пользователя

Для конфигурирования сети предназначен специальный программный пакет, который позволяет настроить сеть, не имея навыков программирования. Используется ADRadioNet01_EDK v2.0 — данная программа свободно скачивается с сайта фирмы-производителя.

Средства разработки для ADuCRF101

Для оценки возможностей микроконтроллера ADuCRF101 и разработки радиоэлектронных устройств на его основе в настоящее время выпускается несколько вариантов отладочных комплектов, объединенных общим наименованием Wireless Sensor Network Platform, или WSN Platform. Состав отладочных комплектов и оценочных плат предназначен для построения беспроводных сетей и позволяет оценить все характеристики беспроводной сети требуемой конфигурации. Особенность всех средств разработки в том, что для работы с ними используются одинаковые программные инструменты.

Оценочная плата Bunch WSN

Оценочная плата Bunch WSN базируется на микроконтроллере ADuCRF101 и содержит несколько датчиков различного назначения: прецизионный 3‑осевой акселерометр ADXL362, датчик температуры ADT75, датчик влажности и температуры SHT21 (Sensirion), ИК-датчик EKMB1201112 (Panasonic) и датчик освещенности APDS‑9005 (Avago). Питание платы осуществляется от батареи CR2032. Для подключения дополнительных устройств используется 4‑выводной разъем, подключенный к универсальным цифровым выводам микроконтроллера. Данная плата не содержит в комплекте устройства для ее программирования и, как правило, приобретается дополнительно при наличии уже имеющихся более серьезных комплектов разработки — в случае если требуется собрать макет беспроводной сети большего масштаба. Внешний вид отладочной платы приведен на рис. 2.

Оценочная плата Bunch WSN

Рис. 2. Оценочная плата Bunch WSN

 

Оценочный комплект ADUCRF101MKxZ Mini Kit

Данный оценочный комплект выпускается в двух вариантах: ADUCRF101MK1Z предназначен для работы в диапазоне 868/915 МГц, а ADUCRF101MK3Z работает в частотных диапазонах 433 МГц. Отличие данного комплекта в том, что на плате установлен высоко-
частотный разъем для подключения антенны, а сама антенна также входит в комплект поставки. Кроме того, к разъему можно подключить самостоятельно изготовленную плату с усилителем мощности, с соответствующей 50‑омной схемой согласования. В комплект поставки входит диск, содержащий дистрибутивы Keil μVision и IAR Embedded Workbench, программное обеспечение для эмулятора Segger J‑Link Software (сам эмулятор в комплект не входит). Также на диске имеются CM3WSD — утилита для загрузки программ в память микроконтроллера и специальная программа Elves, оптимизирующая работу с набором библиотек на языке С [3]. Внешний вид оценочного комплекта приведен на рис. 3.

Оценочный комплект ADUCRF101MKxZ Mini Kit

Рис. 3. Оценочный комплект ADUCRF101MKxZ Mini Kit

 

Оценочные комплекты EV-ADuCRF101QSxZ (Quick Start Kit) и EV-ADuCRF101QSPxZ (Quick Start Plus Kit)

Отличие оценочного комплекта EV-ADuCRF101QSxZ от ADUCRF101MKxZ в том, что в его состав входит плата-эмулятор J‑Link OB, предназначенная для отладки, программирования и связи компьютера с микроконтроллером через USB/UART-преобразователь. Оценочный комплект EV-ADuCRF101QSxZ также выпускается в двух вариантах, предназначенных для работы в диапазонах 433 МГц (EV-ADuCRF101QS3Z) и 868/915 МГц (EV-ADuCRF101QS1Z). Для организации связи между двумя отладочными платами можно воспользоваться комплектом EV-ADuCRF101QSPxZ (Quick Start Plus Kit), в состав которого входят две платы EV-ADuCRF101QSxZ (рис. 4).

