0 позиций в запросе!   Отправить?
Подписка на новости
Задать вопрос

    Имя *

    E-Mail *

    Компания *

    Телефон *

    Вопрос *

    Нажимая на кнопку, вы даете согласие на обработку своих персональных данных

    Заказать образцы

      Имя *

      E-Mail *

      Телефон *

      Сайт

      Компания *

      Описание проекта *

      Образцы предоставляются под проект

      Нажимая на кнопку, вы даете согласие на
      обработку своих персональных данных и
      обратную связь со специалистами PT Electronics

      Подписка на новости

      Назад

      Беспроводная «умная» сеть SmartMesh® от Linear Technology – сверхнадежность, базирующаяся на гибкости и совершенстве

      2 Июл 2017

      Автор статьи

      Станислав Косенко, заслуженный рационализатор РФ
      Александр Федоров, инженер по применению PT Electronics

      (Опубликовано в журнале «Вестник Электроники», №1 2014)
      Скачать статью в формате PDF (483 KБ)


      На рубеже прошлого и нынешнего веков проводные линии связи автоматизированных систем управления, объединяющие специализированные датчики температуры, влажности, давления, напряжения и других регулируемых параметров в объектах на транспорте, в промышленном производстве, жилищно-коммунальной сфере и других отраслях начали стремительно вытесняться беспроводными сетями. Создание и обслуживание таких сетей стало выгодным, во-первых, по экономическим соображениям, и во-вторых, благодаря неоспоримому преимуществу постоянно совершенствующихся аппаратных и программных продуктов цифровых технологий по сравнению с применявшейся ранее аналоговой базой. По сложившейся терминологии данный класс устройств стали именовать Wireless Sensor Networks (WSN) – беспроводная сенсорная сеть.

       

      Зарождение и развитие SmartMesh WirelessHART

      Становление и развитие беспроводных сетей пошло по нескольким направлениям, регламентируемым отдельными стандартами. Один из таких стандартов разрабатывался и продвигался усилиями компании Dust Networks, предложившей в 2004 г. на основе своих изысканий технологию синхронизированной во времени, самоорганизующейся и самовосстанавливающейся беспроводной сети с ячеистой архитектурой, получившей название WirelessHART (Highway Addressable Remote Transducer) – беспроводная магистраль дистанционных адресуемых датчиков. Функционирование подобных сетей регламентируется стандартом Комитета международного института инженеров по электротехнике и электронике IEEE 802.15.4, утвержденным в сентябре 2007 г., а в апреле 2010 г. – и Международной электротехнической комиссией IEC 62591.

      Данный стандарт регламентирует физический слой (диапазон выделяемых частот) и управление доступом (вид модуляции передаваемых в сети сигналов и др.) к среде для беспроводных сетей, основное предназначение которых – сбор и передача данных, формируемых отдельными датчиками. Поскольку допустимые для функционирования беспроводных сетей нелицензируемые диапазоны радиочастот отличаются в разных странах и континентах, стандарт выделяет в этих целях три полосы частот: 868…868,5 МГц; 902…928 МГц; 2400…2483,5 МГц. Скорость передачи данных в каждом из названных диапазонов нормируется на уровне 20 кбит/с, 40 кбит/с и 250 кбит/с соответственно. Общеупотребительный нелицензируемый статус, в том числе и для России, получил диапазон частот 2400…2483,5 МГц. Именно в этом диапазоне функционирует беспроводная сеть WirelessHART.

      Специфика применения беспроводной сети, объединяющей промышленный комплекс датчиков, позволила нормализовать и другой важный параметр – взаимное удаление приемопередающих устройств в узлах, в качестве которого был выбран основной стандартизованный минимум, составляющий 10 м. Детальный учет всех перечисленных факторов позволил компании Dust Networks создать более совершенный продукт по технологии, именуемой SmartMesh WirelessHART, основное отличие которой от прототипа – ультранизкое энергопотребление, позволяющее в качестве источника питания применять в том числе и энергосберегающие устройства на основе преобразования солнечной энергии. Если же в этих целях использовать малогабаритные химические источники тока (например, литиевые неперезаряжаемые элементы питания типоразмера CR2032), они годами будут обеспечивать бесперебойную работу беспроводной сети. По разным источникам, периодичность замены таких батареек в непрерывно работающих приемопередающих устройствах может составлять 5…10 лет в зависимости от объема и периодичности сбора и передачи информации от датчиков.

