Публикации

!Quest

Готовые радиомодули компании EasyRF для Интернета вещей (2016)

     Стремительное развитие “Интернета вещей” (IoT, Internet Of Things) способствует появлению устойчивого спроса на высокоинтегрированные электронные компоненты, реализующие функции сбора, предварительной обработки и обмена информацией между отдельными узлами, объединенными в единую сеть. Компания easyRF,с недавних пор представленная на российском рынке, предлагает ряд малогабаритных устройств, обладающих низким собственным энергопотреблением и обеспечивающих передачу данных в нелицензируемых диапазонах частот. Готовые модули на основе однокристальных микросхем известных производителей помогают максимально быстро организовать надежный радиоканал связи.

ВВЕДЕНИЕ
     Концепция Интернета вещей подразумевает использование глобальной сети для решения задач мониторинга, измерения, управления и объединения практически любых устройств, обмен информацией между которыми имеет смысл. В одних случаях передаваемая информация может являться результатом выполнения основной функции устройства (различные датчики и измерительные модули), в другом случае это вспомогательные данные, повышающие удобство эксплуатации, например, сервисные уведомления о текущем состоянии оборудования.
     Процесс подключения отдельных элементов к сети стартовал примерно десять лет назад. Изначально это были проводные сети доступа к энергетическому оборудованию и к дорогостоящей промышленной технологической аппаратуре. Последние пять лет в мире стремительно растет число M2M-сетей счетчиков энергии, развиваются навигационные сервисы слежения за автомобильным транспортом и беспроводные системы безопасности. По оценкам экспертов аналитической компании J’son &Partners Consulting, занимающейся маркетинговыми исследованиями технологий, в 2015 году объем рынка “Интернета вещей” превысил 16 миллиардов устройств, что в денежном выражении составило 109 млрд. долларов. Прогноз на 2020 год предполагает плавную эволюцию, ожидается, что мировой спрос на такие устройства вырастет до 34 млрд. штук с общей стоимостью около 359 млрд. долларов (рис. 1).

Динамика роста и структура IoT (по данным J'son & Partners Consulting)
     Существенный рост числа объединенных в сеть приборов стал возможен благодаря развитию беспроводных технологий. Электронные компоненты для беспроводной передачи данных занимают видное место в линейках всех без исключения крупных производителей микросхем. Также  в структуре компаний появляются специализированные подразделения, ориентированные исключительно на проектирование и производство решений для “Интернета вещей”, а молодые фирмы, имеющие оригинальные разработки в этой сфере, активно раскупаются крупными игроками.
     В настоящее время “Интернет вещей” особенно востребован в таких областях, как медицина, безопасность, промышленная автоматизация, интеллектуальные сети, удалённое управление объектами, инженерные и охранные системы зданий. Все эти применения требуют наличия высокоинтегрированных компонентов передачи и обработки данных с малыми габаритными размерами и низким собственным энергопотреблением для увеличения срока автономной работы. Кроме того, современные беспроводные устройства для «Интернета вещей» должны удовлетворять следующим требованиям:
     • Максимально возможная дальность устойчивой связи;
     • Минимальная цена беспроводного модуля для каждого класса изделий;
     • Простота и надежность эксплуатации;
     • Обеспечение информационной безопасности соединения;
     • Возможность масштабирования без значительных дополнительных затрат;
     • Соответствие международным стандартам.
     Решение всех вышеперечисленных задач является обязательным условием для вывода конкурентоспособного изделия на такой насыщенный рынок.
     Компания easyRF осуществляет разработку и изготовление беспроводных коммуникационных устройств [1]. Приоритетные сферы применения – промышленное оборудование, системы безопасности и автоматизация зданий. Продукция компании включает в себя готовые к эксплуатации беспроводные модули на основе микросхем известных производителей, а также спроектированные на заказ аппаратные решения, изготовленные в соответствии с требованиями потребителей. Её отличительной особенностью являются контроль качества на всех стадиях производства, отличная техническая поддержка, привлекательные цены и гибкая система скидок.

