. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
Bezdrátové senzorové sítě s mikrokontroléry TI CC430F6137
22. dubna 2013 - 6:00 | Christoph Dohrn, Michael Weber | Bezdrátové senzorové sítě s mikrokontroléry TI CC430F6137 | Komentářů: 0  

Bezdrátové senzorové sítě s mikrokontroléry TI CC430F6137

Přiblížení aplikace bezdrátových senzorových sítí hvězdicové topologie s mikrokontroléry TI řady CC430F6137.

V dnešní době se stále častěji setkáváme s potřebou pravidelného měření různých fyzikálních hodnot. Především jde o sběr klimatických dat, akustických a chemických parametrů nebo elektrických vlastností daného předmětu. Jelikož se většinou jedná o celou síť různých senzorů, vzniká nám hlavním problém při přenosu jejich hodnot do centrální jednotky. Klasické řešení, které využívá přímé propojení kabelem, není příliš vhodné. Instalace takové sítě je vždy spojena s vysokými náklady a obvykle i náročností, protože rozmístění senzorů máme pevně dané. Z tohoto důvodu je pro přenos dat ze vzdálenějších senzorů vhodnější použít bezdrátové senzorové sítě. Ty nejen že eliminují vysoké náklady kabelových spojů a jejich instalace, ale zároveň zajišťují i vysokou flexibilitu řešení.

Pro bezdrátové senzorové sítě se osvědčilo použití jednoduché hvězdicové topologie, spočívající v jediné základnové stanici, nacházející se v daném prostoru. Ta přijímá hodnoty senzorů ve svém okolí, zpracovává je a dále distribuuje. Tato koncepce je uvedena na obr. 1. Pokud chceme zároveň zajistit maximální flexibilitu řešení, jsou kromě jednoúčelových snímačů k dispozici i desky, nabízející rychlou a jednoduchou výměnu snímačů podle požadavků konkrétní situace.


Obr. 1: Struktura bezdrátové senzorové sítě

Ideálními obvody, použitelnými v podobných aplikacích, jsou především Ultra-Low-Power mikrokontroléry CC430F6137 od Texas Instruments. Díky svým výborným vlastnostem jsou vhodné jak pro centrální jednotku, tak i všechny „satelitní“ - senzorové desky. Využitím architektury System on a Chip rovněž na svém čipu integrují 1 GHz RF rádiové rozhraní, LCD řadič pro malé LCD aplikace a samozřejmě celou řadu sériových rozhraní, jako USART, SPI a I2C. Dále v obvodech nechybí ani 12-bit ADC, komparátor, řada 16-bitový časovačů a hodinový modul reálného času. Pro podporu bezdrátového přenosu informací je rovněž dostupný šifrovací a dešifrovací modul s algoritmem AES a modul pro výpočet kontrolních součtů CRC. Další výhodou je podpora provozních režimů s velmi nízkým příkonem, které své uplatnění nacházejí v bateriově napájených aplikacích. Pro rádiový přenos dat je dále k dispozici speciální protokol, vyvinutý společností Texas Instruments - SimpliciTI. Jedná se o snadno použitelný, energeticky nenáročný bezdrátový protokol, který je k dispozici jako Open Source. Kromě CC430F6137 je podporována i v celá řada dalších RF obvodů od TI.

Základnová stanice
Nejdůležitějším prvkem základnové stanice je tedy mikrokontrolér CC430F6137. Ten se stará jak o příjem dat ze senzorových desek přes RF rozhraní, tak i o jejich další zpracování. Výsledná data zároveň ukládá na paměťovou kartu, připojenou přes rozhraní SPI. Příklad blokového schéma základnové stanice je uveden na obr. 2. Pro kvalitní příjem dat ze senzorových desek je použita prutová anténa, zajišťující zde nejlepší možnou kvalitu signálu.