       

      99,999% – чем достигается такая надежность функционирования сети?

      Среди других особенностей продукта SmartMesh WirelessHART можно отметить достаточно высокую защищенность передаваемых данных в сети на его основе, что достигается специальной цифровой идентификацией приемопередающих устройств, кодированием передаваемых данных, проверкой их подлинности, программированием смены кодирующих ключей в автоматическом или пользовательском режиме и другими специальными мерами.

      В общем случае сеть SmartMesh может состоять из узлов, самоформирующихся в отдельные кластеры. Менеджер сети контролирует и поддерживает сетевую производительность и безопасность и через шлюз на прикладном уровне обменивается информацией с контроллером локальной вычислительной сети для воздействия на оконечные исполнительные устройства, функционирование которых поддерживает требуемое значение контролируемых параметров.

      Схематичное построение сети из 15 узлов иллюстрирует рис. 1, отображающий покрытие беспроводной сетью датчиков некоторой промышленной зоны. Пунктиром показаны возможные маршруты передачи пакетов данных и обратного подтверждения их успешного приема. Разумеется, в произвольный момент времени будет реализован лишь один из возможных маршрутов, поскольку многолучевая передача одного и того же пакета создала бы возможность конфликта (коллизии), когда может оказаться заблокированным узел, принимающий информацию с двух направлений.

      Рис. 1. Схематичный вариант построения сети SmartMesh WirelessHART

      Рис. 1. Схематичный вариант построения сети SmartMesh WirelessHART

      Сеть начинает формироваться, когда менеджер сети через свое приемопередающее устройство по радио начинает посылку пакетов с информацией, позволяющей другим узлам синхронизироваться с менеджером и сформировать запрос на присоединение. При передаче пакета данных узел включает в него адрес назначения, преамбулу для синхронизации, 2 проверочных байта циклического кода (CRC) для обнаружения ошибок и т. п. Данные могут быть зашифрованы в соответствии со стандартом AES (Advanced Encryption Standard) – улучшенным стандартом симметричного блочного шифрования, поддерживающим 128-разрядные ключи. Это сообщение является подтверждением безопасности при установке зашифрованной связи между менеджером
      и узлом, присоединившимся к сети.

      Поскольку в зоне связи менеджера сети, как правило, оказываются несколько узлов, готовых присоединиться к сети и в свою очередь ретранслировать запрос ближайшим соседям, процесс формирования сети занимает считанные секунды. Более того, непременным условием высоконадежной передачи пакетов с данными от узла к узлу и далее – менеджеру сети является скачкообразное изменение радиочастотного канала, что пояснено ниже. Перебор множества вариантов маршрута следования пакетов сопровождается сбором статистических данных, накапливаемых на присоединенных к сети узлах. Эти данные, называемые отчетом о «здоровье» узла, отражают качество используемых маршрутов и списки потенциальных маршрутов. Отчеты периодически отправляются менеджеру сети с тем, чтобы непрерывно диагностировать и оптимизировать сеть, поддерживая надежность передачи данных на уровне 99,999% даже в самых сложных условиях загруженности используемых радиочастотных каналов.

      Однако следует иметь в виду, что производитель гарантирует достоверную с вероятностью 99,999% передачу информации лишь в правильно организованной сети и только при наличии избыточных каналов связи. Это значит, что каждый из узлов сети должен находиться в зоне связи минимум с двумя другими ближайшими, называемыми родительскими, узлами. Особенно критично выполнение данного требования по отношению к менеджеру сети и его ближайшему окружению. Если данное условие не выполняется, вероятность безотказного функционирования сети соответственно снизится, иногда до недопустимых значений.

