ПОСОБИЕ ПО БЕСПРОВОДНЫМ СЕТЯМ WPAN


Краткий теоретический курс по технологии беспроводных сетей



СОДЕРЖАНИЕ

Введение
Глава 1. Радиодело в России
Глава 2. Обзор беспроводных технологий
Глава 3. Лабораторные учебные комплексы
Глава 4. Лабораторные занятия
Глава 5. Справочник по технологии ETRX357
Заключение

Введение

Настоящее учебное пособие посвящено динамично развивающейся области – сенсорным беспроводным сетям. Интерес к радиотехнике у России давний, мы имеем богатые традиции, о которых не надо забывать. Радиокружки – через это прошло не одно поколение радиолюбителей. Радиодело знают у нас не по наслышке. Прежний опыт и людей полезно вспомнить, духом присущего им творчества живет инженерное дело. Произошедший синтез трансивера и процессора естественен. К этому в последние годы добавилось еще умение экономить электроэнергию, без чего устройство не имеет право именоваться по настоящему беспроводным. Что это за беспроводной модуль такой, к которому тянется шнур от розетки? Даже удивительно, что подходящее решение, с "будильниками", пришлось ждать довольно долго. Сейчас это одно из самых перспективных направлений. Пособие состоит из краткого экскурса в историю радиодела в России, главы, посвященной обзору беспроводных технологий, далее, в следующей главе, даются некоторые доступные к приобретению учебные средства, и последние главы содержат оригинальный материал, помогающий организовать аудиторные занятия с лабораторными работами.

Глава 1. Радиодело в России

"Ты помнишь, как всё начиналось? Всё было впервые и вновь..". Что мы знаем об основоположниках вычислительной техники и робототехники в России.

1.1. Радиомастерская подпоручика

Орел, здесь 21 февраля 1888 родился Михаил Александрович Бонч-Бруевич (рис.1). Типичная судьба первопроходца – в юности увлекался радиотехникой и построил по схеме А. С. Попова радиопередатчик и радиоприёмник. Потом за плечами Киевское коммерческое училище, в 1906 году зачислен юнкером в Николаевское инженерное училище в Петербурге.

По окончании училища в звании подпоручика служил в Иркутске, во 2-ой роте искрового телеграфа 5-го Сибирского сапёрного батальона. В звании поручика в 1912 году поступил в Офицерскую электротехническую школу, после которой в 1914 году был назначен помощником начальника Тверской военной приёмной радиостанции международных сношений. При поддержки начальника Тверской радиостанции штабс-капитана В. М. Лещинского М. А. Бонч-Бруевич в подсобном помещении радиостанции организовал мастерскую, где смог наладить выпуск отечественных электровакуумных ламп. Этими лампами комплектовался радиоприемник, производившийся в мастерской Тверской радиостанции по заказу Главного военно-технического управления русской армии. Вместе с мастерской в августе 1918 года он переехал в Нижний Новгород, где возглавлял научно-техническую работу в Нижегородской радиолаборатории в 1918-1928 годах.


Рисунок 1. Фото М. А. Бонч-Бруевича, 1909 год.


В 1918 году М. А. Бонч-Бруевич предложил схему переключающего устройства, имеющего два устойчивых рабочих состояния, под названием «катодное реле». Это устройство впоследствии было названо триггером.

Далее пошли чудеса. 22 и 27 мая 1922 года М. А. Бонч-Бруевич организовал пробные передачи по радио музыкальных произведений из студии Нижегородской лаборатории, а 17 сентября 1922 года был организован первый в Европе радиовещательный концерт из Москвы. В 1922 году им была изготовлена лабораторная модель радиотехнического устройства для передачи изображения на расстоянии, названная им радиотелескопом.

В конце 1928 года М. А. Бонч-Бруевич вместе с группой научных сотрудников и инженеров перешёл на работу в Центральную радиолабораторию Треста заводов слабого тока в Ленинграде. В Ленинграде М. А. Бонч-Бруевич занимался проблемами распространения коротких радиоволн в верхних слоях атмосферы и радиолокации, вёл преподавательскую работу на кафедре радиотехники Ленинградского электротехнического института связи.

Это первый слой сведений, которые мы можем снять. Вернемся назад.