Obr. 2: Blokové schéma základnové stanice

Většina podobných základnových stanic je zároveň vybavena i možností uživatelského vstupu a výstupu. Prostřednictvím klávesnice a LCD displeje je možné alespoň v omezené míře konfigurovat síť a obvykle i procházet již nashromážděné údaje a zobrazovat je na displeji. Jako displej je možné použít například barevný grafický typ s rozlišením 176 x 132 pixelů, který je rovněž připojen prostřednictvím dostupného SPI rozhraní. Napájení základnové stanice může být realizováno pomocí standardního napájecího zdroje, doplněného o regulátor napětí typu TPS76633. Ten nám zajišťuje regulované napětí 3,3 V, vhodné pro napájení mikrokontroléru i dalších prvků zařízení. Jediný problém je s LCD, který má integrované podsvětlení, vyžadující stejnosměrné napětí přibližně 10V. V tom případě je možné použít měnič TPS61060 od Texas Instruments, který je ze základního napětí 3,3 V schopen generovat požadovaných 10V. Navíc v případě potřeby umožňuje i jednoduchou aktivaci a deaktivaci pomocí jediného pinu řídicího mikrokontroléru. Napájení může být řízeno obvodem TPS2114, což je napájecí multiplexor. Ten zajistí, v případě výpadku síťového zdroje, okamžité přepnutí na záložní baterii. Pro úpravu a stabilizaci napětí z baterie je určen obvod TI TPS76630, schopný například 9 V z baterie stabilizovat na 3 V, ovšem při minimální vlastní spotřebě. Tím je u základnové stanice zajištěn nepřetržitý provoz. I v případě výpadku hlavního napájení může stanice dál přijímat data ze senzorových desek. Uvedená schopnost se rovněž osvědčí i v případě potřeby přemístění základnové stanice na novou pozici, aniž by přitom došlo ke ztrátě dříve provedené konfigurace. Napětí na záložní baterii je neustále kontrolováno pomocí integrovaného ADC modulu mikrokontroléru CC430 a v případě jeho poklesu je zajištěno včasné varování před jeho úplným výpadkem. Pro snížení spotřeby můžeme odpojit řadu podsvětlovacích LED diod (a tím vlastně i celý LCD displej) a získanou energii využít např. pro příjem dat a komunikaci na větší vzdálenost. Pro přenos získaných dat do PC, případně plnohodnotnou konfiguraci sítě, je k dispozici USB rozhraní, tvořené obvodem TUSB3410 od společnosti Texas Instruments. Jedná se o převodník USB / sériový port (UART), připojený jedním z dostupných USCI rozhraní k obvodu CC430 a zajišťující jeho komunikaci s PC. Díky USB rozhraní můžeme navíc konfigurovat nejen základnovou stanici, ale i vzdálené senzorové desky, které jsou k ní připojeny bezdrátově. Pro každý jednotlivý senzor je možné nastavit například interval měření i periodu přenosu naměřených dat do centrální jednotky.

Senzorové desky
Na senzorových deskách, podobně jako na základnové stanici, jsou rovněž použity mikrokontroléry řady CC430 od TI. Ty zajišťují veškeré funkce, jako čtení hodnot ze senzorů, jejich úpravu (především komprimaci nebo šifrování) a přenos do základnové stanice. Případně jsou zodpovědné i za přípravu a provádění testovacích měření. Příklad blokového schéma senzorové desky je uveden na obr. 3. Chceme-li, aby senzorová deska byla co nejkompaktnější, je dobré použít tzv. čipovou anténu. Ta je levnější a zároveň vyžaduje i mnohem méně prostoru než klasická anténa, která je použita na základnové stanici. Dále, pokud i na senzorových jednotkách chcete zobrazovat aktuální naměřené hodnoty, můžeme zde použít jednoduché 7-segmentové LCD displeje. Ty jsou přímo podporovány LCD řadičem obvodu CC430F6137.


Obr. 3: Blokové schéma senzorové stanice

Pro uchování dat, než mohou být odeslána do základnové stanice, je na každé senzorové desce umístěna malá sériová paměť typu EEPROM. Paměť je s hlavním procesorem desky spojena prostřednictvím sdíleného I2C rozhraní. Tímto rozhraním jsou totiž rovněž připojeny i všechny digitální senzory, kdy každý z nich využívá jeden z osmi dostupných adresních slotů. Pro pokrytí široké škály snímačů je na senzorové desce dostupná rovněž i SPI sběrnice, řízená opět hlavním procesorem CC430. Volba čidla se na SPI sběrnici realizuje pomocí signálů Chip Select (CS) a na I2C sběrnici jedinečnou adresou nebo ID obvodu. Díky tomu je možné všechny digitální senzory připojit pouze pomocí dvou integrovaných rozhraní, modulu USCI pro rozhraní SPI a modulu pro rozraní I2C.

Pomocí tlačítkového ovládání, realizovaného například jako samostatný bezdrátový modul připojený k základnové stanici, je možné ovládat libovolnou senzorovou desku. Mezi dostupné povely obvykle patří hledání nových senzorů, čtení jejich aktuální hodnoty a její zobrazení na LCD displeji.

Napájení senzorových desek je zajišťováno pomocí dvou baterií typu AAA. Použití síťového zdroje může být užitečné pouze v případě, kdy jsou na desce použity senzory s vysokou spotřebou. V tom případě je možné použít stejné řešení jako v případě záložní baterie na základnové stanici, rovněž s obvodem TI TPS3620. Navíc se obvykle nevyhneme nutnosti použití dvou regulátorů. První obvod TPS76633 nám zajišťuje provozní napětí 3,3 V pro procesor CC430F6137 a jiné prvky na desce (včetně většiny senzorů). Druhý obvod, například typu TPS76750, zajišťuje stabilizované napětí 5V, nutné pro provoz některých speciálních senzorů. Rovněž je i zde vhodné zajistit měření napětí napájecí baterie, nejlépe integrovaným ADC v obvodu CC430. Pokud je zaznamenán pokles napětí pod určitou hodnotu, dojde k vyvolání nouzového stavu, pracujícího podle odlišného harmonogramu. Jeho cílem je zajištění okamžitého odeslání již naměřených hodnot do základny a zároveň přenosu informace o svém aktuálním stavu. Pro tento případ jsou na základnové stanici dostupné LED diody, informující uživatele o aktuálním stav senzorových desek.

