Автор: Ляшук О.М., магістрант; Дяченко С.М., к.т.н., доцент
Источник: Вісник Національного технічного університету України "КПІ"
Серія – Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2011.-№44
Безпровідні мережі все частіше використовуються у різних сферах людської діяльності. Розглянемо основні типи безпровідних мереж:
Wi-Fi (англ. Wireless Fidelity - «безпровідна точність») використовується для створення стаціонарних комп’ютерних мереж високої пропускної здатності. Дозволяє створювати мережі у місцях, де не можна прокласти кабель. Працює на частоті 2.4 ГГЦ, на відстанях до 250 м [4]
WiMAX (англ. Worldwide Interoperability for Microwave Access) — стандарт безпровідного зв'язку, що забезпечує широкосмуговий зв'язок на значні відстані зі швидкістю, порівняною з кабельними з'єднаннями. Застосовується для надання високошвидкісних сервісів передачі даних (до 70мб/с) і телекомунікаційних послуг, використовує високочастотний діапазон радіохвиль від 1,5 до 11 ГГц, максимальна відстань – 48 км. [3]
ZigBee (назва походить від комірчастої структури, яка схожа на структуру стільників бджіл) - назва набору протоколів, що застосовуються у пристроях, де потрібний великий час автономної роботи і велика захищенність при низьких швидкостях передачі даних. Працює на частотах 800, 900 МГЦ, 2.4 ГГЦ, відстань – до 1350 м. [1]
Bluetooth (назва походить від прізвища середньовічного короля Данії Гаральда I Синьозубого) – технологія для забезпечення відносно економного та дешевого радіозв’язку між різноманітними типами електронних пристроїв, таких як мобільні телефони та аксесуари до них, портативні та настільні комп'ютери, принтери. Використовується частота 2,4 ГГЦ, максимальна вістань становить 100 м.
Специфікація ZigBee розроблена на базі міжнародного стандарту IEEE 802.15.4 для створення недорогих безпровідних мереж передачі невеликих об'ємів даних із низьким енергоспоживанням.
Сфери застосування таких мереж:
Основна особливість технології ZigBee полягає в тому, що вона при відносно невисокому енергоспоживанні підтримує не тільки прості топології безпровідного зв'язку, але і складні безпровідні мережі з комірчастою топологією з ретрансляцією і маршрутизацією повідомлень ("mesh-мережі"). При цьому ZigBee-мережі здатні до самоналаштовування при відключенні окремих вузлів (наприклад, якщо розрядився акумулятор). Стандарт IEEE 802.15.4 передбачає використання 16 каналів в діапазоні 2,4 Ггц, 10 каналів в діапазоні 915 Мгц (для США) і одного каналу в смузі 868 MHz (для Єв- ропи) відповідно до неліцензійованих частотних діапазонів, прийнятих в різних країнах. Швидкість передачі даних між пристроями залежить від числа зайнятих каналів і складає від 20 до 250 кбіт/с. Окрім спрощеної 16-бітової адресації, можлива розширена 64-бітова, що дозволяє розміщувати в одній мережі до 65 тис. пристроїв.
Заявлена дальність зв'язку між двома пристроями – до 75 м, але, враховуючи, що дані в ZigBee-мережах можуть передаватися по ланцюжку пристроїв, це не є перешкодою для розгортання мережі на великих площах. У мережі можуть працювати пристрої різного функціонального призначення. Зокрема, координатор мережі здатний керувати роботою мереж різної топології, зберігати дані про їх структуру (тобто має достатній об'єм пам'яті) і в деяких випадках бути мостом до мереж іншого роду. Ретранслятор мережі просто приймає і передає дані. Є також і прийомопередавачі, здатні переговорюватися тільки з координатором. [1]
Всі безпровідні стандарти останніх версій можуть автоматично вибирати несучу частоту в своєму робочому діапазоні, яка забезпечує найкраще функціонування. Для систем, що працюють в смузі 2,4 Ггц, це особливо важливо, оскільки вони мають бути стійкі до завад, наприклад, від мікрохвильових печей, що використовують той самий діапазон. Необхідна також коректна робота мереж IEEE 802.11 і Bluetooth. Окрім ZigBee існують і інші типи мереж, засновані на стандарті IEEE 802.15.4. Наприклад, 6loWPAN або RF4CE. Стандарт 6loWPAN був розроблений для здійснення передачі даних за протоколом IPv6 у малопотужних безпровідних персональних мережах стандарту IEEE802.15.4. Основною метою розробки було забезпечення взаємодії безпровідних персональних мереж IEEE 802.15.4 з широко поширеними мережами IP, у тому числі і для доступу в Інтернет.