      На рисунке показана неблагоприятная ситуация, когда в зону покрытия сети временно вводится некоторая металлическая конструкция, обладающая экранирующими для радиосигнала свойствами, либо внезапно возникает зона радиопомех, например при работе близко расположенного к узлу ручного электроинструмента с коллекторным электродвигателем, включении какого-либо устройства Wi- Fi, Bluetooth, работающего в диапазоне 2400…2483,5 МГц и т. п. Очевидно, что благодаря наличию избыточных каналов связи при повреждении некоторых сегментов сети для передачи информации будет выбран оптимальный (но не кратчайший) маршрут, позволяющий без сбоев передать информационный пакет данных. Важно отметить, что подобным свойством автоматического определения альтернативного маршрута доставки пакетов в обход поврежденных элементов сети обладают немногие технологии, и прежде всего – это SmartMesh от Dust Networks, первооткрывателя в подобных научных изысканиях и практических разработках. Как упоминалось, менеджер сети постоянно выполняет динамическую оптимизацию сети, основанную на периодических сообщениях, оценивающих целостность и качество связи, которые он получает от узлов сети.

      Как показано на рис. 1, в сети SmartMesh каждое устройство имеет одного или более родителей (например, для узла 0D являются родительскими узлы 07, 08, 09, 0C и 0E), которые обеспечивают избыточные пути, чтобы преодолеть прерывание связи из-за возникновения на кратчайшем маршруте физической преграды, радиопомехи или многолучевой интерференции на входе радиоприемного устройства узла 08. Если передача пакета безуспешна по выбранному менеджером сети маршруту, следующая повторная попытка передачи будет реализована по другому маршруту и другому радиочастотному каналу.

      В особых случаях, как иллюстрирует рисунок, при возникновении производственной необходимости топология сети может быть с минимальными затратами изменена так, чтобы включить в контролируемый производственный процесс один или несколько дополнительных датчиков (на рисунке – узел 10), что невозможно было бы сделать с помощью проводной линии, например при пересечении транспортной магистрали на строительной площадке и т. п. Беспроводная сеть SmartMesh обладает ценным свойством масштабируемости, особо важной в динамично развивающейся строительной (промышленной) зоне. Разумеется, в состав сети могут быть включены узлы с минимальной конфигурацией оборудования (без каких-либо датчиков), основное функциональное предназначение которых заключается в ретрансляции информационных пакетов, что позволит с минимальными материальными и временными затратами преодолеть проблемные участки в зоне покрытия беспроводной сети и обеспечить требуемую надежность ее функционирования. В противовес такому варианту узлы могут быть также сконфигурированы и как немаршрутизируемые, что позволит уменьшить потребляемую мощность выбранного узла и разнообразить топологию сети применительно к решаемой производственной задаче.

       

      Слоты и хопы – два кита сети SmartMesh

      Сеть SmartMesh базируется на технологии TSCH (Time Slotted Channel Hopping – использование квантования времени на слоты и применение скачкообразного изменения частоты в выделенных каналах связи). Процесс выделения слотов (временных интервалов) для связи между узлами показан на рис. 2.

      Рис. 2. Организация гарантированного доступа узлам сети к ра-диоканалу через временные слоты

      Рис. 2. Организация гарантированного доступа узлам сети к ра-диоканалу через временные слоты

      Для гарантированной доставки информационного пакета от одного узла к другому встроенные в них генераторы, формирующие метки времени, синхронизируются менеджером сети, передающим с заданной периодичностью в начальном тактовом интервале (микрослоте с индексом 0) сигнал синхронизации. Микрослоты 1–15 образуют активную часть суперкадра, соответствующего интервалу между импульсами синхронизации, которые на рисунке выделены сплошной заливкой.

      В остальной пассивной части суперкадра (на рисунке окрашена в серый цвет) все устройства в сети переходят в «спящий» режим, когда расходуемая энергия источника питания крайне мала. С учетом того, что каждый отдельный узел «знает», когда ему «просыпаться» и приступать к прослушиванию радиоканала, в зависимости от трафика коэффициент занятости может составлять от 1% до 10% (типовое значение – 5%), что обеспечивает низкое энергопотребление и менеджером сети, и приемопередающими устройствами, и вычислительными средствами, и датчиками в беспроводной сети.

