Norská firma Radiocrafts vyrábí, jako jedna z prvních, vestavné kompaktní SMD moduly přijímače / vysílače pro novou technologii bezdrátové komunikace Zigbee. Jde o moduly ve formě pájitelných / vestavných součástek pro desky plošných spojů, které obsahují vedle plnohodnotného fyzického vysílače tranceiveru IEEE 802.15.4 i CPU typu AVR ATmega, který umožňuje implementace uživatelské aplikace bez potřeby dalšího externího CPU nebo MCU. Moduly řady RC220x lze volit s různou konfigurací antény v podobě základních modulů RF pinem, modulů s interní anténou nebo modulů s vyvedený MMCX RF konektorem pro externí anténu pro prodloužení dosahu komunikace nebo její umístění na místo vzdálené od modulu.

Obecné vlastnosti - RC220x

RC220x lze obecně označit jako inteligentní vestavné RF tranceivery navržené pro bezdrátovou komunikaci ZigBee, které umožňují přímo zpracovávat uživatelskou aplikaci (program). Například zpracovávat signály ze senzorů přímo připojených na I/O piny modulu.

Hlavní vlastnosti:

• Pracují dle ZigBee a IEEE 802.15.4 komunikačního protokolu a standardu
• Paměťové místo a periferie pro implementaci uživatelské aplikace
• Kompaktní rozměry 16.5 x 29.2 x 3.5 mm
• Řídící jádro = MCU AVR ATmega
• Paměť až 128kB Flash, 4kB SDRAM, 4kB EEPROM
• 32 digitálních a analogových vstupů
• 8kanálový 10bitový A/D převodník
• Komunikační rozhraní UART, SPI, JTAG
• Interní real-time hodiny (RTC) 32.768 kHz
• Nízké napájení +3V - vhodné pro baterie
• Nízká spotřeba v řádu jednotek ?A v Power down módu
• Teplotní rozsah -30 °C až +85 °C
• Integrovaná anténa nebo volitelně externí MMCX RF konektor pro externí anténu
• Splňují normy EN 300 440 (Europe), FCC CFR 47 part 15 (US), ARIB STD-T66 (Japan)

Použití

Hlavní použití se nabízí v oblasti výrobního průmyslu, MaR (Měření a Regulace) a automobilů, kde lze data z mnoha libovolných senzorů přenášet přímo do řídících center ke zpracování. Jako další aplikace lze jmenovat:

• Řízení budov - regulace topení a klimatizace, osvětlení, zatahování rolet, řízení boilerů apod.
• Ovládání akčních členů - spouštění a regulace motorů, kotlů, světel apod.
• Bezdrátové ovládací prostředky - myš, klávesnice apod.
• Přenos dat do informačních LCD displejů
• Bezdrátová komunikace bateriově napájených zařízení
• Lékařská zařízení - měřiče tepu, tlaku, teploty těla apod.
• Bezdrátová synchronizace zařízení - hodiny, alarm
• Zabezpečení budov - bezdrátová komunikace bateriově napájených čidel s centrálou
• Spolehlivý přenos dat v zarušeném průmyslovém prostředí
• Oblast MaR (Měření a Regulace)

Popis modulů - RC2200/2002/2004

Série modulů řady RC220x jsou speciálně navrženy pro použití v bezdrátové komunikaci a síti ZigBee. Samostatně však může být modul využíván pro jiný přenosový protokol využívající bezdrátový komunikační standard IEEE 802.15.4 definující zpracování signálu na fyzické a linkové vrstvě OSI modelu. Samotný ZigBee protokol, spravovaný organizací ZigBee Alliance, je implementován programem ve vnitřním řídícím MCU AVR ATmega, kde pracuje i část programu definovaná a programovaná uživatelem - viz obrázek 2. Mimo volby modulů dle rozdílných "vnitřních vlastností" (RC2200, RC2202 a RC2204) lze tyto moduly volně kombinovat podle přání výběru typu antény - viz. obrázek 1.