ОДНОКРИСТАЛЬНЫЕ ТРАНСИВЕРЫ easyRF В МОДУЛЬНОМ ИСПОЛНЕНИИ
     В настоящее время доступно множество компонентов для построения систем беспроводной связи. Наиболее распространённые среди них – однокристальные трансиверы, в которых все необходимые узлы приёмопередатчиков объединены в одном корпусе. Полученные микросхемы можно использовать в собственных разработках, но более перспективными экономически выгодным способом является применение компактных модулей на их основе, не требующих дополнительного расчета, разводки и распайки внешних согласующих цепей. Как правило, для внедрения таких модулей в проектируемые устройства, необходима только антенна, рассчитанная на соответствующий частотный диапазон.
     Малогабаритные полнофункциональные модули ERF2000 и ERF2001с чувствительностью приема до -126 дБм и программируемой выходной мощностью передатчика идеально подходят для реализации двухсторонней связи на небольшие расстояния [2, 3]. Они поддерживают пакетную и беспакетную обработку данных с огромным числом настроек и уровней автоматизации, выпускаются с контактами под поверхностный монтаж и имеют сертификацию FCC, ETSI, ARIB и 802.15.4d. Диапазон питающих напряжений от 1,8 до 3,6 В и гибкая система настройки собственного энергопотребления  позволяют использовать их в устройствах с батарейным питанием. Основные рабочие характеристики, напрямую зависящие от базового чипа, представлены в таблице 1.

Основные характеристики трансиверов easyRF
     Базовыми чипами модулей являются однокристальные трансиверы компании Silicon Labs: Si4431 у ERF2000 и Si4460 у ERF2001. В общем случае они предназначены для эксплуатации в диапазонах от 240 до 930 и 142 до 1050 МГц соответственно, но в данных применениях номиналы и основные параметры их пассивной “обвязки” адаптированы под частоту 868 МГц. Оба трансивера поддерживают модуляции типов FSK, GFSK и OOK и имеют возможность псевдослучайной перестройки рабочей частоты (FHSS), что позволяет повысить эффективность приема/передачи данных в каналах, подверженных сильным замираниям. Скорость передачи устанавливается пользователем, максимальное значение не превышает 1 Мбит/с (у модуля ERF2001). Структурные схемы за редким исключением идентичны, рассмотрим основные блоки и их взаимодействие на примере ИС Si4431 (рис. 2).
     Трансивер Si4431 работает с временным разделением каналов приема и передачи [4]. В режиме приема при помощи смесителей выполняется квадратурное преобразование с однократным понижением частоты входного FSK/GFSK/OOK модулированного сигнала. Такая схема получила наибольшее распространение в современных однокристальных решениях, поскольку позволяет реализовать лучшие характеристики радиоприемного тракта в плане чувствительности и избирательности по соседнему каналу по сравнению со схемой прямого преобразования.

Внутренняя структура однокристального трансивера Si4431
     Полученные сигналы промежуточной частоты после усилителя с программируемым коэффициентом (PGA) поступают на высокопроизводительный двухканальный ΔΣ АЦП, где переводятся в цифровое представление. Программируемый и входной малошумящий (LNA) усилители охвачены цепью обратной связи, обеспечивающей автоматическую регулировку усиления. Встроенный цифровой сигнальный процессор (DSP) реализует функции фильтрации, демодуляции и обработки пакета данных, в том числе детектирования преамбулы и индикации мощности принимаемого сигнала (RSSI) с разрешением 0,5 дБ. Параметры цифрового фильтра зависят от заданного вида модуляции, его полоса пропускания программируется в пределах от 2,6 до 620 кГц. Обработанное значение демодулированного сигнала может быть передано на управляющий микроконтроллер посредством последовательного интерфейса связи SPI.
     Так как приемник и передатчик не функционируют одновременно, то для обеспечения их работы используется один прецизионный гетеродин. Блок гетеродина образуется из встроенного генератора, управляемого напряжением (VCO) и синтезатора с ФАПЧ, имеющим дробный коэффициент деления частоты. Генерируемый сигнал с высокой разрешающей способностью (шаг 312 Гц) используется для получения конфигурируемых значений скорости передачи данных, рабочей частоты и ее девиации. Основным источником тактовых импульсов для синтезатора частоты является кварцевый генератор на 30 МГц, который также обеспечивает синхронизацию цифровой части микросхемы.
     В радиопередающем тракте сигнал гетеродина модулируется с помощью цифрового модулятора и через усилитель мощности (PA) подается на выход передатчика. Для проверки целостности передаваемых данных выполняется автоматическая генерация циклической контрольной суммы CRC. При использовании GFSK модуляции подключается фильтр низких частот Гаусса для устранения нежелательных спектральных составляющих. Программируемые значения выходной мощности в пределах от -8 до +13 дБм с шагом 3 дБ и возможность подключения различных антенн позволяют оптимизировать характеристики модулей для каждого конкретного приложения. Для упрощения согласования с антенной выход УМ сделан несимметричным.
     В трансивер также интегрированы датчик температуры с погрешностью измерения 0,5 °C во всем диапазоне рабочих температур и 8-битный АЦП, помогающие уменьшить габариты и стоимость изделия. Конфигурируемые выводы общего назначения, каждый из которых можно независимо запрограммировать на выполнение определенной функции, полезны при организации взаимодействия с управляющим контроллером. Ряд дополнительных опций трансивера, таких как таймер запуска, цепь определения низкого заряда батареи, генерирующая сигнал прерывания при достижении заданного порога, FIFO TX/RX буфер размером 64 байт, позволяют использовать для управления недорогой микроконтроллер. Электрическая принципиальная схема модуля ERF2000 и его соединение с микроконтроллером показаны на рис. 3.

