“Контроллер для организации сенсорной сети” (стр. 1 из 11)
Московский институт электроники и математики
Специальность 230101
Курсовая работа
по предмету “Информатика”
на тему “Контроллер для организации сенсорной сети”
студента группы С13-08
Волкова Игоря Юрьевича
Руководитель: проф. Восков Леонид Сергеевич
Москва
2008г
Аннотация
Простота создания сетей сбора данных, возможность их оперативного развёртывания и сворачивания, их интеллектуальность и дешевизна, лёгкость их расширения и сокращения и, наконец, приложение сетей к разным профилям жизнедеятельности – вот принципы, заложенные в идеологию персональных сетей стандарта IEEE 802.15.4. Воплощение в жизнь этих принципов и составляет цель сетевой технологии ZigBee – программной надстройки для управления сетевыми устройствами (трансиверами) стандарта.
Основная особенность технологии ZigBee заключается в том, что она поддерживает не только простые топологии беспроводной связи ("точка-точка" и "звезда"), но и сложные беспроводные сети с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений с ячеистой топологией при относительно невысоком энергопотреблении.
Области применения новой технологии - это беспроводные сети датчиков, системы автоматизации зданий, устройства автоматического считывания показаний счетчиков, охранные системы, системы управления в промышленности.
Сенсорные сети ZigBee называют самоорганизующимися и самовосстанавливающимися сетями, т.к. ZigBee-устройства при включении питания благодаря встроенному программному обеспечению умеют сами находить друг друга и формировать сеть, а в случае выхода из строя какого-либо из узлов умеют устанавливать новые маршруты для передачи сообщений.
Технология ZigBee имеет частотные каналы в диапазонах 868 МГц, 915 МГц и 2,4 ГГц. Наибольшие скорости передачи данных и наивысшая помехоустойчивость достигаются в диапазоне 2,4 ГГц, поэтому большинство производителей микросхем выпускают приемопередатчики именно для этого диапазона, в котором предусмотрено 16 частотных каналов с шагом 5 МГц.
Скорость передачи данных вместе со служебной информацией в сетях ZigBee составляет 250 Кбит/c.
Радиус охвата приемопередатчиков ZigBee зависит от очень многих параметров, но в первую очередь - от чувствительности приемника и мощности передатчика. На открытом пространстве расстояние между узлами в сети ZigBee измеряется сотнями метров, а в помещении - десятками метров. При этом следует помнить, что зона покрытия сети ZigBee значительно больше, чем расстояние между узлами, т.к. за счет ретрансляции сообщений осуществляется наращивание сети.
Технология ZigBee ориентирована на сети датчиков на основе беспроводных компонентов и имеет в этой области ряд неоспоримых преимуществ над другими технологиями. А именно:
· всемирный открытый стандарт, основанный на IEEE 802.15.4;
· легкая конфигурация сети;
· возможность ретрансляции сообщений отдельными узлами сети;
· число узлов сети может превышать 65000;
· защищенность сети в соответствии с алгоритмом AES;
· поддержка различных топологий: "дерево", "звезда", многоячейковая сеть;
· возможность взаимодействия между продуктами ZigBee различных производителей;
· электромагнитная совместимость с другими беспроводными технологиями (WiFi, Bluetooth, GSM, CDMA);
· низкая стоимость готового решения;
· минимум дополнительных компонентов.
Одним из разработчиков контроллеров ZigBee является компания Jennic, которая, создавая чипы и программное обеспечение к ним, предоставляет разработчикам возможность делать устройства, сертифицированные для ZigBee.
В данном курсовом проекте будет рассмотрено семейство таких контроллеров серии JN513x.
1. Общее описание
JN513x — это семейство недорогих микроконтроллеров с малым энергопотреблением, предназначенных для беспроводной связи по стандартам IEEE802.15.4 и ZigBee. Каждый чип из данного семейства включает приемопередатчик стандарта IEEE802.15.4, работающий на частоте 2.4 ГГц, 32-битный RISC-процессор, 192 кБ постоянной памяти (ROM), от 8 до 96 кБ оперативной памяти (RAM), а также набор аналоговых и цифровых периферийных устройств (рис. 1).
 |
Рис. 1. Структура контроллеров JN513x
Подсистема памяти (ROM/RAM) позволяет хранить системное программное обеспечение, включая стек протоколов, таблицы маршрутизации, а также код и данные пользовательского приложения. Каждое устройство содержит MAC-адрес, блок шифрования по стандарту AES, процедуры для засекречивания кода программы с помощью ключа шифрования, а также имеет режимы пониженного энергопотребления и сна. Все эти возможности сделаны для обеспечения работы беспроводного микроконтроллера от батареи в течение длительного срока.
