Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Определение координат 15
1.1. Беспроводные сенсорные сети 16
1.2. Организация беспроводной связи 18
1.2.1. Сверхширокополосные сигналы (UWB) 19
1.2.2. Стандарт IEEE 802.15.4/ZigBee 21
1.2.2.1. Топологии сети IEEE 802.15.4/ZigBee 26
1.3. Определение координат в сенсорных сетях 28
1.3.1. Постановка задачи 30
1.3.2. Обзор наиболее популярных вариантов решения 33
1.3.2.1. Использование внешней радионавигационной системы 33
1.3.2.2. Система "APS" [19] 34
1.3.2.3. Алгоритм "MDS-MAP" [16] 38
1.3.2.4. Алгоритм "ABC" [18] 40
1.3.2.5. Алгоритм "AFL" [13] 41
1.4. Выводы 43
Глава 2. Определение координат в сенсорной сети 47
2.1. Начальные условия 47
2.1.1. Базис СК в сенсорной сети 48
2.1.2. Топология сети 50
2.1.3. Точность оценки расстояний в сети IEEE 802.15.4/ZigBee 61
2.1.3.1. Передатчик 65
2.1.3.2. Канал 69
2.1.3.3. Приемник 73
2.2. Алгоритм определения координат 76
2.2.1. Сбор исходных данных 78
2.2.2. Оценка координат 80
2.2.3. Уточнение координат 82
2.2.3.1. Применение фильтра Калмана 83
2.2.4. Оценка координат по двум измерениям 84
2.2.4.1. Выбор решения 85
2.3. Выводы 86
Глава 3. Имитационная модель 89
3.1. Модель сенсорной сети 92
3.2. Модель объекта сети 95
3.2.1. Физический уровень 97
3.2.2. Канальный уровень 98
3.2.3. Сетевой уровень 100
3.3. Результаты моделирования 101
3.3.1. Оценка расстояний 103
3.3.2. Оценка координат ПО
3.4. Выводы 119
Глава 4. Экспериментальная часть 121
4.1. Построение миниатюрного объекта беспроводной сенсорной сети 121
4.1.1. Приемопередатчики стандарта IEEE 802.15.4/ZigBee 124
4.1.2. Приемопередатчики XBee-Pro (MaxStream) [27] 129
4.1.3. Плата OlimexH5003 130
4.1.4. Датчики физических параметров окружающей среды 131
4.2. Физический эксперимент 135
4.3. Выводы 137
Заключение 140
Список литературы
- Сверхширокополосные сигналы (UWB)
- Точность оценки расстояний в сети IEEE 802.15.4/ZigBee
- Канальный уровень
- Приемопередатчики стандарта IEEE 802.15.4/ZigBee
Введение к работе
На сегодняшний день во всём мире всё более пристальное внимание привлекают к себе "беспроводные сенсорные сети" ("Sensor Networks", далее просто сенсорные сети). Понятие "сенсорная сеть" появилось сравнительно недавно (несколько лет назад) но на сегодняшний день является уже вполне устоявшимся термином (Sensor Network), обозначающим распределенную, самоорганизующуюся, устойчивую к отказу отдельных элементов сеть, состоящую из большого числа малогабаритных и дешёвых полупроводниковых устройств, обменивающихся информацией по беспроводной связи, необслуживаемых и не требующих специальной установки. Каждое устройство может содержать различные датчики физических параметров окружающей среды (движение, свет, температура, влажность, давление и т.д.), а также средства для первичной обработки и хранения полученных данных. Количество объектов в такой сети теоретически определяется только областью применения и бюджетом, и благодаря низкой цене отдельных устройств (порядка нескольких долларов и ниже) может быть весьма велико (порядка нескольких тысяч и выше).
Данный подход к формированию сети позволяет адаптировать сенсорные сети к решению чрезвычайно широкого спектра задач. В частности одним из основных применений сенсорных сетей видится создание разнообразных систем мониторинга и контроля. Следует ожидать что в недалёком будущем сенсорные сети займут свою весьма обширную нишу среди имеющихся телекоммуникационных технологий использующих беспроводную радиосвязь.