Внутренняя структура и схема подключения модуля ERF2000 компании easyRF
     Цепь согласования импедансов C4, C5, L5, L6 обеспечивает согласование входа приёмника с антенной и выходным фильтром передатчика C1-C3, L2-L4. Дроссель L1 является нагрузкой выходного каскада передатчика. Номиналы C1-C5 и L1-L6 зависят от диапазона частот и режима выходного каскада. Нагрузочные конденсаторы для кристалла кварца интегрированы в микросхему трансивера. Они могут программно подстраиваться для компенсации ухода частоты задающего генератора при изменении температуры окружающей среды или корпуса в процессе работы путем использования встроенного датчика температуры.

ОДНОКРИСТАЛЬНЫЕ РАДИОМОДУЛИ easyRF С ИНТЕГРИРОВАННЫМ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОМ
     Данная линейка продукции представлена тремя модулями ERF1000, ERF1001 и ERF1002, рассчитанными на наиболее популярные нелицензируемые ISM частоты: 2400, 433 и 868 МГц соответственно [5, 6, 7]. Они могут найти применение в различных IoT системах: домашней автоматизации, оборудовании для удалённого мониторинга, беспроводной передачи данных, системах промышленного управления и контроля, медицинской аппаратуре и т.д. Радиомодули представляют собой полностью завершенные решения, применение которых позволяет уменьшить сроки разработки, решить ряд вопросов по сертификации, а так же быстро реализовать мелкосерийные проекты. Все необходимые для работы беспроводного узла сети компоненты сгруппированы на малогабаритной печатной плате размерами 15*16 мм, устройства с такими габаритами могут быть размещены в непосредственной близости к компактным датчикам и прочим IoT-компонентам. Диапазон рабочих температур – промышленный (от -40 до +85°С). Основные параметры, как радиочастотной части, так и встроенного процессорного ядра, показаны в таблице 2.

Основные характеристики радиомодулей easyRF
     В качестве примера рассмотрим характеристики модуля ERF1000 (рис. 4). Он изготавливаются с применением микросхем нового семейства систем на кристаллеSAMR21, представленного компанией Atmel в 2015 году [8]. Их основное назначение – построение интеллектуальных сетей беспроводных датчиков и исполнительных устройств с аккумуляторным питанием. Используемое в модуле однокристальное решение представляет собой микроконтроллер на базе ядраCortexM0+ (максимальная тактовая частота 48 МГц) и интегрированный радиотрансивер AT86RF233 с несущей частотой 2,4 ГГц, максимальной выходной мощностью +4 дБм, чувствительностью приема -99 дБм и скоростью передачи данных до 250 кбит/с.
     За радиочастотные параметры модуля отвечает AT86RF233 – многофункциональный, малопотребляющий приемопередатчик, ориентированный на применение в промышленных и потребительских приложениях стандартов IEEE 802.15.4, ZigBee, 6LoWPAN и оборудовании ISM диапазона частот. Помимо приемника и передатчика содержит цифровой блок модуляции/демодуляции и цепь синтезатора частоты с ФАПЧ. Двунаправленные дифференциальные линии подключения антенны позволяют отказаться от использования внешнего переключателя антенны. Приемник и передатчик оснащены FIFO буферами по 128 байт RAM памяти. Встроенная схема управления напряжением питания, состоящая из LDO регуляторов, обеспечивают питание аналоговой и цифровой части ИС от шины питания напряжением от 1,8 В до 3,6 В.
     Другие аппаратные особенности:
     • Программируемая выходная мощность передатчика: от -17 дБм до +4 дБм;
     • Простой в использовании интерфейс управления регистрами, буферами данных и модулем кодирования AES посредством скоростного SPI интерфейса;
     • Возможность использования скачкообразной смены частоты;
     • Схема мониторинга заряда батареи и быстрый выход из режима сна (менее 0,4 мс);
     • 128-битный аппаратный модуль шифрования по стандарту AES для защиты данных;
     • Наличие функции разнесенной антенны, улучшающей характеристики радиоканала и надежность связи;
     • Несколько режимов пониженного энергопотребления для увеличения срока автономной работы.