Основные параметры
F,МГц 16/32
RAM,кБ 8/16/32/96
EEPROM,кБ 192
I/O,шт. 21
RTC Нет
UART,шт 2
SPI,шт 1
I2C,шт 1
Аналоговый компаратор,шт 1
Разрядов АЦП,бит 12
Каналов АЦП,шт 4
Разрядов ЦАП,бит 11
Каналов ЦАП,шт 2
VCC,В от 2.2 до 3.6
ICC,мА 34
TA,°C от -40 до 85
Корпус QFN-56
Особенности приемопередатчика:
- совместимость с 2.4 ГГц IEEE802.15.4;
- процессор шифрования по стандарту AES с длиной ключа 128 бит;
- MAC-ускоритель, поддерживающий форматирование пакетов, вычисление контрольной суммы, проверку адреса, автоответ;
- система управления энергопотреблением, включающая таймер сна;
- рабочее напряжение 2.2–3.6 В;
- ток потребления в режиме глубокого сна < 0.4 мкА;
- ток потребления в спящем режиме (при активном таймере сна) < 1.5 мкА;
- требует минимум внешних компонентов;
- ток потребления в режиме TX (передача) 34 мА;
- ток потребления в режиме RX (прием) 34 мА;
- чувствительность приемника -97 дБм;
- выходная мощность передатчика +3 дБм.
Особенности микроконтроллера:
- 32-битный RISC-процессор с тактовой частотой 16 МГц (32 MIPS) и низким потреблением энергии;
- 8, 16, 32 или 96 кБ RAM, в которой хранятся временные данные и (опционально) программный загрузчик;
- 192 кБ ROM, содержащей код программы, включая стек протоколов;
- 48-байтный OTP eFuse, хранящий MAC ID, который позволяет организовать шифрование по стандарту AES;
- АЦП: 4 входа, 12 разрядов; 2 11-разрядных ЦАП, 2 компаратора, 2 программируемых таймера/счетчика, 3 системных таймера;
- 2 интерфейса UART (один – для внутрисхемной отладки);
- интерфейс SPI;
- двухпроводной последовательный интерфейс;
- 21 порт ввода/вывода.
1.1. Беспроводной микроконтроллер
Приложения, которые передают данные по беспроводному каналу, являются более сложными чем передающие по проводному. Беспроводные протоколы требуют строгих частот, форматов данных, синхронизации передач данных, безопасности и др. Прикладная разработка должна выполнить эти требования в дополнение к функциональным возможностям продукта и пользовательским интерфейсам. Чтобы минимизировать эту сложность, Jennic предоставляет серию программных библиотек, которые управляют приемопередатчиком и внешними устройствами JN513x. Эти библиотеки с функциями, названными Интерфейсом прикладного программирования (API), устраняют потребность разработчика в знании беспроводных протоколов и очень упрощают программирование режимов мощности, прерываний и аппаратных функциональных возможностей. Кроме того, JN513x будет запрограммирован на языке высокого уровня C, отладка будет производиться с использованием комплекта разработчика программного обеспечения серии JN5.
Ввиду вышеизложенного, тонкости JN513x не представлены курсовом проекте. Доступ ко всем внешним устройствам получен с использованием вызовов API из периферийной библиотеки. Такие вызовы отформатированы шрифтом курьера например vAHI_Init ().
Совместимая беспроводная сеть IEEE802.15.4 может быть разработана, используя библиотеку MAC IEEE802.15.4. Эту библиотеку могут использовать непосредственно как простые (точка-точка, звезда или дерево) беспроводные сети так и более сложные беспроводные ячеистые сети, такие как ZigBee, или IPv6.
1.2. Беспроводной приемопередатчик
Беспроводный приемопередатчик высоко интегрирован, и совместно с MAC библиотекой IEEE802.15.4 требует небольшого количества знания RF или беспроводного дизайна.
Беспроводный приемопередат[1]чик включает 2.45GHz радио-блок, модем O-квадратурной-фазовой-модуляции, контроллер полосы немодулированных частот и сопроцессор безопасности. Радио-блок содержит 200 Ω дифференциальный порт антенны, компоненты которого находятся в микросхеме. Это позволяет подключать дифференциальную антенну непосредственно к порту, минимизируя стоимость системы. Подключение к антенне может быть достигнуто с использованием 200/50 Ω 2.45GHz симметричного трансформатора. Кроме того, радио-блок также имеет выход для контроля переключения передачи-приема внешними устройствами, такими как усилители мощности.
Сопроцессор безопасности обеспечивает аппаратную обработку 128-битового AES-CCM, CBC1, CTR и CCM, определенных стандартом 802.15.4b. Обработка происходит во время передачи и приема, требуя минимального вмешательства центрального процессора. Она также доступна для автономного использования под программным управлением для шифровки и расшифровки пакетов, сгенерированных программными уровнями, такими как пользовательские приложения и Zigbee. Это означает, что реализация данных алгоритмов может быть снята с центрального процессора, увеличивая его пропускную способность для пользовательских приложений.
Элементы приемопередатчика (радио-блок, модем и процессор полосы немодулированных частот) взаимодействуют для обеспечения 802.15.4 MAC (управление доступом к предающей среде) под управлением стека протокола, поставляемым с устройством как программная библиотека. Приложения, использующие функциональные возможности IEEE802.15.4, могут быть быстро разработаны, сочетая разработанное пользователем прикладное программное обеспечение с этой библиотекой.