В конструктивном плане основным отличием сенсорных сетей от классических телекоммуникационных радиосетей является использование в качестве объектов сети большого числа сверхминиатюрных и дешёвых устройств. Каждое устройство может содержать различные датчики физических параметров окружающей среды (освещённость, температура, влажность, давление, датчики вибраций и т.д.), а также средства для первичной обработки и хранения полученных данных. Количество объектов в такой сети теоретически определяется только областью применения и бюджетом, и благодаря низкой цене отдельных устройств (порядка нескольких долларов и ниже) может быть весьма велико (порядка нескольких тысяч и выше).
В эксплуатационном плане основными отличиями будут, во-первых, специфические системные требования (работа при различных внешних условиях, возможность случайных перемещений отдельных устройств и динамических изменений в топологии сети), и, во-вторых, жесткие реализационные ограничения (по энергопотреблению, вычислительной мощности встроенного процессора, объёму встроенной памяти и т.п.). При этом скромные возможности отдельных объектов сети предназначены в первую очередь для передачи небольших объёмов информации с малой скоростью.
К настоящему времени вопросам связанным с созданием и развёртыванием сенсорных сетей уже посвящено большое количество работ, преимущественно зарубежных авторов. Тематика работ простирается от узкоспециальных вопросов, связанных с созданием отдельных компонентов объектов сети
(приемопередатчиков, микроконтроллеров, датчиков и т.д.) с низкой ценой и низким энергопотреблением до проблем, которые возникают при эксплуатации сенсорных сетей, в частности:
вопросы связанные с организацией работы сети;
разработка программного обеспечения;
учёт ограничений по электропитанию при работе сети;
привязка месторасположения объектов к географическим координатам;
синхронизация внутренних часов отдельных объектов и др.
Кроме того, помимо сугубо научного теоретического интереса уже имеют место быть и конкретные практические шаги направленные к созданию и продвижению данной концепции. Здесь следует отметить факт стандартизации нижних уровней стека сетевых протоколов для использования в беспроводных сетях с малым энергопотреблением: принятие в 2003 году между народного стандарта IEEE 802.15.4 [1] (физический и канальный уровни), а таюке набор спецификаций ZigBee [2] (сетевой уровень). Благодаря этому к настоящему времени уже целый ряд фирм выпускает готовые устройства, на основе которых уже можно создавать прототипы беспроводных сенсорных сетей.
Кроме документов [1] и [2] также следует отметить возможность организации беспроводной сенсорной сети на основе сверхширокополосных (Ultra-Wide Band, UWB) приёмопередатчиков. Данная возможность доступна только теоретически, т.к. соответствующий документ ШЕЕ 802.15.4а так и не был принят в качестве стандарта. Тем не менее вне зависимости от формального статуса данная
технология представляет интерес с точки зрения организации беспроводной радиосвязи в сенсорной сети. Поэтому технологии UWB также уделяется внимание в данной работе.
В отмеченных спецификациях рассмотрены основные вопросы, связанные с функционированием трёх нижних уровней стека сетевых протоколов -распределение частот, организация каналов связи и доступа к среде, транспортный протокол, маршрутизация трафика и т.п. Тем не менее ряд насущных вопросов (из приведённого выше списка) как правило либо остается за рамками данных спецификаций либо рассматривается недостаточно глубоко. По объективным причинам такие вопросы не имеют и не могут иметь стандартного решения что открывает простор для проведения дальнейших исследований по данной тематике.
Одной из насущных проблем является определение месторасположения отдельных объектов сети. Непременным условием при эксплуатации любых систем мониторинга и контроля является привязка данных, собранных всей системой к географическим координатам для отображения собранной информации на карте и последующего анализа. Кроме того, такая сеть (в отличие от традиционных радиосетей) при наличии встроенной подсистемы позиционирования отдельных объектов может быть развёрнута практически где угодно с минимальными затратами. Это может быть произведено, например, путём разбрасывания объектов сети с самолёта.
Помимо привязки полученных сетью в процессе работы данных к карте местности, информация о координатах объектов будет востребована в процессе
функционирования самой сети (построение эффективных с точки зрения энергопотребления алгоритмов маршрутизации, сбор собранных данных).
Всвязи с этим разработка алгоритмов определения координат объектов в сенсорной сети становится весьма актуальной задачей. Основываясь на весьма богатом библиографическом материале представляемая работа имеет цель проанализировать и систематизировать уже известные подходы к определению координат в сенсорных сетях, а также рассмотреть один из возможных путей решения данной задачи.
