Аппаратные и программные решения для беспроводных сенсорных сетей

Прикладные аспекты практической реализации беспроводных узлов

Показывать лекцию целиком

Дальность связи

Одним из факторов, тесно связанных, а в некоторых задачах и влияющих на топологию сети и выбор протокола передачи данных - это предельное расстояние, на которые можно разнести узлы в сети при сохранении устойчивой связи и требуемой скорости обмена данными (хотя бы на минимальных значениях, устраивающих приложение).

Расстояние между узлами можно оценить исходя из сведений о выходной мощности передатчика, чувствительности приемника и характеристик антенн с учетом эмпирических сведений.

Для теоретических оценок используется формула Фриза для свободного пространства:

$$P_r=P_t+G_t+G_r+20\log\left( \frac{\lambda}{4\pi } \right)-20\log d$$

или

$$\begin{matrix} \\ P_r=\frac{P_t G_t G_r {\lambda}^{2}}{(4\pi d)^2}; \\ d=\frac{\lambda}{4\pi}\sqrt{\frac{P_t G_t G_r}{P_r}}; \end{matrix}$$

где

  • $$P_t$$ - мощность передатчика;
  • $$P_r$$ - чувствительность приемника;
  • $$G_t$$, $$G_r$$ - коэффициенты усиления передающей или приемной антенн соответственно;
  • $$d$$ - расстояние между узлами;
  • $$\lambda$$ - длина волны.
  • Формула (2.1) носит еще название энергетического бюджета канала связи (или просто бюджет канала).

    В реальной ситуации рассчитанная дальность передачи будет несколько ниже из-за различных эффектов распространения сигнала (рассеяние, дисперсия, многолучевое распространение и др.). Поскольку учесть все или хотя бы часть эффектов практически не реально, пользуются эмпирическими правилами (правила приближенного счета), позволяющими сделать необходимые оценки [4, 5].

    Наиболее важными факторами для узлов сети являются характеристики антенны - коэффициент усиления, диаграмма направленности, чувствительность к предметам в ближней зоне и др. Сильно также влияет реализация передачи данных в различных сетевых технологиях (Рис. 1.1, Рис. 1.2).

    Энергопотребление

    Энергопотребление узлов сети является важным для систем с автономным питанием, а также в рамках общей тенденции к переходу на энергосберегающие технологии.

    Кроме технических характеристик микросхем приемопередатчиков, микроконтроллеров и других узлов беспроводных модулей на энергопотребление существенно влияет режим работы сетевого приложения, интенсивность обмена данными (Рис. 2.1).

    Выделяют режимы работы с интенсивным рабочим циклом и с малой интенсивностью обмена. В приложениях с интенсивным рабочим циклом основная доля энергопотребления приходится на радиоинтерфейс - прием/передача пакетов, синхронизация и автоподстройка частоты. При этом, в случае преобладания в трафике длинных пакетов, доминирует потребление приемопередатчика, в случае преимущественной передачи коротких пакетов на первый план выходит потребление схем инициализации радиочасти и автокалибровки частоты [5].

    (рис 2.1) Дальность связи, обеспечиваемая различными беспроводными технологиями

    В приложениях с малой интенсивностью обмена начинают играть роль такие показатели, как наличие и эффективность режимов пониженного энергопотребления микросхем датчиков, микроконтроллеров и приемопередатчиков (Рис. 2.2).

    (рис 2.2) Диапазон скоростей передачи данных в беспроводных технологиях

    Типичный профиль энергопотребления беспроводного узла представлен на Рис. 2.3 (абсолютные величины приведены для устройства диапазона менее 1 ГГц, для устройств диапазона 2,4 ГГц токи потребления будут примерно в два раза выше). При этом относительный уровень потребления устройств, отличающихся по технологиям реализации можно оценить по Рис. 2.4.

    (рис 2.3) Пример профиля энергопотребления беспроводного узла

    Чаще всего производителями предлагаются несколько линеек продуктов с низким энергопотреблением для беспроводных систем со всем необходимым программным и аппаратным обеспечением. Фактически это избавляет разработчиков от необходимости применения специализированных протоколов для снижения энергопотребления - эта часть проблемы решается на уровне компонентов.