      Рис. 3. Технология скачкообразного изменения частоты (хопов) на маршруте передачи информационных пакетов

      Рис. 3. Технология скачкообразного изменения частоты (хопов) на маршруте передачи информационных пакетов

      Предположим, узлу 0D (рис. 1) в соответствии с алгоритмом функционирования управляющей программы необходимо передать менеджеру сети данные, полученные от присоединенного к узлу датчика. По запросу узла менеджер сети производит текущее распределение кадра слотов между узлами, при этом микрослоты 8–9 гарантированно предоставляются для доступа к радиоканалу узлу 0D (рис. 2, где GTS – Guaranteed Time Slot), 10–11 – узлу 0C, 12–13 – узлу 07, 14–15 – узлу 02, который завершает маршрут передачи данных менеджеру. На следующем кадре слотов распределение циклически повторяется (рис. 3), и так до тех пор, пока каждый узел не передаст весь информационный пакет данных и не получит подтверждение о его приеме.

      Важно отметить, что в сеансе радиосвязи, например при передаче информации узлом 0D и приеме узлом 0C в слоте, предоставленном первому из них, передача начнется с незначительной задержкой относительно границы слота, а включение приемного устройства 0С – с некоторым опережением. В сети SmartMesh метки времени позволяют синхронизировать функционирование узлов (системное время) с точностью до сотен микросекунд, поэтому создание дополнительных временных сдвигов в функционировании приемопередающих устройств обеспечивает требуемую вероятность 99,999% доставки информационных пакетов. Алгоритм передачи пакета приведен на рис. 4.

      Рис. 4. Алгоритм передачи информационного пакета в сети SmartMesh WirelessHART

      Рис. 4. Алгоритм передачи информационного пакета в сети SmartMesh WirelessHART

      В соответствии с управляющей прикладной программой с заданной периодичностью, например 1 раз в 5 мин., микроконтроллеру каждого узла поступает запрос на предоставление данных, считываемых с некоторого присоединенного к узлу датчика. С некоторым упрощением пояснения можно считать, что при этом микроконтроллер инициирует запрос на обслуживание менеджером сети, устанавливая параметр serviceIndication (индикатор обслуживания) в активное состояние (svcID=1). В случае занятости менеджера либо повреждения связи в сети через каждые 2 мин. запрос будет отправлен повторно до тех пор, пока менеджер подтвердит запрос на обслуживание и назначит слот для радиопередающего устройства. Получив доступ к радиочастотному каналу, узел 0D, например как показано на рис. 1, в течение нескольких циклов слотовых кадров (рис. 2) передает весь информационный пакет менеджеру сети по маршруту 0D–0C–07–02–00, который менеджер планирует заранее при обнаружении повреждения связи в зонах радиопомех и экранирования. Как показано на рис. 3, несущая частота радиоканалов циклически и скачкообразно изменяется при приеме–передаче информационного пакета, например в последовательности 2425–2435–2420–2430 МГц. Пользователь может выборочно занести в «черный список» каналы, на которых передача должна быть исключена (например, в США и Канаде недопустимо применение в этих целях канала 2480 МГц). Число запрещенных каналов обязательно должно быть нечетным.

      Завершается передача данных установкой микроконтроллером параметра (svcID=0) в нулевое состояние и получением подтверждения о текущем изменении статуса в таблице состояний узла, учитываемой менеджером сети.

       

      Состав и возможности набора DC9007 SmartMesh WirelessHART Starter Kit

      Практическое представление о функционировании и технических параметрах беспроводной сети на основе названного продукта можно получить, ознакомившись с производимым компанией Linear Technology оценочным набором DC9007 SmartMesh WirelessHART Starter Kit, который включает в себя показанные на рис. 5 следующие компоненты:

      • LTP5903CEN – менеджер сети (Packaged Network Manager);
      • DC9003A-C Eterna – 5 приемопередающих полнофункциональных устройств, образующих узлы беспроводной сети (SmartMesh WirelessHART Motes);
      • DC9006A – модуль сопряжения (Interface Board).
      Рис. 5. Основные компоненты и их взаимосвязь в оценочном набо-ре DC9007 SmartMesh WirelessHART Starter Kit

      Рис. 5. Основные компоненты и их взаимосвязь в оценочном набо-ре DC9007 SmartMesh WirelessHART Starter Kit

      В комплект поставки входят также элементы, отображенные на рис. 6:

      • 5 резервных источников питания CR2032 для приемопередающих устройств;
      • соединительные кабели;
      • универсальный блок питания менеджера сети.
      Рис. 6. Дополнительные компоненты в оценочном наборе DC9007 SmartMesh WirelessHART Starter Kit

      Рис. 6. Дополнительные компоненты в оценочном наборе DC9007 SmartMesh WirelessHART Starter Kit

      Вся необходимая для эксплуатации оценочного набора техническая документация размещена на сайте производителя [1].