Цель работы и задачи исследования. Целью диссертации является создание распределённого алгоритма определения координат в беспроводных сенсорных сетях использующего в качестве исходных данных только информацию от близлежащих соседей, реализуемого в условиях естественных ограничений характерных для сенсорных сетей.
Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи:
Проведение сравнительного анализа существующих алгоритмов определения координат, рассмотрение возможных источников информации о географическом месторасположении объектов.
Разработка математической модели алгоритма определения координат.
Получение соотношений для вычисления месторасположения объекта на основе информации о взаимном месторасположении объектов сети и для оценки точности вычислений.
Изучение влияния ошибок измерений на работу алгоритмов определения координат.
Оценка применимости алгоритма в существующих беспроводных сетях стандарта ШЕЕ 802.15.4.
Методы исследования. В диссертационной работе используются: методы теории вероятностей, теории калмановской фильтрации, теории стохастических процессов, вычислительной математики, а также методы имитационного моделирования.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
Разработан распределённый алгоритм определения координат для применения в условиях беспроводных сенсорных сетей при наличии ошибок в измерениях расстояний.
Предложен новый механизм итерационной оценки координат на основе калмановской фильтрации.
При оценке координат аналитически учитывается точность проводимых измерений.
В отличие от других алгоритмов, для определения коодинат используются только те данные, которые доступны по стандарту беспроводной связи.
Разработана методика оценки эффективности работы алгоритмов определения координат в сенсорных сетях.
Практическая ценность. Создан комплекс компьютерных программ для моделирования поведения беспроводной сенсорной сети, а также для
моделирования работы алгоритмов определения координат. В составе комплекса реализована методика оценки эффективности работы алгоритмов определения координат. Создан малогабаритный макет мобильного беспроводного устройства на базе приёмопередатчика стандарта IEEE 802.15.4. В процессе работы использовалось только ПО с открытым исходным кодом.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы были обсуждены на научно-технических конференциях и семинарах:
Международная конференция "Цифровая обработка сигналов и ее применение" в 2007 г.
Научные семинары проводимые IEEE совместно с ЦП РНТОРЭС им. А. С. Попова "Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания" в 2007, 2008 гг.
63я Научная сессия РНТОРЭС им. А. С. Попова в 2008 г.
Московская отраслевая научно-технической конференция "Технологии информационного общества" в 2005, 2007 гг.
XLVII научная конференция МФТИ в 2005г.
Научно-техническая конференция "Радиолокация и связь — перспективные технологии" в 2007г.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 10 печатных работах (в том числе 2 статьи в журнале «Радиолокация и связь» и 3 публикации в трудах международных конференций).
Личный вклад соискателя. Все основные результаты, изложенные в
диссертации, получены автором лично. В работах, проведенных в соавторстве, научному руководителю принадлежит обсуждение постановки задачи и результатов исследований.
Объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 97 наименований. Объем работы составляет 148 страниц текста, работа содержит 54 рисунка.
Основные положения, выносимые на защиту.
Математическая модель взаимодействия объектов сенсорной сети и её использование для оценки координат;
Распределённый алгоритм определения координат на основе калмановской фильтрации;
Результаты исследования работы алгоритма определения координат при наличии ошибок в оценках расстояний;
Структурная схема малогабаритного объекта беспроводной сети с реализацией возможности определения координат.
Краткое содержание работы
Во введении рассмотрена и обоснована актуальность работы, сформулирована основная цель, научная новизна и практическая значимость результатов, приведено краткое описание структуры диссертации.
В первой главе проводится анализ эволюции современных беспроводных телекоммуникационных сетей. Подчёркивается перспективность направления на миниатюризацию и удешевление объектов беспроводных сетей и как следствие -
появление качественно новых беспроводных сенсорных сетей. Также рассматриваются существующие стандарты беспроводной связи, которые могут быть использованы при создании беспроводных сетей распределённых датчиков. Подчёркивается необходимость и возможность реализации механизмов определения координат поверх/в рамках одного из уровней стека сетевых протоколов многих стандартов беспроводной связи.
Вторая глава посвящена всестороннему исследованию вопросов связанных с оценкой координат на основе измерений расстояний до близлежащих объектов сети применительно к беспроводным сенсорным сетям.