    (рис 2.4) Минимальные требования к источникам питания беспроводных узлов различных технологий

    Выбор частотного диапазона

    Для обмена данными во всем мире предоставляются не лицензируемые радиочастотные диапазоны. В РФ на основании Решения Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) № 08-24-01-001 от 28.04.2008 и № 07-20-03-001 от 07.05 2007 для этих целей выделены частотные диапазоны 433.075 - 434.750 МГц и 868,7-869,2 МГц, 915 МГц, 2,45 ГГц, 5,8ГГц. Эти частоты могут использоваться без оформления специального разрешения ГКРЧ и совершенно бесплатно при условии соблюдения требований по ширине полосы, излучаемой мощности (до 10 мВт в районе частоты 434 МГц и до 25 мВт в районе частоты 868 МГц, до 100 мВт в диапазоне 2,4 ГГц) и назначению радиопередающего изделия.

    Помимо законодательных критериев, при выборе частотного диапазона следует учитывать и технические факторы.

    Для диапазона 2,400-2,4835 ГГц доступно больше частотных каналов, доступны более высокие скорости передачи, возможен непрерывный режим работы (для радиочасти), более компактные антенны. С другой стороны, устойчивая работа реализуется на более коротких расстояниях, возрастает влияние различных помех (интерференционные, многолучевое распространение, препятствия).

    Для частот менее 1 ГГц разрешенные частотные диапазоны в различных странах могут отличаться и не всегда возможно использовать одну и ту же элементную базу. Также не везде разрешена непрерывная радио активность устройства.

    Преимущества касаются лучшей дальности устойчивой работы по сравнению с частотами 2,4 ГГц диапазона, при одинаковой выходной мощности передатчика, уменьшению влияния препятствий на прохождение сигнала (особенно актуально для работы внутри зданий и офисных помещений).

    На сегодняшний день просматривается явная тенденция к росту популярности и повсеместному внедрению устройств, использующих в своей работе радиоканал. Число применяемых беспроводных устройств неуклонно возрастает [1]. С другой стороны из-за целого ряда ограничений, касающихся особенностей формирования и приема радиоволн, особенностей распространения радиоволн, а также законодательных ограничений на диапазоны доступных для частного и коммерческого использования частот, выбор частотного диапазона для того или иного приложения весьма ограничен. Следовательно, плотность беспроводных устройств и степень использования любого из диапазонов частот будут возрастать.

    Из-за характера роста числа беспроводных устройств, близкому к экспоненциальному, разработчики вынуждены уже сейчас заботится о стабильной работе своих устройств и устойчивости связей между ними, так как вполне вероятен рост собственной беспроводной сети, добавление все новых сервисов. Вероятно также появление в пределах действия сети других беспроводных узлов или систем.

    Производительность беспроводной сети в таких условиях будет определяться вероятностью успешного приема пакетов сети и её управляющих сигналов.

    Основные факторы, влияющие на производительность беспроводной сети:

  • выходная мощность передатчика
  • чувствительность приемника;
  • избирательность;
  • подавление сигналов соседних частотных полос.
  • Выходная мощность передатчиков для нелицензируемых диапазонов частот ограничивается регулирующими документами. При необходимости, путем применения внешнего усилителя, мощность выходного сигнала можно установить равной предельно допустимой. В ряде случаев дополнительно, или вместо усилителя возможно применение направленной антенны. Чувствительность приемника ограничивают технологические ограничения, собственные шумы электронных элементов, взаимное влияние узлов. Кроме этого реальная чувствительность приемника может быть снижена из-за ошибок в исполнении антенно-фидерного тракта. Опять же внешний антенный усилитель или направленная антенна могут несколько спасти положение, правда, скорее всего, в бюджет канала добавится не более +20 дБм, чаще всего не более 10.

    В условиях плотного использования частотного диапазона и плотного размещения устройств, все более решающую роль будут играть способность приемника фильтровать (подавлять) сигнал соседних частот, и избирательность - способность подавить сигнальную помеху соседнего (или близкого) частотного канала.