1.2. Ужас в снежной пустыне

В наше время трудно поверить в то, что сравнительно недавно передача по радио человеческого голоса или музыки казалась несбыточной мечтой. История радио сохранила несколько любопытных фактов. В декабре 1920 г. выдающийся отечественный ученый и радиоинженер Михаил Александрович Бонч-Бруевич (1888–1940) создал первый радиотелефонный передатчик, установленный на Ходынской радиостанции в Москве. Первые пробные передачи вызвали восторг и удивление во многих городах далеко от столицы. Так, связисты из Иркутска (4000 км от Москвы), услышав человеческую речь в приемном устройстве, рассчитанном на запись телеграфных сигналов, сочли это настолько невероятным, что пытались объяснить необычный феномен «индукцией от городского телефона». А дежурный телеграфист одной из радиостанций за Полярным кругом, «услышав человеческий голос вместо привычных знаков азбуки Морзе, в ужасе сбросил наушники и убежал».

1.2. Как немцы перерезали кабель и что из этого вышло

Россия была родиной радио, а А. С. Попов не только создал первый радиоприемник (1895 г.), но и реализовал первую в мире радиолинию, положив начало радиофикации военно-морского флота. Тем не менее, в начале XX в. в нашей стране не существовало собственной радиопромышленности, не было и мощной радиостанции для связи с европейскими государствами. Вся электропромышленность была в основном в руках немецких фирм.

Когда началась первая мировая война (1914 г.), немцы перерезали английские подводные кабели, и Россия осталась без прямой телеграфной связи со своими союзниками – Францией и Англией. Необходимо было в кратчайшие сроки построить две мощные искровые радиостанции в Москве (на Ходынском поле) и в Царском Селе, а приемную станцию в Твери (в Москве или Петрограде ее работе мешали бы передающие радиостанции). Помощником начальника Тверской радиостанции был назначен воспитанник Петроградской офицерской электротехнической школы М. А. Бонч-Бруевич, имя которого вскоре станет широко известным далеко за пределами России. В те годы на радиостанциях с целью усиления сигнала начали применяться электронные лампы. В Россию такие лампы привозились из Европы. Несмотря на явное несовершенство и отсутствие высокого вакуума, преимущество их использования было очевидным.

Бонч-Бруевич решил создать собственную конструкцию радиолампы и в 1916 г. организовал производство электронных усилительных ламп, использовавшихся на флотских радиостанциях. По его инициативе в июне 1918 г. при Тверской радиостанции, находившейся в ведении Народного комиссариата почт и телеграфов, была создана радиолаборатория.

В связи с усилением блокады импорт радиооборудования прекратился, и необходимо было срочно начать собственное производство. В маленькой мастерской невозможно было наладить процесс массового изготовления ламп. Достаточно сказать, что стеклодувы работали губами, руками и ногами: пары бензина подавались в горелки с помощью обычных кузнечных мехов, приводившихся в действие ногами. Руководство Наркомата поручило сотрудникам лаборатории, техническим руководителем которой был назначен М. А. Бонч-Бруевич, создать современную радиолабораторию в другом городе, расположенном недалеко от Москвы, но на безопасном расстоянии от белогвардейских отрядов. Выбор пал на Нижний Новгород. В августе 1918 г. на высоком берегу Волги в трехэтажном большом доме началось оборудование новой лаборатории, получившей название Нижегородской радиолаборатории (НРЛ). Были выделены необходимые средства для доставки машин и приборов из Твери, Москвы и Петрограда. Часть аппаратуры была доставлена с небольших заводов и из мастерских, особую ценность представляли электротехническититута.

Нижегородская лаборатория должна была стать организационным центром всех научно-технических работ в области радиотехнической науки и радиопромышленности. Решение о создании такого института в условиях хозяйственной разрухи, блокады и отсутствия в стране радиотехнических предприятий было поистине революционным. В качестве первоочередной была поставлена задача организации отечественного электровакуумного производства и развития радиотелефонии, крайне необходимой для огромной страны, значительная часть населения которой жила в сельской местности, далеко от Москвы и была практически безграмотной. Как ни удивительно, но многие специалисты считали радиотелефон непригодным для военной и коммерческой радиосвязи из-за его «не секретности».

Несмотря на огромные трудности, М. А. Бонч-Бруевичу удалось наладить серийное производство приемно-усилительных ламп.

Начиная с весны 1919 г. их выпуск составлял до 1000 единиц в год. Все три года блокады это были единственные лампы, используемые на приемных радиостанциях России. Производству предшествовали кропотливая экспериментальная работа и длительные теоретические исследования, на основе которых Бонч-Бруевич разработал оригинальную теорию триода. В августе 1912 г. в журнале «Радиотехник» Бонч-Бруевич писал, что «...в то время не было решительно никаких теоретических нитей. Состояние вопроса за границей тогда не было известно в России вследствие нашей полной изолированности». Позднее, в 1921 г., ознакомившись с иностранной литературой, он утверждал, что его работа «появилась раньше аналогичных работ за границей». Примечательно, что еще в 1917 г. Бонч-Бруевич издал брошюру «Применение катодных реле в радиотелеграфном приеме». Как отмечал один из крупнейших специалистов в области электронных ламп П. А. Остряков (1887–1952), трудно было написать лучше и понятнее. Эта брошюра «...не утратила и по наше время своей свежести, потому что ее писал не дилетант в науке, не техник, интересующийся только практическим применением ламп, а вполне сформировавшийся ученый».