Popis vnitřní architektury modulu

Na obrázku 2. je blokové schéma vnitřní architektury modulu RC220x. V zásadě je vnitřek modulu složen ze dvou částí:

• IEEE 802.15.4 RF tranceiver Chipcon CC2420 - tvoří samotnou fyzickou radiovou část na úrovni fyzické (1.vrstvy) OSI modelu. S řídícím MCU komunikuje po vnitřní sběrnici.
• 8-bit MCU (AVR ATmega) - obsahuje MCU firmy Atmel AVR ATmega 128L, ATmega 64L, ATmega 325. Tvoří řídící a aplikační část modulu na úrovni 2. a vyšší vrstvě OSI modelu, která zpracovává MAC firmware standardu IEEE 802.15.4, ZigBee protokol i uživatelský program. K MCU také jsou připojeny externí I/O piny a komunikační rozhraní modulu, které jsou přímo napojeny na piny vnitřního MCU. Výbava se prakticky shoduje s tím, co nabízejí samotné MCU ATmega (viz. Tabulka 1.).

Přenosový standard IEEE 802.15.4

Moduly uvnitř obsahují IEEE 802.15.4 tranceiver Chipcon CC2420 norské firmy Chipon, který zprostředkovává bezdrátovou komunikaci v ZigBee síti. Ten v OSI modelu pracuje na úrovni první vrstvy OSI modelu. Tranceiver standardně komunikuje ve volném pásmu 2.45 GHz, přesněji v 16 kanálech s přenosovou rychlostí 250 kbit/s v rozmezí frekvencí 2.4 až 2.4835 GHz. K přenosu se využívá metoda Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) a modulace Offset ? Quadrature Phase Shift Keying (O-QPSK).

Úkoly druhé vrstvy OSI modelu (MAC vrstva) již provádí MAC firmware běžící jako program ve vnitřním MCU (viz. obrázek 2). Firmware je nedílnou součástí modulu.

ZigBee protokol

ZigBee protokol, vyvíjený organizací ZigBee Alliance, je "nadstavba" nad přenosovým standardem IEEE 802.15.4 a řídí komunikaci na vyšších vrstvách OSI modelu (vrstva 3 a vyšší) - viz. článek "ZigBee - novinka na poli bezdrátové komunikace".
V modulu je implementován jako program (ZigBee stack) běžící v MCU modulu. Aplikační (uživatelský) program předává data tomuto stacku, který je již zpracuje dle ZigBee protokolu. ZigBee stack od Chipcon/Figure 8 Wireless je součástí dodávky modulu a je doporučeno ho použít. Možná je však i implementace stacku od jiného výrobce, který je kompatibilní s Chipcon MAC firmwarem modulu.

Výbava modulů dle typu

Vyráběné moduly se vyrábějí ve třech verzích lišící se hlavně velikostí vnitřní paměti MCU. Hlavní rozdíly ukazuje následující tabulka:

Interní vs. externí anténa

Z pohledu připojení a použití komunikační antény, v nabídce firmy Radiocraft existují tři varianty modulů (viz. obrázek 1.):

• Základní modul RC220x bez antény (pouze RF I/O pin k připojení antény 50 Ohm) - rozměry 16.5 x 29.2 x 3.5 mm
• Modul označený jako RC220xAT s interní anténou v součástí modulu - rozměry 16.5 x 35.6 mm x 3.5 mm
• Modul označený jako RC220xMM s MCCX RF konektorem pro externí anténu - rozměry 16.5 x 35.6 mm x 3.5 mm (viz. obrázek 3.)

Pro většinu aplikací je plně vyhovující interní anténa modulu RC220xAT, která poskytuje dosah až 110 m ve volném prostoru a až 30 m v budově. Zde je však dosah závisí na materiálech, ze kterých je budova postavena. Anténa je čtvrtvlná. Stejný typ antény by měl být použit i v případě externí antény, kterou je nutné použít v případě zapouzdření ZigBee modulu i se zařízením do kovové (vodivé) krabičky či šasi. Anténu lze, v případě základního modulu RC220x s RF pinem, vytvořit i vodivou cestou na desce plošných spojů. RF pin modulu však předpokládá impedanci 50 Ohmů. Datasheet modulů (RC220x_Data_Sheet_1_0.pdf) uvádí bližší praktické informace.

Programování modulů

Programování modulů, jejichž řídící jádro je založeno na MCU Atmel AVR ATmega, je možné dvěma způsoby:

• ISP - In-System Programing - stejným způsobem, jak jej používá samotné MCU ATmega. Tzn. k programování vnitřní Flash a EEPROM se využívá sériové komunikace prostřednictvím pinů/signálů PDI,PDO,SCK a RESET
• JTAG - umožňuje nejen programování, ale i přístup do paměti pro debugging. Stejným způsobem jej používá samotné MCU ATmega. Komunikace tedy probíhá po pinech/signálech TDO,TDI,TMS,TCK,RESET.

K programování z PC a k vývoji aplikace se využívá vývojového softwaru a prostředků pro MCU AVR ATmega firmy Atmel:

• WinAVR / AVR GCC / Notepad
• Atmel AVR Studio
• Nějaký programovací interface/modul pro ISP nebo JTAG - například Atmel JTAG ICE mkII

Pokud koncový vývojář/uživatel již umí pracovat s vývojovými prostředky AVR Atmel, není to pro něho nic nového.

Příklad typického zapojení modulu

Na obrázku 4 je příklad typického jednoduchého zapojení modulu s RS-232 rozhraním pro připojení senzorům nebo k PC, s vyvedeným ISP programovacím rozhraním a testovacím rozhraním JTAG.

Vývojové kity (Development boards) - RC2200DB

Samozřejmostí k uvedeným modulům je vývojový kit (viz. obrázek 5), jehož prostřednictvím si lze vyzkoušet všechny základní funkce komunikace bez nutnosti programování modulu, resp. vnitřního MCU. Každý kit obsahuje modul základní modul RC2200, obvody RS-232 komunikaci s 9pinovým D-SUB konektorem, obvody pro napájení a periferie pro samotné testování funkce modulu.

Pro testování je nutné mít alespoň dva moduly, lépe však tři. Jeden by měl být konfigurován jako tzv. Switch Load Controller (SLC), zatímco ostatní jako tzv. Switch Remote Control (SRC). SCL pak zastavá funkci koordinátoru sítě (network coordinator), zatímco SCR pracují jako síťové routery (network routers).
 

Obr. 5. Vývojový kit pro modul RC-2200

Pomocí tlačítek na kitu lze zkoušet ruční nebo automatické zaregistrování koncové SCR do ZigBee sítě řízené koordinátorem (SCL). S použitím PC programu pro zachytávání paketů lze sledovat paketovou komunikaci mezi moduly. Otočným ovladačem lze případně jednoduše měnit MAC.

Závěr

ZigBee moduly RC220x jsou jednoduchou možností, jak vestavět bezdrátovou ZigBee komunikaci do Vašeho zařízení. Moduly v sobě aplikují všechny zavedené a známé vlastnosti technologie ZigBee, tedy malé rozměry, velký dosah až přes 100 m, nízké napájecí napětí a spotřeba vhodná pro bateriové napájení. Moduly firmy Radiocrafts v České republice distribuuje a prodává firma MACRO WEIL. V nejbližší době se chystáme moduly podrobit praktickému testování a tak v dalším článku Vám přineseme některé praktické zajímavosti a zkušenosti. Sledujete proto stránky HW serveru (www.HW.cz, automatizace.HW.cz).

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovská stránka českého distributora, firmy MACRO WEIL - http://www.macroweil.cz/
• Domovská stránka firmy Radiocrafts - http://www.radiocrafts.com
   
• Download katalogového listu k RC2200 - RC220x_Data_Sheet_1_0.pdf
• Download flyeru k RC2200 - RC2200_Product_Flyer_1_0.pdf
• Download Quick Startu k RC2200 - RC2200DB_Quick_Start_0_2.pdf
• Download typického zapojení RC2200 - RC2200_Application_Circuit_SPP_1_0.pdf