    Оценка времени и ресурсов на разработку

    На текущий момент времени существует два пути реализации аппаратных решений для беспроводных приложений.

    Первый путь заключается в разработке собственной платы устройства с учетом рекомендаций и схем включения элементов.

    Типичный перечень элементов включает в себя:

  • микросхему беспроводного приемопередатчика и микроконтроллер или однокристальное устройство;
  • компоненты радиотракта - антенна (печатная/чип/внешняя), разъемы для подключения внешней антенны, развязывающие конденсаторы, антенный фильтр, в некоторых случаях антенный усилитель;
  • стабилизатор питания или батареи питания.
  • Второй путь заключается в использовании готовых модулей и микросборок, интегрирующих на платах для поверхностного или мезонинного монтажа все элементы радиотракта, включая приемопередающие элементы.

    В случае использования фирменных беспроводных модулей разработчик получает возможность сократить время выхода конечного продукта на рынок, избавлен от разработки топологии печатной платы для высокочастотной части, все компоненты радиотракта согласованы между собой, и весь модуль в целом имеет согласованные параметры по температурному диапазону, мощности радиосигнала и др.

    При небольших партиях изделий использование готовых модулей приводит к сокращению затрат на единицу продукции (Рис. 2.5) [5].

    (рис 2.5) Затраты на единицу продукции

    Разработка беспроводного решения включает в себя изучение документации на выбранные электронные компоненты, разработку антенны, печатной платы и программного обеспечения с применением средств разработки для выбранного аппаратного решения.

    Антенны

    Важным элементом любой беспроводной системы или узла сети является антенна. Все характеристики антенн приводятся относительно изотропной - теоретической модели, излучающей одинаково во всех направлениях. В маломощных беспроводных системах чаще всего используются дипольные или штыревые антенны [4, 6, 7].

    По типу подключения выделяют две разновидности антенн (Рис. 2.6):

  • антенны с одной точкой подключения:
  • обычно имеют сопротивление 50 Ом;
  • требуют баллонный фильтр для подключения к некоторым типам микросхем;
  • легко анализируются при помощи сетевых анализаторов;
  • легко можно достичь высокой производительности;
  • дифференциальные антенны:
  • напрямую подключаются к дифференциальным выходам микросхем;
  • позволяют уменьшить число внешних компонент;
  • для достижения нужных показателей в некоторых случаях необходима симуляция работы;
  • трудно измеримый импеданс;
  • возможно достижение производительности, сравнимой с антеннами с одной точкой подключения.
  • По способу физической реализации:

  • печатные антенны:
  • не повышают стоимость решения;
  • требуется больше пространства печатной платы;
  • имеют значительные размеры на низких частотах;
  • имеют широкий диапазон;
  • для реализации необходимо специализированное программное обеспечение;
  • штыревые антенны:
  • стоимость от 1$;
  • наилучшее совпадение реальных характеристик с теоретическими;
  • меньшее влияние размера антенны на размеры конечного устройства;
  • чип антенны:
  • менее дорогие (цены меньше 1$);
  • меньший диапазон.
  • (рис 2.6) Способы подключения антенн к беспроводным модулям

    Некоторые производители беспроводных компонентов помимо примеров типовых схем включения предоставляют примеры антенных решений для своей продукции. В частности, это касается так называемых печатных антенн.

    Например, Texas Instruments предлагает несколько решений для реализации печатных антенн с размерами, PCB файлами и рекомендациями по применению [7-9].

    В качестве средств разработчика предлагается набор антенн CC-Antenna-DK, содержащий 13 разнотипных антенн (диапазоны от 136 МГц до 2.48 ГГц).

    Краткие сведения о печатных антеннах, предлагаемых TI для различных диапазонов представлены ниже (Табл. 2.1-2.4)[7].