Оценочный комплект EV-ADuCRF101QSxZ (Quick Start Kit)

Рис. 4. Оценочный комплект EV-ADuCRF101QSxZ (Quick Start Kit)

 

Оценочный комплект EV-ADRN-WSN‑1Z Evaluation Kit

Для того чтобы быстро запустить сеть беспроводных датчиков, есть смысл воспользоваться оценочным комплектом EV-ADRN-WSN‑1Z, который сформирован таким образом, чтобы из его плат можно было составить полноценную сеть датчиков из базовой станции и двух узлов датчиков. В состав комплекта входят плата EV-ADuCRF101QS1Z Mini Kit, используемая в качестве базовой станции, две платы Bunch WSN и плата-эмулятор J‑Link OB. Особенность данного комплекта в том, что в память микроконтроллера ADuCRF101 на плате EV-ADuCRF101QS1Z загружен стек протокола ADRadioNet, конфигурирующий плату как базовую станцию, в память микроконтроллеров на платах Bunch WSN загружены настройки, конфигурирующие их как беспроводной датчик движения и датчик влажности и температуры.

Дополнительно прочитать про оценочные комплекты Analog Devices Inc., предназначенные для построения беспроводных сетей датчиков, можно в соответствующем Wiki-разделе сайта производителя [6].

Таким образом, используя оценочные комплекты, можно собрать сеть требуемой конфигурации и протестировать.

 

Использование графического интерфейса пользователя (GUI)

Для работы отладочного комплекта в сети ADRadioNet следует установить специальное программное обеспечение — ADRadioNet01_EDK v2.0 (данная программа свободно скачивается с сайта фирмы-производителя) [5]. Это программное обеспечение представляет собой графический интерфейс пользователя [6], который применяется для конфигурирования микросхем в части установки настроек физического уровня (PHY) и адресов сети (MAC), а также задания параметров работы сети.

Программа состоит из двух частей – ANODE Center Point, используемой для отображения работы элемента сети – базовой станции и  ANODE CONFIGURATION, используемой для настройки центрального шлюза, конечных точек и маршрутизаторов. Графический интерфейс ANODE Center Point предназначен для отображения деталей работы всех датчиков — их адреса, номера орбит, объем передаваемых и принимаемых данных, уровень сигнала, соотношение времени работы к времени ожидания.

Графический интерфейс пользователя ANODE CONFIGURATION предназначен для установки настроек всех узлов сети — центрального шлюза, маршрутизаторов и конечных точек. Для этого выбирается соответствующий тип элемента сети (рис. 5).

Окно программы ANODE CONFIGURATION

Рис. 5. Окно программы ANODE CONFIGURATION

При настройках центрального шлюза в нем прописываются разрешенные в сети MAC-адреса, устанавливаются параметры входящих потоков и диапазон работы (рис. 6).

Окно программы ANODE CONFIGURATION в режиме конфигурирования центрального шлюза

Рис. 6. Окно программы ANODE CONFIGURATION в режиме конфигурирования центрального шлюза

При установке параметров таких узлов сети, как конечные точки и маршрутизаторы, в память устройств также прописываются MAC-адреса, устанавливается требуемый частотный диапазон и допустимый уровень передаваемого сигнала, тип модуляции, канал работы и интервал активности (рис. 7).

Окно программы ANODE CONFIGURATION в режиме конфигурирования конечной точки

Рис. 7. Окно программы ANODE CONFIGURATION в режиме конфигурирования конечной точки

 

Заключение

Во второй части статьи кратко описан протокол ADRadioNet, разработанный фирмой Analog Devices, Inc., приведены сведения об оценочных комплектах на основе микроконтроллера ADuCRF101 и рассказано о конфигурировании сети беспроводных датчиков с помощью специализированного программного обеспечения.

Литература
  1. Катков А., Вьюгин М., Коваль К. Программно-аппаратный комплекс для беспроводных систем сбора и передачи данных ADUCRF101 + ADRadioNet. Часть 1 // Компоненты и технологии. 2015. № 7.
  2. Precision Analog Microcontroller ARM Cortex M3 with RF Transceiver. analog.com/en/products/processors-dsp/analog-microcontrollers/arm-cortex-m3‑processor/aducrf101.html /страница утрачена/
  3. Precision Analog Microcontroller ARM Cortex M3 with RF Transceiver, Data Sheet 
  4. UG‑480: ADuCRF101 Evaluation Board User Guide. analog.com/media/en/technical-documentation/user-guides/UG‑480.pdf /страница утрачена/
  5. ADWSN: ADRadioNet. Technology Guide
  6. Wireless Sensor Network Platform. wiki.analog.com/resources/eval/user-guides/wsn#wireless_sensor_network_platform /ссылка утрачена/

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *