Pojem "bezdrátová radiová komunikace (RF)" však zahrnuje dnes již velké množství různých standardů poskytující různou schopnost síťové komunikace, složitost, dosah a zabezpečení přenosu dat proti nechtěnému rušení nebo neoprávněnému přečtení. Zatímco ve spotřební elektronice se již zabydlel standard Bluetooth pro komunikaci na krátké vzdálenosti do několika metrů, WiFi pro rychlý přenos dat až na stovky metrů se stává populární již i v průmyslových aplikacích, kde se zatím bezdrátový přenos moc nevyužíval nebo jen v jednoduché podobě komunikace zařízení - zařízení (point-to-point) jako přímá náhrada propojovacího kabelu.Technologie WiFi se však obecně vyznačují dost velkou spotřebou el. energie a složitostí. Do oblasti RF přenosu dat se tak snaží prosadit i další moderní standardy a technologie, jako je například ZigBee.

ZigBee již zvláště v senzorice a v oblasti MaR začíná být stále více populárnější, protože poskytuje jak možnost bod-bod (point-to-point), tak i síťové (network) komunikace (hvězda, strom, MESH) až 256 jednotek se zabezpečeným přenosem a zároveň nízkou spotřebou při dosahu i mnoha desítek metrů. Snadná struktura umožňuje implementaci tzv. ZigBee Stacku do běžného MCU (např. typu ATMEL), tedy samozřejmě mimo fyzické radiofrekvenční části realizované speciálním integrovaným transceiverem, zajišťující radiový přenos dle normy IEEE 802.15.4.

Použití ZigBee

• Bezdrátový přenos dat - náhrada kabelů
• Bezdrátová síťová komunikace
• Vzdálené řízení
• Sběr dat ze senzorů
• Pohyblivé senzory a zařízení
• Zabezpečovací zařízení
• Bezdrátové HMI rozhraní (displeje, klávesnice, joysticky, myši apod.)
• Automatizace domů a bytů (HVAC) - ovládání a řízení klimatizace, topení, osvětlení,
• Zdravotnictví - bezdrátový monitoring životních funkcí
• Sportovní pomůcky - měřice tlaku, tepu apod. během pohybu
• atd.

Obecná struktura ZigBee

Stejně jako každý jiný komunikační standard i ZigBee lze popsat OSI modelem. Ten lze rozdělit do třech základních bloků podle toho kým jsou definovány (viz. obrázek 2):

• IEEE 802.15.4 - definuje fyzickou (PHY) a MAC (linkovou) vrstvu OSI modelu
• ZigBee Alliance - definuje síťovou (NWK) a vyšší vrstvy OSI modelu mimo aplikační
• Zákazník - definuje zákaznickou aplikace v aplikační vrstvě OSI modelu

Obr. 2. OSI model komunikačního protokolu IEEE 802.15.4 / ZigBee

Standard IEEE 802.15.4 definuje fyzickou (PHY Layer) a linkovou vrstvu (MAC Layer) ZigBee komunikace. Fyzická vrstva určuje způsob konkrétní fyzické bezdrátové komunikace realizované transceiverem, jíž bylo přiděleno několik radiových pásem:

• pásmo ISM 2.4 GHz, 16 kanálů, přenosová rychlost 250kb/s, definováno celosvětově
• pásmo 915 MHz, 10 kanálů, přenosová rychlost 40kb/s, definováno pro americký kontinent
• pásmo 868 MHz, 1 kanál, přenosová rychlost 20kb/s, definováno pro Evropu

Pro přenos se datový signál moduluje metodou O-QPSK a vzduchem přenáší prostřednictvím DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), tedy něco podobného jako v případě technologie WiFi. Pro přístup na kanál se využívá metody CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance and optional time slotting).

MAC vrstva (linková vrstva) je již realizována softwarově a definuje samotnou komunikaci mezi jednotlivými zařízeními (uzly sítě) prostřednictvím rámců. Konkrétně jsou definovány čtyři typy komunikačních rámců (Data Frame, Acknowledgement Frame, MAC Command Frame, Beacon Frame) využívané buď pro přenos užitečných datových informací, nebo k režijním účelům souvisejícím se sestavením, správou a řízením sítě.

Na obrázku 2. je blokově zobrazen datový rámec (Data frame) paketu PPDU. Ten je plně definovaný standardem IEEE 802.15.4 a složený z části dodané MAC vrstvou (MPDU) a fyzickou vrstvou (SHR a PHR). MPDU obsahuje mimo přenášených dat i informaci o adrese přijímací stanice, pořadové číslo datového paketu, řízení rámce a kontrolní mechanismus rámce (FCS). Část doplňovaná fyzickou vrstvou obsahuje potřebné informace pro správný fyzický přenos paketu (informace o délce rámce, úvodní preambuly pro časové synchronizaci přijímače a informaci o začátku rámce).

Standard IEEE 802.15.4 využívá pro adresaci jednotlivých zařízení binární adresovací kódy, které mohou být buď dlouhé (64 bitů), či zkrácené (16 bitů). Každá sestavená síť je dále identifikována 16ti bitovým identifikátorem PAN ID (Personal Area Network ID), který slouží pro rozlišení překrývajících se sítí. Z hlediska topologie jsou definovány tři typy sítí:

• Topologie typu hvězda (star topology).
• Její úpravou lze získat topologii strom (tree topology).
• Třetí, typická pro ZigBee, MESH topologie je speciální kombinace obou předchozích.

Nad vrstvami standardu IEEE 802.15.4 je definována síťová vrstva (NWK) a struktura pro aplikační vrstvu (APL) obvykle obsažená v tzv. ZigBee Stacku. Síťová vrstva provádí připojování k síti a odpojování od ní, zabezpečení a směrování paketů. Jako základní zabezpečení mechanismus se používá 64bitový nebo 128bitový kryptografický algoritmus AES (Advanced Encryption Standard). Dále zajišťuje nalezení zařízení v rámci jednoho přeskoku. V případě koordinátora sítě je odpovědná za start sítě a přiřazování adres nově začleněným zařízením.

Aplikační vrstva ZigBee komunikace se pak skládá z pomocné aplikační podvrstvy (Application Support Layer), definičních objektů ZigBee Profile a uživatelských aplikačních objektů/procesů. Aplikační pomocná podvrstva umožňuje párování zařízení podle poskytovaných služeb a požadavků. Objekt ZigBee Profile definuje roli zařízení v rámci sítě (koordinátor, směrovač nebo koncové zařízení) a poskytované služby.

Obvody Freescale pro ZigBee

V rámci výrobního programu Freescalu, lze do aplikace vestavět ZigBee (IEEE 802.15.4) RF komunikaci v zásadě dvěma způsoby. Použitím:

• integrovaných transceiverů MC1320x a MC1319x + softwarová realizace vyšších vrstev OSI modelu je přímo v CPU nebo MCU již použitých v aplikaci
• kompletních obvodů SiP (System-in-a-Package) MC1321x již obsahující v jedné součástce jak transceiver, tak MCU s IEEE 802.15.4 MAC a ZigBee Stackem zajišťující kompletní softwarovou realizaci (adresaci, příkazy apod.)

První varianta se hodí pro centrální řízení, tj. pro aplikace, přístroje a zařízení, které již v sobě obsahují nějaký procesor či procesory, které buď nejsou plně využity, nebo například mají přímo řídit veškerou komunikaci. Druhá varianta je ideální pro aplikace, kde prostě máme např. jen zapoudřený inteligentní senzor (např. akcelerometr či senzor tlaku Freescale) a chceme pro něj zajistit bezdrátovou komunikaci mezi ostatními senzory nebo s nadřazeným přístrojem, který data schraňuje, dále vyhodnocuje nebo zobrazuje. V tomto případě lze použít ZigBee SiP obvod a výstup senzoru napojit přímo na jeho vstup a doprogramovat ho dle potřeby.

Součástí nabídky jsou i různé softwarové balíčky obsahující zdrojové kódy nebo přeložené bloky pro snadnou implementaci méně či více složitého přenosu dat, síťové komunikace a aplikační hladiny ZigBee do připojeného externího řídícího MCU nebo interního MCU SiP obvodu. Protože však IEEE 802.15.4 MAC protokol je oficiálně navržen jako komplexní robustní "stavební blok", který tak zabírá větší množství paměti (cca 40 kB Flash) a výpočetního výkonu, nabízí mimo to Freescale i svůj výrazně jednodušší SMAC protokol pro jednoduché aplikace. SMAC sice umožňuje jen implementaci komunikace topologie bod-bod nebo hvězda, ale zabírá ve Flash paměti méně než 2.5 kB. Tak lze jednoduchou komunikaci implementovat i do různých malých MCU doplněných Freescale transceiverem. Ten je nabízen jako ANSI C zdrojový kód, zatímco plný IEEE 802.15.4 MAC protokol a ZigBee Stack jako přeložený blok.

Součástí firemních vývojových kitů nebo vývojového PC softwaru CodeWarrior je pak i mnoho zdrojových kódu i přeložených hotových aplikací a vývojových prostředků.