      Как можно видеть на рис. 5, в отладочном режиме специального программного обеспечения любой из узлов Eterna подключают к модулю сопряжения, который в свою очередь, как и менеджер сети, кабелями соединяют с компьютером. Такая технологическая операция позволяет отладить программное обеспечение и приспособить беспроводную сеть под конкретную задачу, учитывающую характер и объем данных, передаваемых от оконечных датчиков физических параметров в некотором контролируемом производственном процессе, а также периодичность их обновления.

      Представленная на рисунке сеть состоит всего лишь из пяти узлов. Тем не менее ресурсы менеджера сети позволяют многократно увеличить их число. Например, до 250 узлов может достигать число узлов в сети с менеджером, обозначаемым индексом LTP5903–WHRB (именно таким комплектуется оценочный набор), или до 500 узлов с менеджером LTP5903–WHRC.

      Рассмотрим подробнее конструктивные особенности и технические параметры основных составных элементов оценочного набора.

       

      Менеджер беспроводной сети SmartMesh WirelessHART

      Менеджер смонтирован в металлическом корпусе с габаритными размерами 130х170х35 мм. Внешний вид менеджера беспроводной сети SmartMesh WirelessHART иллюстрирует рис. 7. На тыльной стороне корпуса расположен коаксиальный разъем, к которому подсоединена приемопередающая антенна высотой 120 мм. На верхней крышке показаны сквозные отверстия для доступа к микрокнопкам сброса и перехода к заводским установкам режимов. Здесь также размещены светодиодные индикаторы состояния:

      • POWER (зеленый) светится при подключении источника питания 12 В;
      • SUBSCRIPTION (желтый) указывает, что клиентская программа зарегистрирована через интерфейс прикладного программирования (Application Programming Interface – API) менеджера беспроводной сети;
      • RADIO (желтый) мигает при ведении менеджером радиообмена.
      Рис. 7. Внешний вид менеджера беспроводной сети SmartMesh WirelessHART

      Рис. 7. Внешний вид менеджера беспроводной сети SmartMesh WirelessHART

      С лицевой стороны корпуса (рис. 7) размещены разъемы последовательных интерфейсов:

      • ETHERNET (розетка интерфейса для подключения посредством соединителя RJ-45 к локальной вычислительной сети стандарта 10/100Base-T по протоколу
        IEEE 802.3; служит для удаленного доступа и управления конфигурированием сети);
      • SERIAL 1 (последовательный интерфейс для встроенной интеграции с контроллерами; служит для программируемого доступа и управления конфигурированием сети);
      • SERIAL 2 (9-контактная розетка D-SUB для управления менеджером сети по интерфейсу универсального асинхронного приемопередатчика UART – Universal Asynchronous Receiver/Transmitter);
      • SERIAL 3 (не доступен).

      Основу узлов и менеджера сети SmartMesh составляет соответствующее стандарту IEEE 802.15.4e однокристальное (System-on-Chip — SoC) высокоинтегрированное энергосберегающее приемопередающее устройство, совмещенное с 32–разрядным микроконтроллером ARM® ™Cortex™-M3 с необходимым для функционирования сети программным обеспечением. Программное обеспечение поставляется полностью откомпилированное, тем не менее допускающее изменение конфигурации через богатый набор интерфейса API, который позволяет управляющей программе взаимодействовать с сетью, например передавать информацию устройству, конфигурировать интервал регистрируемых данных на одном или более узлах, контролировать сетевое состояние или показатели производительности и т. д. Регистрация данных может быть унифицированной или различаться от одного устройства к другому. При необходимости каждый узел способен регистрировать данные медленнее или быстрее по сравнению с предустановленным ежесекундным интервалом.