С этой целью производится математическая постановка задачи поиска координат распределённых датчиков при наличии возможности измерения расстояний между объектами сети. Рассматриваются необходимые начальные условия данной задачи, а именно: равномерность и плотность распределения объектов сети, наличие в сети доли объектов имеющих возможность определять свои координаты самостоятельно, точность производимых в процессе работы оценок расстояний между объектами. Предлагается математическое описание распределённого итерационного алгоритма определения координат на основе калмановской фильтрации.
В третьей главе на основе разработанного комплекса программ, проводится исследование точности измерений расстояний по уровню принимаемого сигнала в сетях стандарта IEEE 802.15.4, а также моделируется работа целой сенсорной сети и исследуется поведение предлагаемого алгоритма в зависимости от плотности
сети, доли объектов с известными координатами, точности производимых оценок расстояний. Дается качественная и количественная интерпретация получаемых результатов, на основе которых делаются выводы о возможности использования предлагаемого алгоритма определения координат в беспроводных сенсорных сетях с радиочастью стандарта ШЕЕ 802.15.4.
Четвертая глава посвящена аспектам технической реализации малогабаритного объекта беспроводной сети со встроенной возможностью определения координат, представляющую собой программную реализацию предлагаемого в данной работе алгоритма. Для создания объекта используется приёмопередатчик стандарта IEEE 802.15.4 и управляющая плата на основе микроконтроллера ARM7TDMI.
В заключении приводятся основные результаты и выводы диссертационной работы.
Сверхширокополосные сигналы (UWB)
UWB сигналы фундаментальным образом отличаются от традиционно и повсеместно используемых узкополосных радиосигналов. В настоящее время к UWB принято относить любые сигналы, для которых абсолютная ширина спектра превышает 500МГц и относительная ширина полосы частот превышает 20%, т.е.: С1 С1 Bf--f—h- --100% 20%, / (Fk+F,)/2 где Fh и Ft - верхняя и нижняя границы (в точках -10 dB) спектра UWB сигнала соответственно. Таким образом сама UWB технология определяется только спектральной характеристикой сигнала. На данный момент существует два основных подхода к формированию сверхширокополосных сигналов: МВОА (Multiband-OFDM Alliance) и DS-UWB (Direct-Sequence UWB).
В первом случае предлагается разбиение всего частотного диапазона UWB на множество поддиапазонов шириной порядка 0.51Гц (также считающихся широкополосными) и использовать технологию мультиплексирования сигнала по ортогональным несущим (OFDM). Разбиение выделенного под UWB спектра на поддиапазоны промежуточной ширины призвано снизить искажение сигнала в каждом поддиапазоне и несколько увеличить дальность связи. При этом использование поддиапазонов влечет за собой значительное усложнение структуры приемопередатчиков.
Во втором случае предполагается использование всего спектра как единого целого. Сигнал состоит из последовательности импульсов очень короткой длительности. Применительно к рассматриваемой задаче следует заметить, что приемопередатчики такого типа достаточно просты и имеют определенные преимущества в плане потребления. Это делает DS-UWB сигналы весьма привлекательными для использования в сенсорных сетях. Следует отметить, что сама возможность использования всего сверхширокополосного спектра разными способами оказывается препятствием для принятия соответствующих стандартов [35], [36]. По этой причине ожидать в ближайшем будущем приемопередатчиков с использованием UWB сигналов и малым энергопотреблением не следует.
Применительно к рассматриваемой задаче следует отметить следующие особенности DS-UWB:
1. Упрощение структуры и уменьшение энергопотребления приемопередатчиков. Благодаря отсутствию в UWB несущей частоты из приемопередатчика можно убрать всю аналоговую часть (генераторы частоты, усилители, фильтры) и создать приемопередатчик полностью на кмоп.
2. В силу малой длительности одного импульса такие сигналы менее подвержены многолучевости и интерференции.
3. В силу значительно большей ширины полосы частот такие сигналы лучше распространяются при наличии разного рода препятствий.
4. Также благодаря большей ширине полосы частот при приеме такого сигнала из него теоретически можно получить больше информации о расстоянии между передатчиком и приемником, в том числе при отсутствии прямой видимости [55].
Эти свойства UWB сигналов делают их весьма привлекательными для использования в беспроводных сенсорных сетях. Рассмотрение такой возможности может быть одним из возможных и весьма перспективных путей проведения дальнейших исследований.