    Антенны диапазона 2,4 ГГц

    Ненаправленные антенны с одной точкой подключения
    ТипИнвертированная F антеннаМеандровая инвертированная F антеннаМеандровый монополь
    Внешний вид
    Эффективность80% EB 94% SA68% EB76% EB 87% SA
    Ширина полосы пропускания, МГц280101400
    Размеры, мм26 x 815 x 639 x 25
    Дифференциальные антенны
    ТипПетлевой диполь для СС25ххПетлевой диполь для СС24хх
    Внешний вид
    Эффективность80% EB 80% EB
    Ширина полосы пропускания, МГц10080
    Размеры, мм26 x 815 x 6
    Направленные антенны
    ТипАнтенна Удо-Йаги
    Внешний вид
    Эффективность72% SA
    Ширина полосы пропускания, МГц497
    Размеры, мм150 x 100

    Антенны диапазона 868/915/955 МГц

    Печатные антенны диапазона 868/915/955 МГц
    ТипМеандровый монополь Меандровая инвертированная F антеннаНагруженная штыревая антенна
    Внешний вид
    Эффективность64% EB 91% SA80% EB64% EB
    Ширина полосы пропускания, МГц464056
    Размеры, мм39 x 2543 x 2048 x 8

    Также для диапазона 868 / 915 / 955 МГц применяются спиральные и чип антенны - оба данных типа обладают своими преимуществами. Так, спиральные антенны достаточно просты в изготовлении, а чип антенны имеют весьма компактные размеры.

    Для более длинноволновых диапазонов (315 МГц) применяются в основном спиральные антенны, но существуют и чип решения.

    Рекомендованный TI путь выбора антенны состоит из нескольких шагов (Рис. 2.7) - обзор возможных решений на основе краткого справочника и более полной технической информации, изучение характеристик антенн (диаграмма направленности, влияние окружения), полевые испытания, изучение технических чертежей, шаблонов антенн, технологии их реализации и особенностей размещения на печатной плате, и рекомендаций по конфигурации печатной платы.

    (рис 2.7) Документационное обеспечение TI при выборе антенны

    Примеры реализации печатных антенн по исходным чертежам фирм производителей представлены на Рис. 2.8-2.10.

    (рис 2.8) Петлевая антенна для приемопередатчиков 2.4 ГГц от Texas Instruments (рис 2.9) Дифференциальная антенна для приемопередатчиков серий AT86** фирмы Atmel (2.4 ГГц) (рис 2.10) Направленная дифференциальная антенна - модификация антенны, представленной выше - добавлен отражатель, что дает примерно +3 дБм к коэффициенту усиления

    Антенна самим - это просто

    Имея некоторые представления о процессах распространения радиоволн или просто некоторую практику радиолюбителя вполне можно получить вполне приемлемые антенны для беспроводных узлов самостоятельно. Особенно это касается проволочных антенн или простых печатных антенн.

    Достаточно неплохим инструментом, позволяющим оценить параметры антенн, а также моделировать антенны с целью подбора и оптимизации их характеристик является свободно распространяемый продукт - MMANA [8].

    Ниже рассмотрены некоторые примеры простых антенн, а также результаты моделирования диаграммы их направленности в свободном пространстве.

    Четвертьволновой диполь (Рис. 2.11, Рис. 2.12) - классическое решение для дифференциальной антенны, отличающееся возможностью аналитического расчета, простотой изготовления и достаточно высокой повторяемостью параметров.

    (рис 2.11) Диаграмма направленности четвертьволнового диполя, в плоскости XY и трехмерный вид (рис 2.12) Внешний вид четвертьволнового диполя для частоты 2.4ГГц

    Возможны также модификации, позволяющие несколько сократить габаритные размеры антенны при незначительном изменении эксплуатационных характеристик (Рис. 2.13-2.15).

    U-образный диполь - данная антенна интересна тем, что имеет практически изотропную диаграмму направленности в свободном пространстве. Для конфигурации, представленной на рисунке волновое сопротивление антенны не оптимально для подключения напрямую к дифференциальным выводам приемопередатчиков. Лучшим вариантом () является U-образный диполь с ближе расположенными плечами, длины, несколько большей, чем 0.25$$\lambda$$.