Стандарт RF4CE – новий стандарт управління споживчою електронікою на базі безпровідної технології, продукт консорціуму найбільших виробників побутової електроніки (Panasonic, Philips, Samsung, Sony). Він, як і ZigBee, є програмною надбудовою над стандартом 802.15.4. В порівнянні з традиційними інфрачервоними пультами нова технологія забезпечує безліч переваг, основні з яких – відсутність необхідності прямої видимості між пультом і приймачем і можливість двостороннього обміну даними. Багато сучасних пристроїв для мереж ZigBee підтримують ще і стандарти 6loWPAN і RF4CE, що дає розробникам нові можливості для проектування кінцевого продукту.
Корпорація Atmel пропонує повнофункціональні 802.15.4/ZigBee рішення з підтримкою 6loWPAN і RF4CE – сімейство MCU Wireless (AVR Z-link), що базується на AVR-мікроконтролерах і РЧ-трансиверах власної розробки.
З 2006 року базовим рішенням компанії Atmel для мереж IEEE 802.15.4/ZigBee є комбінація РЧ-трансивера AT86RF230 і AVR-мікроконтролера. Такий пристрій відрізняється низькою сумарною споживаною потужністю і високою чутливістю (-101 дБм), працює на частоті 2,4 Ггц і повністю сумісний зі стандартом IEEE 802.15.4 і його надбудовами – ZigBee, 6loWPAN і RF4CE. AT86RF230 – повнофункціональне рішення для передачі даних з послідовного інтерфейсу SPI на антену. Всі компоненти, необхідні для роботи РЧ-трансивера, за вийнятком антени, кварцевого резонатора і блокувальних конденсаторів, інтегровані в мікросхему, що знижує вартість комплектації кінцевого пристрою.
Чутливість приймача мікросхеми AT86RF230 складає -101 дБм при потужності передачі до 3 дБм, при цьому сумарний бюджет каналу зв'язку становить 104 дБм. Висока чутливість досягається без застосування зовнішніх підсилювачів, що дозволяє вирішити задачу меншою кількістю зовнішніх компонентів. Струм споживання приймача при робочій напрузі 1,8 В і 16,5 мА в режимі передачі на максимальній потужності, 15,5 мА – в режимі прийому, і 20 нA – в сплячому режимі. Подібні характеристики дозволяють кінцевому пристрою на базі AT86RF230 працювати декілька років від одного комплекту батарей. Приймач AT86RF230 випускається в компактному 32-вивідному корпусі QFN розміром 5x5 мм, який економить місце на платі кінцевого пристрою.
Пристрої Atmel 802.15.4/ZigBee/6loWPAN підтримуються сімейством мікроконтролерів Atmel AVR 8-бит RISC з об'ємом інтегрованої флешпам’яті від 32 до 256 Кбайт. Проте слід зазначити, що вибір мікроконтролерів, що використовуються спільно з РЧ-трансивером, не обмежується перерахованими базовими комплектами. Компанія Atmel регулярно випускає на ринок нові моделі AVR-мікроконтролерів з різним функціоналом, знижуючи їх енергоспоживання і підвищуючи продуктивність. Враховуючи, що всі мікроконтролери AVR сумісні за кодом, перехід на новіші моделі не вимагає переробки програмного забезпечення.
В середині 2008 року компанія Atmel повідомила про випуск нового приймача AT86RF231, сумісного з ZigBee/IEEE 802.15.4, який призначений для високошвидкісної безпровідної передачі даних в діапазоні частот 2,4 Ггц. Новий приймач орієнтований на промислове застосування, де потрібна висока швидкість передачі даних. Він є повною pin-to-pin заміною трансивера AT86RF230, що дозволяє покращити функціональність існуючих систем без принципової переробки. Приймач AT86RF231 розроблений для широкого діапазону кінцевих безпровідних застосувань – від простих з'єднань до складних мереж для стандартів IEEE 802.15.4 і ZigBee або 6LoWPAN.