1.3. Зарождение радиотелефонии. Уникальный триод.

Уже в начальный период работы Нижегородской радиолаборатории параллельно с разработкой приемно-усилительных электронных ламп проводились исследования с целью создания надежных методов радиотелефонирования. В январе 1920 г. Бонч-Бруевич изготавливает генераторную лампу с массивным алюминиевым анодом, позволявшим рассеивать большую мощность. Первый удачный опыт радиотелефонной передачи был осуществлен им из Нижегородской радиолаборатории на расстояние 4 км. Комиссия на приемной станции отметила «...прекрасное воспроизведение речи, качество которой было лучше, чем передача по проводам». 15 января 1920 г. была осуществлена радиотелефонная передача из НРЛ в Москву на расстояние 370 км. Дальнейшее усовершенствование аппаратуры для радиотелефонных передач было связано с целым рядом трудностей, и Бонч-Бруевич обратился за помощью к В. И. Ленину. В феврале 1920 г. Ленин направил письмо, в котором благодарил ученого за успешные работы и подчеркнул важность его исследований, указав, что «Газета без бумаги и «без расстояний», которую вы создаете, будет великим делом». Он обещал оказывать «всяческое и всемерное содействие».

Правительство придавало огромное значение развитию радиотелефонии, при ее помощи можно было осуществлять политическую, культурно-просветительную связь столицы с самыми отдаленными районами огромной страны. В марте 1920 г. было подписано постановление: Поручить Нижегородской радиолаборатории изготовить в срочном порядке центральную радиотелефонную станцию с радиусом действия 2000 верст. Изготовление мощной генераторной лампы для такой станции в то время казалось практически неразрешимой задачей. Алюминиевый массивный анод для этого был не пригоден, нужен был тугоплавкий анод из тантала или молибдена. Но таких металлов в России не было. Как писал П. А. Остряков, «Трудные это были времена для работы. За окном радиолаборатории простиралась замерзшая, где-то на юге перерезанная Колчаком Волга. Ночью город погружался в непроглядную тьму, не было не только молибдена и тантала, не хватало хлеба и топлива. В пальто и шапке сидел Бонч-Бруевич в лаборатории». Как ответить на письмо Ленина, указавшего на важность создания радиотелефона для бескрайних просторов России?

Невозможно поверить, но в условиях невиданных трудностей, испытываемых страной, Бонч-Бруевичу удалось найти удивительно смелое и оригинальное техническое решение. После многочисленных экспериментов он создает макет радиолампы, аналогов которой не было в мире (рис.2).

Ученый предложил изготавливать анод из меди, но охлаждать водой из водопровода (!). Фантастика! Неслучайно, что, по выражению одного из коллег Бонч-Бруевича, это казалось «святотатством». Но в действительности это была подлинная революция в электровакуумной технике. Вместо танталового анода - никелированная трубка из красной меди, вводившаяся внутрь лампы и припаянная к платиновому колпачку, который спаивался со стеклом баллона. Колпачок и анод соединялись со шлангом и охлаждались циркулирующей проточной водой. Анод, охлаждаемый водой, позволял рассеивать мощность до 950 Вт, что вполне соответствовало требованиям радиотелефонной передачи. Для увеличения поверхности анода Бонч-Бруевич делает его четырехкамерным и в каждую камеру помещает катод и сетку. Ничего подобного мировая вакуумная техника не знала, долгое время на Западе такую задачу считали неразрешимой.


Рисунок 2. Экспериментальные конструкции мощных радиоламп.


К концу декабря 1920 г. было закончено изготовление новой генераторной лампы для Ходынской радиостанции. Мощность радиотелефонного передатчика составляла 5 кВт. В первый же день передачи пришли восторженные отзывы из отдаленных от Москвы городов - Ташкента, Иркутска, Обдорска. В них отмечались громкий звук и хорошая артикуляция. Состоялась передача и за границу, в Берлин, но там еще не было такой мощной установки, и ответить по радиотелефону немецкие радисты не смогли.