    (рис 2.13) Диаграмма направленности четвертьволнового U-образного диполя, в плоскости XY и трехмерный вид (рис 2.14) Внешний вид U-образного четвертьволнового диполя для частоты 2.4ГГц (рис 2.15) Диаграмма направленности дифференциальной спиральной антенны, в плоскости XY и трехмерный вид (рис 2.16) Дифференциальная спиральная антенна

    Рекомендации по топологии печатной платы

    При создании печатной платы для беспроводного узла принято следовать определенным рекомендациям, позволяющим создать хорошее решение без проведения большой вычислительной работы по моделированию поведения платы в условиях высокочастотных сигналов [5].

    Необходимо стремиться к снижению индуктивности переходов и межслойных соединений - обычно это сводится к увеличению размеров переходных отверстий или созданий большого количества параллельных рядом лежащих переходов.

    Размеры земли верхнего слоя должны быть как можно больше, это е касается и нижнего слоя. Количество возвратных линий токов для цифровых линий и для линий радиосигналов должно быть одинаковым, что бы снизить влияние импульсных токов цифровой части схемы на аналоговую радиочасть. Более предпочтительными являются более компактные линии с радиосигналами и более компактное их расположение, но при сохранении достаточной степени электромагнитной изоляции между ними.

    Слой медного покрытия сохраняется для использования в качестве нулевого (земли), следует избегать разрывов в слоях заземления (в ряде случаев они могут работать, как щелевые антенны). Соединения до источников питания минимизируются. Предпочтительнее использовать компоненты поверхностного монтажа типа SMT 402, поскольку они имеют меньшую паразитную емкость и более высокие резонансные частоты. Предпочтительнее использовать независимые линии отрицательного питания (общего провода) для всех компонент устройства (особенно для радиочасти и цифровых микросхем), при этом надо избегать образования петель. Для повышения частоты собственного резонанса схемы (в идеале выше, чем основная частота сигналов). Сигнальные линии и расстояния между компонентами должны быть больше, чем 0,012 дюйма (), а размеры переходных отверстий более 0,0145 дюйма при расстоянии между ними более, чем 5,2 от их диаметра.

    Длина линии схемы, по возможности, должна быть менее 1/4 длины волны. Геометрия линий не должна содержать прямых узлов и острых изгибов.

    При самостоятельной разработке узлов рекомендуется следовать типовой конфигурации печатной платы (приводимой в специализированных руководствах или в документации на микросхемы), особенно в радиочасти - антенна, развязывающие конденсаторы, печатная антенна, обвязка частотных генераторов.

    Следует отметить, что для всех своих продуктов производители чаще всего предоставляет типовые рекомендованные топологии разводки печатных плат, вплоть до исходных файлов разводки. Это существенно упрощает и ускоряет процесс разработки собственного решения и освоения нового продукта.

    Варианты построения беспроводных систем

    Для обмена данными во всем мире предоставляются нелицензируемые радиочастотные диапазоны. В РФ на основании Решения Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) № 08-24-01-001 от 28.04.2008 и № 07-20-03-001 от 07.05 2007 для этих целей выделены частотные диапазоны 433.075 - 434.750 МГц и 868,7-869,2 МГц, 915 МГц, 2,45 ГГц, 5,8ГГц. Эти частоты могут использоваться без оформления специального разрешения ГКРЧ и совершенно бесплатно при условии соблюдения требований по ширине полосы, излучаемой мощности (до 10 мВт в районе частоты 434 МГц и до 25 мВт в районе частоты 868 МГц, до 100 мВт в диапазоне 2,4 ГГц) и назначению радиопередающего изделия.

    Помимо законодательных критериев, при выборе частотного диапазона следует учитывать и технические факторы.

    Для диапазона 2,400-2,4835 ГГц доступно больше частотных каналов, доступны более высокие скорости передачи, возможен непрерывный режим работы (для радиочасти), более компактные антенны. С другой стороны, устойчивая работа реализуется на более коротких расстояниях, возрастает влияние различных помех (интерференционные, многолучевое распространение, препятствия).

    Для частот менее 1 ГГц разрешенные частотные диапазоны в различных странах могут отличаться и не всегда возможно использовать одну и ту же элементную базу. Также не везде разрешена непрерывная радио активность устройства.