      Алгоритм взаимодействия управляющей программы и клиентской программы оконечного устройства посредством применения API пояснялся на рис. 4. В соответствии с принятой концепцией в API различают канал управления и канал уведомления. При этом считают, что канал управления используется для подключения оконечного устройства и обмена с ним командами и информацией о сети, а канал уведомления обеспечивает передачу потоковых данных и извещений о наступлении сетевых событий, характеризуемых выходом регулируемых параметров системы за установленные пределы допустимых изменений.

      Наряду с интерфейсом API в сети SmartMesh использован также интерфейс типа командной строки – Command Line Interface (CLI). CLI предназначен для взаимодействия с менеджером сети, например во время разработки приложения, чтобы наблюдать многовариантность решений в случае возможного изменения тех или иных параметров. В частности, через CLI могут быть сконфигурированы такие системные параметры, как сетевой идентификатор. Информация о состоянии системы и сети также может быть восстановлена через этот интерфейс. Доступ к интерфейсу CLI защищен паролем.

      Для аппаратуры менеджера сети SmartMesh в справочной документации производитель приводит следующие основные технические параметры:

      Максимально допустимое постоянное напряжение питания, В  30 
      Максимально допустимое переменное напряжение питания, В 24
      Максимальный потребляемый ток, А 0,5
      Максимальный уровень входного радиочастотного сигнала, дБм 10
      Максимально допустимая температура хранения, ºС –40…+85
      Максимально допустимая температура кристалла, ºС 125
      Максимально допустимый коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) 3:1

       Максимально допустимое электростатическое напряжение, В

      на антенном входе

      на других разъемах

       

      ±8000

      ±200

      Интервал температуры окружающего воздуха, ºС –40…+85
      Максимально допустимая скорость изменения, ºС/мин. 8
      Относительная влажность, % 10…90
      Рабочая частота приемопередающего устройства, МГц 2400…2483,5
      Число каналов 15
      Разнос частот между каналами, МГц 5
      Ширина полосы пропускания канала по уровню –20 дБс, МГц 2,7
      Погрешность установки несущей частоты канала, ppm ±40
      Метод модуляции сигнала по протоколу IEEE8 02.15.4 DSSS
      Скорость передачи данных, кбит/с 250
      Коэффициент усиления антенны относительно изотропного излучателя, дБи 2
      Чувствительность приемника с 1% ошибок в принятых пакетах, дБм –90

      Выходная калиброванная мощность на нагрузке 50 Ом, дБм

      с усилителем мощности (УМ)

      без УМ

       

      8

      -2

      Дальность связи с ненаправленной антенной с УМ, м

      в помещении

      вне помещения

      в свободном пространстве

       

      100

      300

      1200

      Дальность связи с ненаправленной антенной без УМ, м

      в помещении

      вне помещения

      в свободном пространстве

       

      25

      200

      350

      Приведенный в параметрах метод модуляции сигнала DSSS (Direct-Sequencing Spread Spectrum) использован для расширения спектра сигнала прямой последовательностью рабочих частот. Это метод формирования широкополосного радиосигнала, при котором исходный двоичный сигнал преобразуется в псевдослучайную последовательность, используемую для модуляции несущей. В результате эффективность помех, создаваемых сетевым приемопередающим устройствам, существенно ослабляется, поскольку внешние сигналы помех большой мощности сосредоточены в своем узком канале и не могут целиком заглушить весь широкополосный сигнал.

       

      Узел беспроводной сети DC9003A-C Eterna

      Устройство DC9003A-C Eterna в бескорпусном исполнении смонтировано на двухсторонней печатной плате с габаритными размерами 60х65х25 мм. Оно представляет собой платформу, объединяющую целый комплекс высокотехнологичных устройств (мощный 32-разрядный процессор семейства ARM Cortex™-M3, высокочастотный приемопередатчик с усилителем, оперативная и флэш-память, цифро-аналоговый преобразователь) и ряд других элементов, необходимых для взаимодействия с периферийным оборудованием. Технология объединения всех электронных компонентов на одном кристалле 72-выводной интегральной микросхемы LTC5800 с габаритными размерами 10х10х0,85 мм обеспечивает чрезвычайно высокую надежность и безотказное функционирование устройства. Внешний вид устройства представлен на рис. 8.