Структурная схема модуля ERF1000 компании easyRF
     Характеристики интегрированного микроконтроллера аналогичны параметрам 32-битного семейства SAMD21 компании Atmel. Его отличительной особенностью является наличие модулей последовательного коммуникационного интерфейса(SERCOM), полностью программно конфигурируемых для работы с шинами I2C, USART/UART и SPI. Благодаря четырем имеющимся “на борту” модулям SERCOM разработчик может гибко адаптировать различные периферийные узлы под задачи конкретного приложения, при этом существует возможность выбора используемых выводов. 12-канальный контроллер прямого доступа к памяти (DMA) разгружает процессор от обслуживания операций ввода-вывода, способствуя увеличению общей производительности. С помощью аппаратно реализованного контроллера Atmel QTouch можно создавать сенсорные интерфейсы с большим количеством элементов управления (кнопок, слайдеров, дисковых элементов ввода и т.д.). Контроллер отличается высокой чувствительностью и стойкостью к помехам, а также имеет схему автоматической калибровки, устраняя, тем самым, необходимость пользовательской настройки. Встроенный микроконтроллер также оснащен полноскоростным (12 Мбит/с) интерфейсом USB 2.0 с поддержкой режимов USB Device и USB Host. Главное же нововведение – использование высокоэффективного ядра Cortex-M0+ с оптимизированными системами питания и тактирования. Пониженное энергопотребление достигается использованием системы событий, позволяющей периферийным блокам взаимодействовать между собой без участия ЦПУ и выводить его из режима сна только в заранее определенных случаях.
     Объема интегрированной flash памяти (256 кбайт) достаточно для программного решения задач обработки полученных данных, также она может использоваться для “прошивки” стека выбранного протокола. Аналоговая периферия представлена 8-канальным 12-битным АЦП общего назначения и двумя компараторами. Порты ввода-вывода могут использоваться для обмена данными с внешними устройствами, обработки внешних прерываний или в качестве ШИМ выходов нескольких таймеров.

ДЕМОНСТРАЦИОННЫЕ ПЛАТЫ ДЛЯ МОДУЛЯ ERF1000
     Оценочные платы позволяют продемонстрировать все возможности модуля ERF1000. Для максимально быстрого внедрения модулей в свои проекты комплект поставки содержит одну плату с Ethernet интерфейсом (рис. 5), выступающую в качестве шлюза и две упрощенны еплаты, предназначенные для применения в оконечных узлах сети [9]. Также в комплект поставки входят: антенна на 2,4 ГГц, JTAG программатор/отладчик и преобразователь напряжения с питанием от USB порта. Каждая плата включает в себя богатый набор аппаратных интерфейсов: для связи с внешними устройствами USB, RS-232, RS-485, IrDa и JTAG для отладки встроенного ПО. Графический LCD дисплей, джойстик и сенсорный поворотный переключатель помогают организовать интерфейс пользователя. Широкий спектр датчиков в интегральном исполнении (освещенности, приближения, давления, влажности, а также 3D акселерометра, гироскопа и магнитометра) позволяет выполнить тестовый сбор типовых данных с удаленных узлов.

Внешний вид отладочной платы на базе модуля ERF1000
     В некоторых применениях демонстрационную плату можно использовать непосредственно в своих устройствах без внесения дополнительных исправлений в конструкцию и схемотехнические решения (рис. 6). Этому способствует наличие готовых программных решений. Серверная часть написана с использованием популярного фреймворка NodeJSExpress, клиентская – на основе AngularJS и BootstrapCSS. Из других особенностей интересны полная поддержка протоколов IPv4 и IPv6, возможность применения в самосинхронизирующихся многоячейковых сетях и удаленного обновления встроенного программного обеспечения, а также использование HTTP протокола для легкой интеграции в веб-сервисы.

Беспроводная сеть с применениям оценочных плат easyRF

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
     Рост числа устройств, подключенных к “Интернету вещей”, способствует широкому использованию малогабаритных изделий беспроводной передачи данных. Модули easyRF, построенные на основе микросхем известных производителей, отличаются широкими функциональными возможностями, простым цифровым интерфейсом и очень малым током потребления. Они идеально подходят для недорогих компактных автономных устройств, входящих в состав беспроводных сетей различного типа.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1) Официальный сайт компании easyRF. // easyrf.eu
2) ERF2000: ISM transceiver for 868 MHz. Product brief.f
3) ERF2001: High performance, low power transceiver 868 MHz. Product brief.
4) SI4430/31/32 ISM transceiver. Datasheet. October, 2010, rev. 1.1
5) ERF1000: Low power wireless module with ARM Cortex M0+. Datasheet. rev. 1
6) ERF1001: Low power wireless module with ARM Cortex M0+. Product brief. rev. 1
7) ERF1002: Low power wireless module with ARM Cortex M0+. Product brief. rev. 1
8) Atmel SAM R21E / SAM R21G:SMART ARM-based wireless microcontroller. Datasheet.
9) ERF1000eval kit. Product brief.