Každá senzorová deska umožňuje použití prakticky libovolné kombinace i následné konfigurace zvolených čidel. Tím se, přesně podle požadavků projektu, zajišťuje optimální rozmístění daných senzorů v lokalitě. Pro každé čidlo je možné samostatně nastavit nejen již zmíněný interval měření a přenosu dat do základny, ale například i režim, umožňující detekci změny hodnoty a navíc konfigurovatelnou rychlostí. Příkladem takového požadavku může být například detektor teploty, kde dochází k relativně pomalé změně, a proto si zde vystačíme s měřením v intervalu například po jedné minutě. Avšak zcela opačný požadavek může mít například měření hladiny akustického tlaku, který je mnohem dynamičtější a tak na té samé senzorové desce by měl být měřen alespoň jednou za sekundu. Další podobné konfigurační možnosti jsou i v případě intervalu přenosu naměřených dat do základnové stanice. Uživateli je dostupné nastavení v rozmezí od několika minut až po jednotky dnů. Pokud však v nastaveném intervalu dojde k zaplnění dočasné paměti EEPROM, je samozřejmě přenos dat proveden mnohem dříve. Jinak by nám hrozilo opětovné přepsání starších hodnot a tedy i jejich následná ztráta. Při každém přenos dat do základnové stanice dochází zároveň k synchronizaci integrovaného modulu reálného času a dotazu, zda je současná konfigurace senzorové desky stále aktuální. Případně je dle potřeby rovněž aktualizována.

Jak bylo uvedeno výše, připojení senzorů je velmi flexibilní a na senzorových deskách může být řešeno i pomocí konektorů nebo slotů. Jednotlivé senzory (případně senzorové moduly) lze rozdělit do dvou typů: První typ využívá sériového rozhraní, jako je sběrnice SPI nebo I2C a mohou tak s obvodem CC430 komunikovat přímo. Druhý typ senzorů je však vybaven pouze analogovým výstupem. V jejich případě je potřeba připojit další obvod MSP430F2013, který s využitím integrovaného 16-bitového analogově-digitálního převodníku hodnotu digitalizuje a poté přes I2C rozhraní odešle do hlavního procesoru senzorové desky. Výhodou je, že řada senzorů využívá standardních typů pouzder a často i jednotného rozmístění pinů. Díky tomu mohou být na připravené pozice na senzorových deskách osazeny prakticky libovolně, což nám umožňuje výhodné použití jedné desky pro různá čidla.

Shrnutí
Jak je vidět, jsou obvody CC430F6137 pro aplikace bezdrátových senzorových sítí přímo ideální. Mezi jejich největší přednosti patří široká řada integrovaných periferií, rádiového bezdrátového modulu a samozřejmě i použitá Ultra-Low-Power technologie. Díky tomu je u senzorových desek možné použít i alternativní zdroje elektrické energie. Především malé solární panely jsou dnes velice levné a schopné zajistit nám zcela nezávislý provoz. Pokud by to bylo potřeba, je možné dosah celé bezdrátové sítě i dále rozšířit. Jednoduše se k tomu mohou použít další produkty TI, podporující protokol SimpliciTI.

Autoři: Christoph Dohrn, Michael Weber, TI

Odkazy & Download:
Domovská stránka firmy Texas Instruments
Domovská stránka firmy Texas Instruments v českém jazyce

Informace o obvodech CC430F6137 - 16-Bit Ultra-Low-Power MCU
Informace o obvodech TPS76633 - Single Output LDO
Informace o obvodech TUSB3410 - RS232/IrDA Serial-to-USB Converter
Informace o obvodech TPS3620-33 - 3.3-V Battery-Backup Supervisors for RAM Retention







GooglePlus1 FaceBook Twitter del.icio.us DiGG Google StumbleUpon Google Buzz Email RSS PDF Tisk

Komentáře:
Název příspěvku: Vaše jméno: host
                 
  Zakázat formátování [Zakáže kódování a nahrazování smajlíky.]
Připojit soubory
reklama:
USB čtečka RFID
Modul pro čtení bezkontaktních identifikátorů RFID na frekvenci 125 kHz s USB výstupem.
Skladem od 790 Kč

Informace uvedené v článcích jsou platné v době jejich vydání a samotné články jsou určeny pouze jako zdroj informací. Autor článku ani správce webu nenesou žádnou zodpovědnost za případné újmy na majetku a zdraví. Názvy společností a výrobků, loga a další multimediální materiál mohou být ochrannými známkami příslušných společností.
RSS kanály: | |
+420 723 846 377
info@pandatron.cz
Všechna práva vyhrazena | mobilní verze | © Copyright 2000 - 2016 ISSN 1803-6007