Примеры аппаратных решений решения для беспроводных сетей различных технологий
Модули Bluetooth Low Energy компании BlueGiga
BlueGiga одной из первых компаний, которая начала внедрять технологию Bluetooth Low Energy в своих устройствах. Однорежимные устройства (single-mode) выпускаются с 2010 года, и с 2011 года выпускаются двухрежимные устройства (dual-mode) [54, 55].
На данный момент BlueGiga предлагает серии BLE устройств:
- модуль BT111 Bluetooth Smart Ready HCI Module;
- USB-устройство BLED112 Bluetooth low energy dongle;
- модуль BLE112 Bluetooth low energy module.
Модуль BT111
BT111 предназначен для приложений, в которых необходима работа и с классическими Bluetooth устройствами, и с устройствами Bluetooth Low Energy и представляет собой миниатюрный модуль поверхностного монтажа со встроенной антенной (Рис. 4.31).
При выходной мощности до 8 дБм модули BT111 могут поддерживать соединение на расстоянии порядка 100м в пределах прямой видимости. Чувствительность приемника составляет -89 дБм.
В основе BT111 лежит беспроводная система-на-кристалле CS8510 [56] содержащая Bluetooth трансивер, 16-битный RISC микроконтроллер с достаточно эффективной схемой управления энергопотреблением и распределением памяти. Ядро микроконтроллера при поддержке контроллера прерываний, таймера исполняет стек протоколов Bluetooth, а также отслеживает беспроводной интерфейс и интерфейс к хост-контроллеру. Встроенный в CS8510 LDO регулятор позволяет модулю работать в диапазоне напряжений от 1.8 до 3.6 В.
CSR8510 дополнительно имеет SPI, PCM и USB (Full-speed 12 Мбит/с) интерфейсы. Кроме того, доступны до четырех линий ввода-вывода, которые могут быть использованы в качестве линий индикаторов, в качестве входных линий, а также в режиме совместимости с Wi-Fi.
Помимо самой однокристальной системы CS8510 в состав BT111 входят: монопольная керамическая антенна, входной фильтр, EEPROM объемом 32 Кбайта и кварцевый резонатор на 26 МГц. Структурная схема BT111 представлена на Рис. 4.32.
Антенна обеспечивает усиление порядка 0.5 дБм, радиочастотный фильтр позволяет уменьшать уровень помех модуля. Встроенная EEPROM может быть использована для хранения настроек модуля, таких как, выходная мощность передатчика, конфигурация периферийных интерфейсов, настройки и идентификаторы USB, адрес Bluetooth.
BT111 может работать совместно с Wi-Fi устройствами. Для этого предусмотрено три режима совместимости:
- Unity-3;
- Unity-3e;
- Unity+.
CS8510 обладает весьма впечатляющими объемами памяти и эффективной схемой управления ею. Так, модуль управления памятью поддерживает несколько кольцевых буферов для передачи данных между хост-контроллером и беспроводным интерфейсом при минимальном участии в этом процессорного ядра.
В CS8510 56 Кбайт оперативной памяти разделятся между кольцевыми буферами для голосовых данных или для пакетов данных для каждого из поддерживаемых активных соединений. Встроенная постоянная память объемом 5 Мбайт предназначена для хранения прошивки стека протоколов, настроек модуля и кода прикладных программ.
Модуль BLE112
Модуль BLE112 (Рис. 4.33) является однорежимным BLE-модулем, предназначенным для сенсорных систем и BLE-аксессуаров с батарейным питанием. BLE112 поддерживает практически все возможности устройств BLE - беспроводная передача данных, поддержка стека протоколов BLE и ряда профилей BLE-устройств, дополнительно присутствует возможность хранения пользовательских приложений, таким образом, возможна работа модуля BLE без внешнего контроллера.
BLE112 отличает достаточно низкое энергопотребление и широкий диапазон напряжений питания. Так он может напрямую работать от 3В батарейки типа "монета" или от пары "мизинчиковых" батареек (тип ААА). В режиме сна модуль потребляет только порядка 400 нА, переход в активный режим осуществляется за доли миллисекунд, а в режиме передачи ток потребления составляет около 27 мА (при выходной мощности 0 дБм).
Трансивер BLE112 обеспечивает выходную мощность в пределах от -23 до 3 дБм и чувствительность по приему порядка -85…-91 дБм.
BLE112 основан на BLE-процессоре от Texas Instruments СС2540 [8], и в дополнении к самому беспроводному процессору имеет встроенные кварцевые резонаторы на 32 МГц и на 32.678 КГц, обеспечивающие тактирование CC2540, согласующий фильтр и миниатюрную керамическую антенну. На печатной плате модуля предусмотрено также посадочное место для UFL разъема, позволяющего подключать внешнюю антенну. Структурная схема BLE112 представлена на Рис. 4.34.
СС2450 содержит высокопроизводительный микроконтроллер архитектуры 8051 с 8 Кбайтами оперативной памяти и до 256 Кбайтами флеш-памяти с возможностью перепрограммирования самим устройством. Пяти канальный контроллер прямого доступа в память позволяет весьма эффективно организовать работу с периферийными устройствами и памятью, существенно экономя ресурсы процессорного ядра. Контроллер прерываний обслуживает до 18 каналов прерываний с четырьмя уровнями приоритета, включая прерывания от таймеров, периферийных устройств, линий ввода-вывода.
