Прикладные аспекты практической реализации беспроводных узлов

Варианты построения беспроводных систем

Для обмена данными во всем мире предоставляются нелицензируемые радиочастотные диапазоны. В РФ на основании Решения Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) № 08-24-01-001 от 28.04.2008 и № 07-20-03-001 от 07.05 2007 для этих целей выделены частотные диапазоны 433.075 - 434.750 МГц и 868,7-869,2 МГц, 915 МГц, 2,45 ГГц, 5,8ГГц. Эти частоты могут использоваться без оформления специального разрешения ГКРЧ и совершенно бесплатно при условии соблюдения требований по ширине полосы, излучаемой мощности (до 10 мВт в районе частоты 434 МГц и до 25 мВт в районе частоты 868 МГц, до 100 мВт в диапазоне 2,4 ГГц) и назначению радиопередающего изделия.

Помимо законодательных критериев, при выборе частотного диапазона следует учитывать и технические факторы.

Для диапазона 2,400-2,4835 ГГц доступно больше частотных каналов, доступны более высокие скорости передачи, возможен непрерывный режим работы (для радиочасти), более компактные антенны. С другой стороны, устойчивая работа реализуется на более коротких расстояниях, возрастает влияние различных помех (интерференционные, многолучевое распространение, препятствия).

Для частот менее 1 ГГц разрешенные частотные диапазоны в различных странах могут отличаться и не всегда возможно использовать одну и ту же элементную базу. Также не везде разрешена непрерывная радио активность устройства.

Преимущества касаются лучшей дальности устойчивой работы по сравнению с частотами 2,4 ГГц диапазона, при одинаковой выходной мощности передатчика, уменьшению влияния препятствий на прохождение сигнала (особенно актуально для работы внутри зданий и офисных помещений).

Беспроводные сети применяются для организации связи, как в пределах здания, так и вне помещений, а также на подвижных объектах.

На программном уровне, на рынке беспроводных систем представлено несколько протоколов для сетей датчиков, обеспечивающих надежную связь, поддерживающих сети различных топологий, и снижающих энергопотребление узлов сети.

Беспроводные решения могут быть использованы для организации беспроводной связи с помощью пользовательских протоколов передачи данных, либо для реализации решений, использующих стандартные сетевые стеки коммуникации на основе спецификации IEEE 802.15.4 или решений фирм-производителей компонентов для беспроводных систем. Так, стандарт IEEE 802.15.4 является основой для таких приложений, как ZigBee RF4CE (бытовая электроника), поддерживающих профиль дистанционного управления (ZRC) или профиль устройств ввода (ZID). Широкое распространение получили ZigBee PRO-совместимые беспроводные сети, такие как сети автоматизации помещений (ZHA), автоматизации зданий (ZBA), управления освещением (ZLL) или интеллектуального распределения электроэнергии (ZSE). Стандарт IEEE 802.15.4 также используется для реализации коммуникационного уровня протокола IPv6/6LoWPAN для маломощных беспроводных систем.

Появление и развитие стандартов постоянно расширяет сферу применения беспроводных технологий. Внедрение систем автоматики и автоматизации, несмотря на кажущуюся порой избыточность, показало свою эффективность. В основе этого лежат разветвленные сети датчиков, управляемых узлов и механизмов. Даже для небольшого автоматизированного объекта их количество может превышать несколько сотен. Более того, современные задачи автоматизации требуют прозрачного межмашинного взаимодействия (M2M interaction), развитых сервисов, взаимодействия с базами данных, и даже пользовательского интерфейса. Основными критериями разработчиков при выборе элементной базы становятся энергопотребление, радиочастотные характеристики (чувствительность приемника, выходная мощность передатчика), объем памяти, доступный приложениям. Оптимизация стратегии энергопотребления с учетом особенностей приложения важна для систем с автономным питанием. Не последним требованием является и безопасность передаваемых данных.

Производителями беспроводных компонентов предлагается и развивается три подхода к построению беспроводных узлов.

Подход первый - приемопередатчик совместно с управляющим микроконтроллером. В этом случае микроконтроллер отвечает за работу сетевого стека и за работу прикладных задач. Приемопередатчик подключается к контроллеру посредством SPI или UART интерфейса. Данный подход позволяет комбинировать беспроводные компоненты и управляющие контроллеры для получения оптимальных показателей по одному или нескольким показателям: энергопотребление, массо-габаритные показатели, набор требуемых функций, наличие программных библиотек, стоимость решения. Кроме того, вполне допускается комбинация решений от различных производителей, хотя чаще всего бывает достаточно элементной базы, предлагаемой отдельно взятым производителем.

Вторым вариантом является применение систем-на-кристалле, содержащих в одном корпусе и приемопередатчик, и микроконтроллер. Процессорное ядро контроллера при этом также выполняет и стек протоколов и приложения. Данное решение является более компактным, требует меньшего количества компонентов.