      Рис. 8. Внешний вид узла DC9003A-C Eterna

      Рис. 8. Внешний вид узла DC9003A-C Eterna

      Устройство характеризуется следующими основными техническими параметрами:

      Максимально допустимое напряжение питания, В 3,76
      Максимально допустимое входное напряжение на аналоговых входах, В 1,8
      Максимально допустимое входное напряжение на цифровых входах, В –0,3…3,79
      Максимальный уровень входного радиочастотного сигнала, дБм 10
      Максимально допустимая температура хранения, ºС –55…125
      Максимально допустимая температура кристалла, ºС 125
      Максимально допустимый интервал температуры окружающего воздуха при функционировании, ºС –40…85

      Напряжение питания, В

       2,1…3,76

      Потребляемый ток, мА:

      в спящем режиме

      в глубоком спящем режиме

      в активном режиме

      в режиме приема

      в режиме передачи с уровнем 0 дБм

      с уровнем 8 дБм

       

      0,0012

      0,0008

      1,3

      4,5

      5,4

      9,7

      Частотный диапазон, ГГц 2,4…2,4835
      Число радиочастотных каналов 15
      Разнос частот между каналами, МГц 5

      Дальность связи с ненаправленной антенной, м

      в помещении

      вне помещения

      в свободном пространстве

       

      100

      300

      1200

      Чувствительность приемника с 1% ошибок в принятых пакетах, dBm –93 
      Максимальный уровень входного сигнала при безошибочном приеме, дБм  0

      Выходная калиброванная мощность на нагрузке 50 Ом, дБм

      высокий уровень

      низкий уровень

       

      8

      0

       Погрешность измерения температуры встроенным в микросхему датчиком, ºС  ±0,25

      Время перехода из спящего режима, мкс

      в активное состояние

      в режим приема или передачиv

       

      5

      1200

      В зависимости от активности процессора и периферийных устройств приведенные выше данные по потребляемому устройством току будут существенно различаться. При этом учитывают, что в активном состоянии работают тактовый генератор процессора, тактовый генератор системного времени, подключенные к узлу периферийные устройства, осуществляется прямой доступ к оперативной и флэш-памяти. В спящем режиме отключается флэш-память и периферийные устройства. В режиме глубокого сна дополнительно отключается тактовый генератор системного времени. При включении приемопередающего устройства потребляемый ток значительно возрастает.

      Из конструктивных особенностей следует отметить, что напряжение от встроенной литиевой батарейки CR2032 подается на устройство с помощью показанного на рис. 7 движкового выключателя, выделенного поясняющей надписью «Питание». Также на плате показана микрокнопка «Сброс», используемая для принудительной перезагрузки микроконтроллера. Под металлическим экраном, выделенным на рисунке надписью «Кристалл», смонтирована интегральная микросхема LTC5800-WHM. Для приемопередающего устройства применена чип-антенна Fractus. Показанный на рисунке размыкатель (джампер) JP4 по умолчанию должен находиться в разомкнутом состоянии, что позволяет экономить ресурс литиевого элемента питания. В замкнутом состоянии показанные на плате светодиоды отображают информацию о состоянии узла при обеспечении связи в беспроводной сети. Джамперы JP1, JP2, JP3 по умолчанию также находятся в обесточенном состоянии и при необходимости могут подключать к выходному разъему Р2 (на рисунке – слева) сигналы DP0, DP1, DP2.

       

      Модуль сопряжения DC9006A

      Модуль сопряжения в бескорпусном исполнении оформлен на печатной плате с габаритными размерами 80х83х28 мм. Внешний вид и основные элементы коммутации модуля показаны на рис. 9. Модуль служит для программирования микроконтроллера в устройствах DC9003A-C по одному из интерфейсов API, CLI, SPI или JTAG. При этом обеспечивается гальваническая развязка между интерфейсом и программируемым устройством как по цепи питания, так и по сигнальным линиям. Принцип функционирования модуля сопряжения поясняет рис. 10.