Набор периферийных устройств включает в себя:
- таймер с ультранизким потреблением, работающий от внешнего 32 КГц резонатора;
- сторожевой таймер;
- 40-битный таймер, используемый стеком протоколов BLE;
- 16-битный таймер с функциями счетчика, ШИМ-генератора и таймера;
- два 8-битных многофункциональных таймера (таймер/счетчик/ШИМ);
- два асинхронных последовательных интерфейса;
- модуль шифрования (AES128);
- 8-канальный АЦП с разрядностью от 7 до 12 бит и скоростями преобразования от 30 до 4 КГц и встроенным датчиком температуры;
- аналоговый компаратор.
Еще одним устройством, предлагаемым BlueGiga для приложений BLE, является USB-BLE модуль BLED112 (Рис. 4.35). Сохраняя функциональность, аналогичную модулю BLE112 (за исключением возможностей ввода-вывода) он выполнен в формате USB устройства и позволяет подключать другие BLE к персональному компьютеру. BLED112 может также выполнять роль виртуального COM-порта или USB-HID устройства.
BLED112 может также быть полезен при отладке и демонстрации приложений, использующих стек протоколов Bluetooth Low Energy.
Программное обеспечение
BlueGiga предоставляет ряд инструментов и сред, для разработки BLE-приложений, а также для настройки модулей и отладки встроенного программного обеспечения.
Программный интерфейс BGAPI совместно с библиотекой BGLib C-library позволяет достаточно легко и эффективно использовать ресурсы модулей BlueGiga внешним хост-контроллером. Программный пакет Profile Toolkit позволяет производить разработку и отладку пользовательских приложений для BLE-модулей.
BGScript предназначен для быстрой разработки приложений без глубоких знаний особенностей работы стека протоколов, для отладки и тестирования логики работы приложений. Приложения на BGScript могут разрабатываться и для хост-контроллера и для самих модулей (Рис. 4.36).
увеличить изображение
Рис. 4.36. Структурная схема программного обеспечения, предоставляемого BlueGiga
Области применения
Ассортимент устройств с технологией Bluetooth Low Energy от BlueGiga позволяет строить решения на их основе для самых различных секторов рынка встраиваемых беспроводных устройств:
- спортивное оборудование и аксессуары - измерители пульса, шагомеры, регистраторы ритма - выполненные в виде наручных часов, браслетов;
- датчики - температуры, влажности, присутствия;
- системы сбора и отображения данных;
- бытовые медицинские устройства - весы, тонометры, глюкометры, датчики температуры, дистанционные устройства вызова (в частности, т.н. "радионяни");
- устройства бытовой электроники - пульты и консоли управления, беспроводные устройства ввода (мышки, клавиатуры, графические планшеты);
- средства автоматизации - части систем домашней автоматики, в частности как шлюзы между домашней сенсорной сетью и мобильными телефонами с Bluetooth;
- информационные устройства - распространение информации о помещениях, объектах, отделах посредством широковещательных сообщений.
Отдельно можно выделить возможность применения BLE устройств BlueGiga в устройствах обеспечения безопасности. Это могут быть тревожные кнопки, бесконтактные ключи, выполненные в виде отдельных брелоков или функционирующие на базе мобильных телефонов.
Ряд задач может быть решен на основе обнаружения присутствия других BLE устройств в радиусе действия сигнала центрального узла. К таким задачам относятся устройства-сигнализаторы, позволяющие обнаруживать удаление владельца от сумочек, багажа, кошельков, портмоне со встроенным BLE модулем и сигнализирующее ему и окружающим (при необходимости) о потере владельца. Модули серий BLE111, BLE112 благодаря своим компактным размерам, низкому профилю и малому потреблению позволяют встраивать сигнализирующие устройства непосредственно в сами предметы (карманы сумочек, корочки кошельков и записных книжек, стенки портфелей). Будучи встроенными в браслеты или брелоки, подобные устройства помогут, к примеру, не потерять ребенка в местах с большим скоплением людей (рынки, вокзалы, супермаркеты, аэропорты), как бы это не казалось странным, но такая проблема существует.
Примерно аналогичным образом BLE устройства могут служить для учета времени прихода/ухода работников - устанавливаются на входе или выдаются по приходу на работу. Возможна также реализация систем мониторинга присутствия:
- в случае офисного применения - проверка прав доступа работника к данному компьютеру или информации, автоматическая блокировка-разблокировка системы в целях предотвращения несанкционированного доступа к информации, учет нахождения на рабочем месте (в частности достаточно полезно при внутреннем расследовании инцидентов, связанных с нарушением политики информационной безопасности компании);
- в промышленном применении - автоматическая блокировка/разблокировка оборудования для защиты от несанкционированного включения (например, на время проведения ремонтных или регламентных работ) или выключения;
- для строительной отрасли, при погрузочно-разгрузочных работах - для сигнализации нахождения в опасной зоне или индикации присутствия человека в зоне проведения работ.
Специализирующаяся на Bluetooth устройствах фирма BlueGige выпускает одно- и двухрежимные устройства BLE, включая модули поверхностного монтажа и USB-устройства, позволяющие благодаря компактным размерам и низкому энергопотреблению реализовывать приложения практически любых областей применения технологии BLE.