И в том, и в другом случае при отладке приложения необходимо отслеживать работу и стека протоколов, и приложения. Кроме этого, некорректная работа приложения может привести к прекращению выполнения процедур стека протоколов, и, как следствие, выхода узла из сети, что в свою очередь может повредить выполнению распределенного приложения в целом. Аналогично, ошибки в работе стека протоколов могут привести к зависанию микроконтроллера или прекращению выполнения приложения. Узел, в таком случае, перестает выполнять свои функции.

Многофункциональные однокристальные беспроводные решения обеспечивают разработчикам возможность удовлетворения самых высоких требований потребителей при одновременном увеличении гибкости приложений, сокращении количества необходимых комплектующих и занимаемого места на печатной плате. На сегодняшний день на рынке однокристальных беспроводных микроконтроллеров присутствуют несколько фирм: Atmel, Freescale Semiconductor, Microchip, Nordic, NXP, Silicon Laboratories, ST Microelectronics, Texas Instruments. Условия достаточно сильной конкуренции вынуждают компании постоянно совершенствовать архитектуру систем-на-кристалле, оптимизировать параметры приемопередатчиков, режимы энергосбережения, развивать программное обеспечение, предлагая программные библиотеки, стеки протоколов, среды и средства разработки.

Аппаратные возможности микроконтроллеров беспроводных систем-на-кристалле отличаются друг от друга, как по разрядности обрабатываемых данных, так и по максимальным рабочим частотам. Представлены 8-, 16-, и даже 32-битные процессорные ядра. Достаточно часто в качестве управляющих микроконтроллеров в беспроводных системах-на-кристалле встречаются общепринятые стандартные процессорные ядра, такие как, 8-битные ядра архитектуры х51 и 32-разрядные ARM-ядра. В ряде случаев фирмами предлагаются законченные решения - беспроводные системы сбора данных, интегральные датчики физических величин.

Третьим вариантом является разнесение выполнения прикладной задачи и стека протоколов на разные микроконтроллеры. Один из контроллеров выполняет прикладную задачу, контроллер с интегрированным беспроводным интерфейсом, так называемый, сетевой процессор, выполняет сетевые задачи - подключение к сети, маршрутизация, передача данных. Данные решения предлагаются как для общепринятых стандартов (например, сети ZigBee, 6LoWPAN или Bluetooth), так и для проприетарных протоколов. В качестве сетевого контроллера, как правило, выступает беспроводная система-на-кристалле. В данном случае также остается свобода выбора прикладного и сетевого контроллера в зависимости от потребностей конкретных приложений.

Жизненный цикл разработки беспроводных систем

Каждая область применения беспроводных систем характеризуется наличием определенного количества узлов и предназначено для решения определенного класса задач или предоставления пользователям определенных сервисов.

Как правило, количество узлов зависит от числа агентов, выявленных в результате декомпозиции задачи, и может варьироваться от двух до нескольких тысяч. При декомпозиции задачи анализируются потоки данных между агентами, выясняется их направленность, интенсивность, определяется расположение конечных узлов сети и требования к их мобильности.

Разработчику доступны как проприетарные решения, так и решения, основанные на международных стандартах, потенциально расширяющие возможный рынок потребления конечных устройств и гарантирующие совместимость и совместную работу систем - в частотности поддержка стандарта 802.15.4 и протоколов на его основе ZigBee и 6LoWPAN.

Каждая из топологий требует, естественно поддержки в виде сетевого приложения или протокола.

Фактически, каждая прикладная задача в области беспроводных систем представляется как отдельный проект со своими этапами развития и жизненным циклом. Типичный цикл разработки для беспроводных систем следующий:

1. Определение требований:
   • количество узлов сети;
   • анализ и выбор необходимой топологии сети;
   • среднее расстояние между узлами;
   • диапазон требуемых скоростей передачи данных;
   • энергопотребление узлов и источники их питания (стационарное питание, автономные устройства);
   • типичное время работы узлов в автономном режиме.
2. Выбор технологий реализации:
   • адаптация типовых решений или разработка "с нуля";
   • выбор или разработка стека протоколов;
   • приведение в соответствие с правовыми, техническими и медицинскими нормами;
   • выбор между использованием модулей и микросборок и самостоятельной разработке узлов на основе наборов микросхем - оценка временных и денежных затрат.
3. Проектирование:
   • выбор линейки продуктов для построения решения;
   • выбор антенн;
   • разработка печатной платы;
   • выбор средств разработки программного обеспечения сетевого приложения;
   • поддержка разработки - симуляция, отладочные платы, эскизный проект.
4. Тестирование приложения:
   • сертификация;
   • проверка совместной работы с другими беспроводными системами или обеспечение совместимости с ними;
   • тестирование работы приложения.
5. Производство:
   • планирование жизненного цикла продукта и его сопровождение;
   • система контроля качества.