Новий AT86RF231, як і AT86RF230, інтегрує всі необхідні елементи, за винятком самої антени, кварцевого резонатора і декількох конденсаторів. Проте він має також і ряд відмінних особливостей, в порівнянні з данними в табл.1, і перевершує аналоги за багатьма показниками (табл.2). Так, у нього знижено енергоспоживання і додані нові функції, що дають розробникові велику свободу при проектуванні безпровідних систем. Як приклад енергоспоживання розглянемо датчик температури на базі приймача AT86RF231 і нового компактного (44 виводи) AVR-мікроконтролера ATmega1284P, виробленого із застосуванням енергозберігаючої технології компанії Atmel picoPower [7]. Сумарний струм споживання системи в сплячому режимі з активним лічильником реального часу складає менше 600 нА, в режимі передачі – близько 20 мА. При контролі температури кожні 30 хвилин датчик зможе працювати більше восьми років від одного літій-йонного акумулятора формату АА. Для того, щоб задовольнити вимоги різних безпровідних застосувань, у AT86RF231 передбачена підтримка декількох швидкостей передачі. Підтримуються режими передачі на швидкостях 20/40 кбіт/с і 100/250 кбит/с сумісні із стандартом IEEE 802.15.4-2006. Крім того, є можливість передачі на ще вищих швидкостях (500/1000/2000 кбіт/с). У приймач інтегрований 128-бітовий прискорювач AES-шифрування/дешифрування. Це дозволяє розвантажити керуючий мікроконтролер і покращити енергоефективність систем, що використовують захищену передачу даних. Доступ до 128-бітового AES-прискорювача організований через інтерфейс SPI і можливий у будь-який момент, незалежно від виконуваних трансивером дій. Для отримання завершеного рішення Atmel рекомендує доповнювати їх трансивери мікроконтролером з сімейства AVR, які характеризуються важливими для малопотужних мікроконтролерів особливостями: висока обчислювальна потужність і мале енергоспоживання. [9]
В червні 2008 року, компанія Atmel повідомила про випуск нового IEEE 802.15.4-сумісного РЧ-трансивера діапазону 800/900 Мгц AT86RF212, призначеного для пристроїв безпровідної передачі даних малої потужності, зокрема виконаних за стандартом ZigBee і 6loWPAN. А з кінця лютого 2009 року в трансивер AT86RF212 інтегрована підтримка роботи в китайському діапазоні WPAN 779–787 Мгц. AT86RF212 характеризується кращими в промисловості РЧ-характеристиками: сумарний бюджет каналу зв'язку може досягати 120 дБ при роботі в ISM-діапазонах 700/800/900 Мгц, що використовуються в Китаї, Європі і Північній Америці, відповідно. Даний бюджет утворений чутливістю тракту прийому -110 дБм і максимальною вихідною потужністю передавача +10 дБм. Такий високий бюджет каналу зв'язку у поєднанні з меншими втратами в трактах обробки РЧ-сигналів 700/800/900 Мгц дозволять підвищити дальність безпровідного зв'язку без використання додаткового зовнішнього малошумного підсилювача або підсилювача потужності. Більш того, оскільки дальність зв'язку залежить від багатьох параметрів, зокрема від швидкості передачі даних, чутливості приймача і потужності передавача, варіюючи ці складові, можна досягти величезної дальності – до 15–20 км на відкритій місцевості. AT86RF212 в даний момент є єдиним пристроєм на ринку, що підтримує РЧ-діапазон 700/800/900 Мгц і відповідає стандарту IEEE 802.15.4.
По цьому параметру у нього немає конкурентів. Порівняння з аналогом ZMD44101 приведено в табл. 3.
Як і приймач AT86RF230, мікросхеми Atmel сімейства MCU Wireless (AVR Z-link) AT86RF231 і AT86RF212 доступні в компактному 32-вивідному корпусі QFN розміром 5x5 мм.
У лютому 2009 року компанія Atmel придбала права на програмне забезпечення (стек) BitCloudTM ZigBee PRO і серію модулів безпровідного зв'язку ZigBit компанії MeshNetics [6]. Протягом п'яти місяців компанія MeshNetics реалізовувала модулі ZigBit через ділерську мережу, але з кінця червня 2009 року дане сімейство остаточно увійшло до складу сімейства продуктів компанії Atmel для мереж ZigBee – MCU Wireless (AVR Z-link) (порівняння в табл. 4). В даний час модулі доступні для замовлення у офіційних дистриб'юторів Atmel. Модулі ZigBit є закінченими рішеннями, сертифікованими і протестованими виробником. Отже, їх застосування в кінцевому продукті з невеликим або середнім обсягом виробництва скорочує час і витрати на розробку. Модулі ZigBit виконані на основі мікроконтролера ATmega1281 і трансивера AT86RF230. Вони підтримують застосу- вання безпровідного зв'язку в ISM-діапазоні, що використовується по всьому світу. Збільшити дальність зв'язку і поліпшити проникнення крізь стіни допомагає модуль, виконаний на основі мікроконтролера ATmega1281 і трансивера AT86RF212, який підтримує регіональні ISM-діапазони 700/800/900 Мгц для Китаю, Європи і США, відповідно.
Стандарт ZigBee використовується для створення недорогих безпровідних мереж передачі невеликих об'ємів даних з низьким енергоспоживанням. Технологія краща за Bluetooth тим, що є більш автономною та дешевшою, ніж попередня. Найкраще ZigBee підтримується продукцією компанії Atmel. Застосовується у системах промислового контролю, у медичному устаткуванні, інтегрується у системи автоматизації виробничих процесів.