Первая версия спецификации IEEE 802.15.4 [1] была принята в 2003 году одноименной организацией в качестве стандарта для организации беспроводный сетей, для которых с одной стороны не требуются высокие скорости передачи данных, но с другой стороны есть повышенные требования к сроку службы устройств при отсутствии стационарных источников питания. В настоящее время доступна ревизия этой спецификации от 2006 года. В [1] определены два нижних уровня стека сетевых протоколов - физический и канальный, организация вышестоящих уровней в [1] не рассматривается. Поэтому на данный момент доступно несколько вариантов организации полного стека сетевых протоколов, основанных на [1], в частности WirelessHART [44], ISA100 [45], ZigBee [2]. Из них наиболее популярен и соответственно наиболее доступен вариант ZigBee [2].
Организация ZigBee была основана сразу же после принятия стандарта IEEE 802.15.4 и в 2004 году выпустила первую версию своей спецификации ZigBee [2], в которой дополнительно определены два дополнительных вышестоящих уровня сетевых протоколов - сетевой и уровень приложений. Таким образом два представленных документа [1] и [2] определяют полный стек сетевых протоколов, изображенный на рис. 1:
Точность оценки расстояний в сети IEEE 802.15.4/ZigBee
Точность оценки расстояний в сети IEEE 802.15.4/ZigBee Измерение расстояния между двумя объектами может быть основано на различных физических принципах. Наиболее часто упоминаемы в литературе ([8], [32], [51], [53]) следующие способы:
1. ToA (Time-of-Arrival) - измерение расстояний на основе измерения времени распространения сигнала от передатчика до приемника.
2. RSSI (Received-Signal-Strength-Indicator) - измерение расстояний на основе измерения мощности принимаемого сигнала.
Оба метода имеют свои достоинства и недостатки. В первом случае требуется прецизионное измерение интервалов времени распространения радиосигнала, что серьезно затрудняет практическую реализацию в условиях, характерных для сенсорных сетей. Во втором случае мощность принимаемого сигнала (а следовательно и измеренное расстояние) искажается под влиянием многих факторов: внешних условий (рельеф местности, атмосферные условия и др.), направленных свойств и ориентации в пространстве приемной и передающих антенн и др. При этом следует отметить, что с точки зрения определения координат основной интерес представляет точность производимых оценок расстояний. В данной работе производится оценка точности измерения расстояний для второго способа - RSSI, в силу того что данный метод наиболее прост в реализации, более распространен, в частности доступен в сетях [1]-[2]. Случай использования второго способа ТоА с учетом характерных деталей конкретной реализации может быть рассмотрен аналогично (например [46]).
При распространении радиосигнала в свободном пространстве мощность принимаемого сигнала зависит от расстояния как P{d) -K. (24) а Для расстояний больших длины волны обычно используется соотношение P(d)=P(d0){ j , (25) где do обычно принимается равным 1м, P(do) либо рассчитывается теоретически на основе (24), либо находится по результатам эксперимента. В идеальном случае для оценки расстояния достаточно формул (24)-(27).
Однако в реальных условиях мощность принимаемого сигнала сильно зависит от характеристик канала распространения между передатчиком и приемником. Это приводит к тому, что показатель ослабления принимаемого сигнала уже не равен 2 (в частности типовое значение этого параметра внутри помещения обычно находится в пределах от 3 до 5 [8], [32]). Таким образом средняя мощность принимаемого сигнала (в дБм) описывается с помощью следующего соотношения: P(d)[dBm]=P(d0)[dBm]-lOn lgU-\, (26) при этом отклонение оценки мощности принимаемого сигнала от средней величины в силу различных эффектов, связанных с распространением радиосигнала в беспроводном канале (многолучевость, экранирование) описывается распределением =F(a, а). Присутствующее в функции распределения F смещение оценки уровня шума [51] с помощью соответствующей нормировки полагают а = 0 [32],[58]. Кроме того, в качестве функции распределения F часто используется нормальное распределение [32],[58] %=Щ0,сг), (27) соответственно f(P)=N(P,a). (28) При усреднении по ансамблю измерений математическое ожидание мощности сигнала принимает значение Р = Р. Натуральный логарифм функции плотности вероятности/выражается соотношением /я/=Сі- = , (29) 2 т где Сі - константа. С этой точки зрения оптимальная оценка расстояния соответствует максимуму In f — то есть когда Р=Р. Наилучшая в этом смысле оценка расстояния получается из (26) p(d0)-p(d) d = dо 10 10" (3) При наличии ошибок, т.е. если Р = Р+% из соотношения (30) получается P(rf0)-P(rf)-g -s_ ds=d010 I0" =d\010" (31 Таким образом наиболее вероятное значение (мат. ожидание) d задается соотношением E{d?)=dC2 , (32) где С? - константа, определяемая по формуле С2=/ 1010"d% . (33) —оо
Таким образом по виду соотношения (32) можно утверждать, что величина ошибки измерения расстояния пропорциональна расстоянию между передатчиком d-d и приемником, а относительная ошибка 5d=—=— должна иметь одинаковое d распределение независимо от расстояния между передатчиком и приемником, которое аппроксимируется либо логарифмически нормальным распределением [58], либо нормальным распределением [32].