Вскоре началось сооружение Центральной радиотелефонной станции в Москве. Возглавить это сложное строительство было поручено видному специалисту НРЛ П. А. Острякову. Из рук Ленина он получил мандат, в котором все государственные учреждения обязывались оказывать ему всяческую помощь. В то время было немало специалистов, считавших, что в условиях хозяйственной разрухи и полной изоляции «от заграничной культуры» в области радиотехники, постройка столь мощной радиотелефонной станции была пустой фантазией. Осенью 1922 г. на Гороховской улице (ныне улице Радио) строительство радиотелефонной станции было закончено. Но перед учеными встала еще одна сложная техническая проблема: для питания анода электронной лампы нужен был постоянный ток высокого напряжения. Обычно для этого использовались специальные высоковольтные динамо-машины. Но изготовить такую машину в короткий срок было весьма сложно. Выход был найден сотрудником НРЛ, талантливым инженером и ученым, позднее известным специалистом в области высокочастотной техники, членом-корреспондентом АН СССР В. П. Вологдиным, предложившим создать ртутный выпрямитель, хотя в зарубежной литературе утверждалось, что надежные ртутные выпрямители на высокое напряжение изготовить невозможно. В марте 1922 г. Вологдин после многочисленных расчетов и экспериментов закончил испытания оригинального трехфазного ртутного выпрямителя, позволявшего получить постоянный ток напряжением 10 кВ (рис.3). Как писал П. А. Остряков, «высоковольтной ртутной колбой В. П. Вологдин опередил заграницу».


Рисунок 3. Романтика радиооборудования, уникальные приборы.


15 сентября 1922 г. состоялся первый радиоконцерт, переданный Центральной радиотелефонной станцией. Русскую музыку слушали во многих городах, жители были в восторге. Через день, 17 сентября 1922 г. Нижегородская радиолаборатория была награждена орденом Трудового Красного Знамени. В Постановлении Правительства особенно отмечалась успешная научная деятельность М. А. Бонч-Бруевича и В. П. Вологдина. 7 ноября 1922 г. был передан праздничный радиоконцерт с участием известных артистов. Он был воспроизведен «громкоговорящими телефонами» (громкоговорителями) на Театральной, Елоховской и Серпуховской площадях. С таким же телефоном по улицам Москвы разъезжал специальной грузовик. За Полярным кругом, вдали от столицы, концерт звучал особенно празднично.

Бонч-Бруевич продолжал совершенствовать лампу, добиваясь увеличения ее мощности. Если первые генераторные лампы имели мощность 1,25 кВт, то последующие достигали 2, 5 и 25 кВт. Таких ламп на Западе еще не было. Радиостанция была самой мощной в Европе, она поддерживала связь с Сибирью и Европой. Вскоре конструкция ламп Бонч-Бруевича с охлажденным анодом стала использоваться в Европе и Америке. Но, как это часто бывало в истории отечественной науки и техники, зарубежные фирмы (например, английская «Метровиккерс») даже не упоминала автора идеи и конструкции. Патента, конечно, Бонч-Бруевичие радиоспециалисты решили собственными глазами убедиться в успехах русского ученого. Известный специалист в области электронных ламп А. Мейсснер, приехав в Нижний Новгород, подробно ознакомился с работами Бонч-Бруевича. Несколько лет назад никто бы не поверил, что немецкая фирма «Телефункен», которая была основным поставщиком радиоаппаратуры в дореволюционной России, закажет в НРЛ несколько мощных (25 кВт) генераторных ламп для одной из крупнейших немецких радиостанций.

1.4. НРЛ - научный центр мировой радиотехники

К 1924 г. НРЛ превращается в крупный научно-исследовательский институт в области радиотехники, который получил широкое признание за рубежом. К этому времени Бонч-Бруевич создал макет невиданной по размерам и мощности лампы: вместе с бачком для анода она превышала рост среднего человека. Ее мощность составила 100 кВт. Грандиозный успех ожидал лампы Бонч-Бруевича в 1925 г. на Скандинавско-Балтийской выставке в Стокгольме. В одном из шведских журналов писали: «...среди иностранных экспонатов прежде всего следует отметить изготовленные в Советской России приборы и лампы, между прочим большую 25 кВт лампу с водяным охлаждением – никто не подозревал о существовании в России столь большого и серьезного производства подобных внушительных радиоприборов». Немецкий радиотехнический журнал отмечал, «...что русские экспонаты показывают высокое развитие радиоиндустрии в России по сравнению с остальными европейскими странами».

Газета «ПрагерПресс» в статье «Радиолаборатория в Нижнем Новгороде» (29 ноября 1925 г.) сообщала: «...эта лаборатория уже вошла в историю радиотехники за ее исследовательские работы. Недавно здесь были проведены опыты с короткими волнами. При помощи передатчика, построенного руководителем этой лаборатории профессором Бонч-Бруевичем (от 15 до 20 кВт), передачи были хорошо приняты в Чили и Порто-Рико, ... была достигнута дальность радиопередачи до Индонезийского архипелага».