ZigBee transceivery Freescale

Pro případy, že pro realizaci softwarové části ZigBee komunikace má být použit některý externí procesor, slouží v nabídce firmy Freescale kompletní integrované tranceivery realizující fyzickou přenosovou vrstvu IEEE 802.15.4.

Vybírat lze ze dvou řad:

• MC1319x - transceivery (tj. přijímače/vysílače) s dvěma oddělenými RF vývody pro vysílání a příjem - full duplex komunikace
• MC1320x - transceivery s jedním společným spínaným RF vývodem - half duplex komunikace

Výhodou řady MC1320x je tedy menší počet externích součástek a jednodušší deska plošných spojů. V rámci řady se pak obvody liší v tom, zda podporují SMAC nebo i plný IEEE 802.15.4 MAC protokol. Logicky ty pouze pro SMAC jsou levnější. Jinak jsou prakticky stejné. Pro napojení transceiveru na MCU a přenos dat mezi nimi slouží SPI rozhraní.

Základní vlastnosti transceiverů Freescale:

• Vysílač/příjímač a řízení přenosu dle IEEE 802.15.4 MAC nebo SMAC
• Nosná RF frekvence 2.4 GHz - bezlicenční ISM pásmo, 16 kanálů šíře 5 MHz
• Přenos. rychlost až 250 kb/s
• Citlivost: - 92 dBm
• Integrovaný frekvenční generátor (Frequency Generator)
• SPI rozhraní pro příjem/zasílání dat a ovládání transceiveru z MCU
• Rozšířený teplotní rozsah -40 až 85 °C pro průmyslové aplikace
• Víceúčelové vstupy GPIO
• Integrovaný napěťový regulátor (Voltage Regulator) - napájení 2.0 až 3.4 V
• Tři stupně řízení spotřeby (Power Managment)
• Programovatelná frekvence hodin. signálu
• Vývod hodin. signálu a integr. časovačů (Timers)
• 32vývodové pouzdro QFN, 5 x 5 mm

ZigBee SiP obvody Freescale

Pro potřeby kompletní realizace ZigBee prostřednictvím jedné součástky Freescale nabízí tzv. SiP obvody, které obsahují vše potřebné v jednom pouzdře (System-in-a-Package). Zde jde prakticky o spojení již dvou nabízených součástek, 2.4 GHz transceiveru MC1320x a MCU HCS08GT v 64pinovém LGA pouzdře (9 x 9 x 1 mm). Výsledkem je řada integrovaných obvodů MC1321x. Například základem všech vývojových kitů Freescale pro ZigBee je typ MC13213 se 4kB RAM a 60 kB Flash paměti programovatelné BDM USB ladícím rozhraním. Ten se totiž velikostí paměti hodí jak pro realizaci SMAC, tak i pro IEEE 802.15.4 MAC protokol i kompletní ZigBee Stack. Ty jsou pak dle volby součástí kitu, které mohou doplňovat vývojové prostředky ZigBee Software Tools pro snadnější vývoj a testování ZigBee komunikace.

Základní parametry obvodů SiP MC1321x:

• RF část:
  • IEEE 802.15.4 transceiver 2.4 GHz
  • 16 kanálů
  • 250 kb/s
  • programovatelný výstup -27 dBm až +4 dBm
  • Integrovaný přepínač vysílání / příjem
  • Integrovaný 16 MHz krystalový oscilátor
• MCU část:
  • nízkopříkonový 40 MHz HCS08
  • Až 60 kB Flash a 4 kB RAM (dle typu obvodu)
  • 16bitové časovače
  • Sériové rozhraní I2C, SCI až 115.2 kBaud
  • 8kanálový 10bit. A/D převodník
  • 8pinové rozhraní pro klávesnici
  • In system programování BDM
  • Watchdog COP
• Pracovní teplota: -40 až 85 °C
• Napájení: 2.0 až 3.4 V
• Pouzdro: 64pin. LGA

Závěr

Bezdrátová rádiová komunikace prostřednictvím ZigBee, resp. standardu IEEE 802.15.4, poskytuje zvláště v oblasti senzoriky a komplexní automatizace velmi dobré vlastnosti, ať již jde o velký dosah, možnost vytvoření komunikačních sítí, nebo napájení zařízení jen z baterie či slunečních článků. Protože je navíc Freescale i součástí konsorcia ZigBee Alliance je jeho nabídka v tomto směru velmi široká. O tom všem se můžete přesvědčit přímo na firemních stránkách www.freescale.com, kde případní zájemci o podrobnosti najdou bližší informace.

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovská stránka firmy Freescale - www.freescale.com
• Domovská stránka české pobočky firmy Freescale - www.freescale.com/webapp/sps/site/homepage.jsp