Значение величины второго центрального момента соответствующего нормального распределения относительной ошибки измерения расстояния по степени ослабления принимаемого сигнала &/зависит от следующих факторов: 1. Физические характеристики используемого сигнала (тип сигнала, полоса, способ модуляции и др.). 2. Структура искажений сигнала в беспроводном канале передачи данных. 3. Способ обработки принимаемого сигнала в приемнике.
Канальный уровень
Весь комплекс исследований на основе имитационного моделирования, преследует цель всесторонне оценить возможные границы применимости предлагаемого алгоритма определения координат. Отправной точкой в данных исследованиях является возможность применения алгоритма в сетях ZigBee.
В качестве границ применимости алгоритма в первую очередь предлагается отыскание соответствия между различными параметрами, которые влияют на работоспособность алгоритма определения координат: Размеры и топология сети (S, М, т, Q, q); Индивидуальные характеристики отдельных объектов сети, зависящие от применяемого стандарта радиосвязи (L, jd). В соответствии с такой постановкой задачи имитационного моделирования можно разделить на две части: Оценка радиуса действия объектов сети L, возможность измерения расстояния между соседними объектами сети d в сети IEEE 802.15.4/ZigBee на основе уровня принимаемого сигнала (RSSI); оценка точности получаемых измерений 7d; Отыскание приемлемых с точки зрения оценки координат характеристик беспроводной сенсорной сети S, М, т, Q, q, L, ad.
В связи с использованием для оценки расстояния RSSI в данную имитационную модель в первую очередь закладывается возможность оценки расстояния при условии прямой видимости между передатчиком и приемником, которая соответствует ситуации развертывания сети снаружи от помещений и вдали от искусственных источников помех связанных с явлениями интерференции и дифракции. В случае нарушения указанных условий (при условии допущения отсутствия прямой видимости) это приводит к заведомо гораздо более жестким условиям налагаемым на характеристики сети, необходимости отыскания новых способов оценки расстояний между объектами сети, что требует корректировки всей исходной постановки задачи.
Оценка расстояний
Основной интерес при проведении данного этапа работы представляла собой теоретическая оценка точности измерения расстояний и дальности действия в свободном пространстве, характерном для случая развертывания сети вне вне зданий и их сравнение с аналогичными параметрами, характерными для ситуации внутри помещения. Получение результатов, характерных для обоих случаев осуществлялось посредством выбора соответствующей передаточной характеристики беспроводного канала передачи.
Имитационное моделирование тракта "передатчик-канал-приемник" производилось на начальном этапе данной работы в среде Matlab версии 7.0 [20]. Для упрощения структуры выходных т-файлов элементы тракта "передатчик-канал-приемник" были реализованы в виде т.н. СОМ-компонент, которые затем вызвались из т-файлов в процессе моделирования.
Передатчик. Элемент "передатчик" в данной модели преобразует исходные данные в аналоговый радиосигнал с заданной частотой дискретизации. Для этого внутри данной компоненты реализована следующая функциональность: формирование пакета MAC уровня из исходных данных; преобразование пакета MAC уровня в пакет PHY уровня; преобразование пакета PHY уровня в соответствующую чиповую последовательность; преобразование чиповой последовательности в выходной аналоговый радиосигнал с заданной частотой дискретизации;
Приемопередатчики стандарта IEEE 802.15.4/ZigBee
На отечественном рынке на данный момент доступны только устройства ZigBee. В первую очередь по этой причине в процессе проведения данной работы рассмотрению приемопередатчиков стандарта IEEE 802.15.4/ZigBee уделено основное внимание.