    Преимущества касаются лучшей дальности устойчивой работы по сравнению с частотами 2,4 ГГц диапазона, при одинаковой выходной мощности передатчика, уменьшению влияния препятствий на прохождение сигнала (особенно актуально для работы внутри зданий и офисных помещений).

    Беспроводные сети применяются для организации связи, как в пределах здания, так и вне помещений, а также на подвижных объектах.

    На программном уровне, на рынке беспроводных систем представлено несколько протоколов для сетей датчиков, обеспечивающих надежную связь, поддерживающих сети различных топологий, и снижающих энергопотребление узлов сети.

    Беспроводные решения могут быть использованы для организации беспроводной связи с помощью пользовательских протоколов передачи данных, либо для реализации решений, использующих стандартные сетевые стеки коммуникации на основе спецификации IEEE 802.15.4 или решений фирм-производителей компонентов для беспроводных систем. Так, стандарт IEEE 802.15.4 является основой для таких приложений, как ZigBee RF4CE (бытовая электроника), поддерживающих профиль дистанционного управления (ZRC) или профиль устройств ввода (ZID). Широкое распространение получили ZigBee PRO-совместимые беспроводные сети, такие как сети автоматизации помещений (ZHA), автоматизации зданий (ZBA), управления освещением (ZLL) или интеллектуального распределения электроэнергии (ZSE). Стандарт IEEE 802.15.4 также используется для реализации коммуникационного уровня протокола IPv6/6LoWPAN для маломощных беспроводных систем.

    Появление и развитие стандартов постоянно расширяет сферу применения беспроводных технологий. Внедрение систем автоматики и автоматизации, несмотря на кажущуюся порой избыточность, показало свою эффективность. В основе этого лежат разветвленные сети датчиков, управляемых узлов и механизмов. Даже для небольшого автоматизированного объекта их количество может превышать несколько сотен. Более того, современные задачи автоматизации требуют прозрачного межмашинного взаимодействия (M2M interaction), развитых сервисов, взаимодействия с базами данных, и даже пользовательского интерфейса. Основными критериями разработчиков при выборе элементной базы становятся энергопотребление, радиочастотные характеристики (чувствительность приемника, выходная мощность передатчика), объем памяти, доступный приложениям. Оптимизация стратегии энергопотребления с учетом особенностей приложения важна для систем с автономным питанием. Не последним требованием является и безопасность передаваемых данных.

    Производителями беспроводных компонентов предлагается и развивается три подхода к построению беспроводных узлов.

    Подход первый - приемопередатчик совместно с управляющим микроконтроллером. В этом случае микроконтроллер отвечает за работу сетевого стека и за работу прикладных задач. Приемопередатчик подключается к контроллеру посредством SPI или UART интерфейса. Данный подход позволяет комбинировать беспроводные компоненты и управляющие контроллеры для получения оптимальных показателей по одному или нескольким показателям: энергопотребление, массо-габаритные показатели, набор требуемых функций, наличие программных библиотек, стоимость решения. Кроме того, вполне допускается комбинация решений от различных производителей, хотя чаще всего бывает достаточно элементной базы, предлагаемой отдельно взятым производителем.

    Вторым вариантом является применение систем-на-кристалле, содержащих в одном корпусе и приемопередатчик, и микроконтроллер. Процессорное ядро контроллера при этом также выполняет и стек протоколов и приложения. Данное решение является более компактным, требует меньшего количества компонентов.

    И в том, и в другом случае при отладке приложения необходимо отслеживать работу и стека протоколов, и приложения. Кроме этого, некорректная работа приложения может привести к прекращению выполнения процедур стека протоколов, и, как следствие, выхода узла из сети, что в свою очередь может повредить выполнению распределенного приложения в целом. Аналогично, ошибки в работе стека протоколов могут привести к зависанию микроконтроллера или прекращению выполнения приложения. Узел, в таком случае, перестает выполнять свои функции.