      Рис. 9. Внешний вид и основные элементы коммутации модуля со-пряжения DC9006A

      Рис. 9. Внешний вид и основные элементы коммутации модуля со-пряжения DC9006A

      Напряжение 5 В от разъема USB поступает на два DC/DC- преобразователя. Первый из них обеспечивает напряжением 3,6 В 4-канальный универсальный асинхронный приемопередатчик, осуществляющий гальваническую развязку сигнальных цепей модуля сопряжения по последовательным интерфейсам. Второй преобразователь формирует шину V+ с напряжением 9–12 В, которое затем по одному каналу преобразуется в изолированное от первичной цепи напряжение 3,6 В, эквивалентное создаваемому литиевой батареей питания, и по второму каналу – изолированное напряжение 5 В.

      Рис. 10. Принцип функционирования модуля сопряжения DC9006A

      Рис. 10. Принцип функционирования модуля сопряжения DC9006A

      Модуль сопряжения сравнивает полученное напряжение 3,6 В с напряжением батареи. Если разность не превышает ±0,15 В, узел сравнения вырабатывает сигнал PGOOD, управляющий работой электронного коммутатора, который на время программирования переключает питание аппаратуры узла беспроводной сети с батареи на искусственный источник, тем самым сохраняя ресурс химического источника тока.

      В зависимости от типа используемого последовательного интерфейса в модуле сопряжения положение показанных на рис. 9 джамперов следует выбрать в соответствии с таблицей 1.

      В модуле сопряжения встроены элементы, позволяющие измерить ток, потребляемый аппаратурой узла беспроводной сети. Для этого используют либо прямое, либо косвенное измерение тока. С этой целью в схему модуля сопряжения введены джампер JP5 и контактные штыри разъемов P2, P3, P4. Контактные штыри разъема Р3 включены параллельно JP5, к которому напряжение изолированного источника питания 3,6 В подключено через токоизмерительный резистор R=10 Ом однопроцентного класса точности. Если замыкающий джампер JP5 установлен на своих штырях, потребляемый аппаратурой узла беспроводной сети ток измеряют косвенным методом путем регистрации напряжения на контактных штырях разъема Р4. В соответствии с формулой U=IR потребляемый ток будет соответствовать I=U/R=U/10, т. е. измеренное напряжение следует разделить на 10.

      Таблица 1. Выбор положения джамперных размыкателей модуля сопряжения DC9006A в различных режимах

      Таблица 1. Выбор положения джамперных размыкателей модуля сопряжения DC9006A в различных режимах

      Аналогичное измерение можно выполнить прямым методом, если к штырям разъема Р3 подключить амперметр, но при этом потребуется временно удалить замыкающий джампер JP5. Для измерения фактического значения напряжения изолированного источника 3,6 В вольтметр необходимо подключить между штырями разъемов Р4 и Р2, последние из которых электрически соединены с изолированной землей.

       

      Заключение

      Авторы надеются, что приведенная в статье информация позволит техническим специалистам при создании у себя на производстве беспроводной сенсорной сети объективно, основываясь на анализе технико-экономических показателей возможного решения от различных производителей, выбрать наилучший вариант. И если при этом во главу угла будет поставлена феноменальная надежность функционирования беспроводной сети в условиях возможного появления радиопомех и замираний передаваемых сигналов, вызванных перемещениями экранирующих конструкций в зоне покрытия, выбор несомненно будет за описанными решениями от Linear Technology. Тем более что аппаратура узлов в такой сети благодаря рекордно низкому энергопотреблению способна годами, вплоть до 10 лет, безупречно функционировать на автономном питании от встроенных батарей. Причем на потребу дня такая система будет способна динамично изменяться и совершенствоваться при перестройке производственных процессов дистанционным перепрограммированием программного обеспечения микроконтроллеров, входящих в состав аппаратуры узла сети. И это не голословные утверждения, а обобщение опыта применения свыше 30 тысяч сетей SmartMesh WirelessHART по всему миру компаниями, число которых только на сегодня приближается к 1000.

      С вопросами по заказу оценочных образцов и приобретению продукции Linear Technology можно обращаться к одному из авторов по электронной почте linear@ptelectronics.ru