Спектр доступных на данный момент устройств представлен продукцией от следующих производителей (в скобках указаны модели приемопередатчиков): Cirronet (ZMN2400 [24]), FreeScale (МС13292/МС13293 [25]), Jennie (JN5121 [26]), MaxStream (XBee, XBee-Pro [27]), Texas Instruments (CC2400 [28], CC2420 [23], CC2431 [29], CC2430[78], CC2550 [79]). Ниже представлено краткое описание и сводная таблица 1 основных характеристик радиочасти у указанных приемопередатчиков, при использовании в качестве радиочасти приемопередатчиков стандарта IEEE 802.15.4.
МС13292/МС13293. Данные приемопередатчики построены на основе стандарта IEEE 802.15.4, имеют в своем составе малошумящий усилитель, усилитель мощности (до 4 dBm). Для связи с внешним МК используется 4-х проводная шина SPI, семь выводов GPIO и шина прерывания. Дополнительно имеется выход с программно-управляемого таймера, который может использоваться управляющим микроконтроллером в качестве внешнего генератора тактирования.
ZMN2400. В данные приемопередатчики предустановлен весь стек протоколов ZigBee. Для связи с внешними устройствами модули ZMN2400 имеют шину SPI, интерфейс UART, шесть вводов/выводов общего назначения, три АЦП разрядностью 10 бит и два широтно-импульсных модулятора. JN5121. Данное устройство включает в себя приемопередатчик стандарта IEEE 802.15.4, 32-разрядный 8051-совместимый RISC-микроконтроллер, работающий на частоте 16МГц, 64кБ ROM, 96 кБ RAM, схемы аппаратной поддержки сетевых протоколов МАС-уровня. Для связи с внешними устройствами имеется 2 UART, SPI порт, двухпроводный последовательный интерфейс, 21 вывод GPIO.
ХВее/ХВее-Pro. Данные модули содержат приемопередатчик IEEE 802.15.4, и управляющий микроконтроллер, благодаря которому передача данных по радиоканалу эквивалентна передаче данных по стандартному последовательному интерфейсу. Дня запуска работы модуля достаточно задействовать 2 линии питания и линии приема-передачи UART. Данные устройства могут управляться через последовательный порт ПК с помощью интерфейсных плат, которые также доступны в продаже.
СС2400-СС2550. Данные устройства компании ChipCon (Texas Instruments) реализуют физический и канальный уровни стандарта IEEE 802.15.4. Внешнее управление, доступ к внутренним регистрам и памяти приемопередатчиков осуществляется через последовательный SPI-интерфейс.
Приемопередатчики, поддерживающие спецификации IEEE 802.15.4/ZigBee могут использоваться в отдельных случаях как самостоятельные устройства, но для организации полноценной сети ZigBee необходимо наличие микроконтроллера, в который должен быть загружен набор управляющих программ.
Ряд компаний выпускает законченные модули ZigBee. Это небольшие платы (2-5 см2), на которых установлен приемопередатчик, управляющий микроконтроллер и необходимые дискретные элементы. В управляющий микроконтроллер, в зависимости от желания и возможности производителя закладывается либо полный стек протоколов ZigBee, либо иная программа, реализующая возможность простой связи между однотипными модулями. Все элементы используют интерфейсы UART, SPI и управляются с помощью соответствующего набора команд. В отдельных случаях такие модули содержат цифровые и аналоговые входы, интерфейс RS-232, свободную память для прикладного программного обеспечения.
Среди таких устройств следует отдельно выделить модуль СС2431 [29] производства Texas Instruments. Микросхема СС2431 построена на базе приемопередатчика СС2420, содержит встроенный микроконтроллер 8051, работающий на частоте 32MHz, 128 килобайт ППЗУ, 8 килобайт оперативной памяти. Отличительной особенностью этого продукта является аппаратная реализация механизма ипределения координат [30] на основе 8-10 измерений расстояний до ориентиров по уровню принимаемого сигнала.