    Многофункциональные однокристальные беспроводные решения обеспечивают разработчикам возможность удовлетворения самых высоких требований потребителей при одновременном увеличении гибкости приложений, сокращении количества необходимых комплектующих и занимаемого места на печатной плате. На сегодняшний день на рынке однокристальных беспроводных микроконтроллеров присутствуют несколько фирм: Atmel, Freescale Semiconductor, Microchip, Nordic, NXP, Silicon Laboratories, ST Microelectronics, Texas Instruments. Условия достаточно сильной конкуренции вынуждают компании постоянно совершенствовать архитектуру систем-на-кристалле, оптимизировать параметры приемопередатчиков, режимы энергосбережения, развивать программное обеспечение, предлагая программные библиотеки, стеки протоколов, среды и средства разработки.

    Аппаратные возможности микроконтроллеров беспроводных систем-на-кристалле отличаются друг от друга, как по разрядности обрабатываемых данных, так и по максимальным рабочим частотам. Представлены 8-, 16-, и даже 32-битные процессорные ядра. Достаточно часто в качестве управляющих микроконтроллеров в беспроводных системах-на-кристалле встречаются общепринятые стандартные процессорные ядра, такие как, 8-битные ядра архитектуры х51 и 32-разрядные ARM-ядра. В ряде случаев фирмами предлагаются законченные решения - беспроводные системы сбора данных, интегральные датчики физических величин.

    Третьим вариантом является разнесение выполнения прикладной задачи и стека протоколов на разные микроконтроллеры. Один из контроллеров выполняет прикладную задачу, контроллер с интегрированным беспроводным интерфейсом, так называемый, сетевой процессор, выполняет сетевые задачи - подключение к сети, маршрутизация, передача данных. Данные решения предлагаются как для общепринятых стандартов (например, сети ZigBee, 6LoWPAN или Bluetooth), так и для проприетарных протоколов. В качестве сетевого контроллера, как правило, выступает беспроводная система-на-кристалле. В данном случае также остается свобода выбора прикладного и сетевого контроллера в зависимости от потребностей конкретных приложений.

    Жизненный цикл разработки беспроводных систем

    Каждая область применения беспроводных систем характеризуется наличием определенного количества узлов и предназначено для решения определенного класса задач или предоставления пользователям определенных сервисов.

    Как правило, количество узлов зависит от числа агентов, выявленных в результате декомпозиции задачи, и может варьироваться от двух до нескольких тысяч. При декомпозиции задачи анализируются потоки данных между агентами, выясняется их направленность, интенсивность, определяется расположение конечных узлов сети и требования к их мобильности.

    Разработчику доступны как проприетарные решения, так и решения, основанные на международных стандартах, потенциально расширяющие возможный рынок потребления конечных устройств и гарантирующие совместимость и совместную работу систем - в частотности поддержка стандарта 802.15.4 и протоколов на его основе ZigBee и 6LoWPAN.

    Каждая из топологий требует, естественно поддержки в виде сетевого приложения или протокола.

    Фактически, каждая прикладная задача в области беспроводных систем представляется как отдельный проект со своими этапами развития и жизненным циклом. Типичный цикл разработки для беспроводных систем следующий:

  • Определение требований:
  • количество узлов сети;
  • анализ и выбор необходимой топологии сети;
  • среднее расстояние между узлами;
  • диапазон требуемых скоростей передачи данных;
  • энергопотребление узлов и источники их питания (стационарное питание, автономные устройства);
  • типичное время работы узлов в автономном режиме.
  • Выбор технологий реализации:
  • адаптация типовых решений или разработка "с нуля";
  • выбор или разработка стека протоколов;
  • приведение в соответствие с правовыми, техническими и медицинскими нормами;
  • выбор между использованием модулей и микросборок и самостоятельной разработке узлов на основе наборов микросхем - оценка временных и денежных затрат.
  • Проектирование:
  • выбор линейки продуктов для построения решения;
  • выбор антенн;
  • разработка печатной платы;
  • выбор средств разработки программного обеспечения сетевого приложения;
  • поддержка разработки - симуляция, отладочные платы, эскизный проект.
  • Тестирование приложения:
  • сертификация;
  • проверка совместной работы с другими беспроводными системами или обеспечение совместимости с ними;
  • тестирование работы приложения.
  • Производство:
  • планирование жизненного цикла продукта и его сопровождение;
  • система контроля качества.
  • Вернуться к учебному плану