Нижегородской лаборатории принадлежит заслуга в издании первых периодических радиотехнических журналов: «Телеграфия и телефония без проводов» («ТиТбп», как его называли) и «Радиотехник», которые начали издаваться в Москве с 1918 г. В журналах публиковались содержательные статьи по актуальным теоретическим и производственным проблемам в области радиотехники. Бессменным редактором этих журналов был видный ученый радиофизик энциклопедически образованный педагог профессор В. К. Лебединский (1868–1937), воспитавший несколько поколений крупнейших радиоспециалистов. Журналы были широко известны в стране, в иностранной печати часто публиковались рефераты статей «ТиТбп», его также выписывала Нью-Йоркская публичная библиотека.

Заслуги НРЛ снова были отмечены Правительством: в 1928 г. лаборатория была награждена вторым орденом Трудового Красного Знамени.

В связи с развитием отечественной радиоиндустрии, расширением электровакуумного производства, организацией серийного выпуска радиоаппаратуры мощных радиостанций возникла потребность в реорганизации НРЛ и передаче ее в распоряжение ВСНХ. В конце 1928 г. коллектив научных сотрудников и инженеров, а также все разработки и научно-технические исследования были переданы в Центральную радиолабораторию Треста заводов слабого тока в Ленинграде. Часть НРЛ послужила основой для создания отраслевой лаборатории при радиозаводе в Нижнем Новгороде.
В 1928 г. в Ленинград переезжает и М. А. Бонч-Бруевич. Он, как и прежде, с увлечением занимается новыми проблемами: исследованием распространения радиоволн в верхних слоях атмосферы, радиолокацией и смело выступает в защиту использования коротких волн, прозорливо предвидя их огромные перспективы в радиосвязи на дальние расстояния в воздухе, на суше и на море. Следует отметить, что первые известия об особенностях коротких волн были встречены многими специалистами весьма скептически.

Михаил Александрович успешно руководит педагогической и научной работой в Ленинградском электрофизическом институте и в одном из научно-исследовательских институтов. Вскоре его избирают профессором кафедры радиотехники Ленинградского электротехнического института связи. Научные заслуги М. А. Бонч-Бруевича были по достоинству оценены избранием его в число членов-корреспондентов АН СССР. Широко известны его учебники по радиотехнике для втузов и техникумов, а также содержательные монографии.
С 1928 по 1940 гг. Михаил Александрович получил 60 патентов на изобретения, внедренные в радиопромышленность.

Когда-то один наш известный ученый сказал: хороша физика, но жизнь коротка. Наверное, эти слова мог повторить и Михаил Александрович. Преждевременная смерть от воспаления легких в расцвете творческих сил (ему было всего 52 года) прервала разностороннюю деятельность этого необычайно одаренного ученого, изобретателя, инженера и конструктора. Имя М. А. Бонч-Бруевича посмертно было присвоено Ленинградскому электротехническому институту связи.

1.5. Их было много

Организовать новое, пусть и небольшое, производство в 1918 году было делом из ряда вон выходящим. Шла Гражданская война, и производство по всей стране почти остановилось. В Москве цены на продукты выросли по сравнению с 1916 годом в пятнадцать раз, по всей стране был введен «классовый паек» – нормы снабжения продовольствием в соответствии с социальной принадлежностью. Такими же темпами, что и цены, росли только беспризорность, нищета и красный террор, порождая целые серии мрачных анекдотов: «Вы, товарищ, прямо скажите: стоите ли вы за советскую власть? – Конечно! Лучше уж за нее стоять, чем сидеть».

Если все это помножить на необычайную протяженность территории, можно понять, почему большевистское руководство так мечтало о радио, благодаря которому можно не бояться, что контрреволюционные элементы перережут телеграфные провода и Владивосток не узнает о том, чья власть сегодня в Петрограде и Москве. Как только Ленин не называл в своих записках это радио: и газетой без бумаги и без расстояний, и митингом с миллионной аудиторией. Какие только картины не рисовались его воображению – в совучреждениях, школах, сельсоветах стоят приемники с громкоговорителями, и оттуда несутся лозунги. Одним словом, «вся Россия будет слышать газету, читаемую в Москве»!

Тем временем бывшие сотрудники тверской радиостанции (рис. 4) в поисках подходящего для новой лаборатории города съездили в Казань, Саратов, Самару и Нижний Новгород. На Нижнем и остановились. Нет, конечно, это был не тот Нижний с его дымящими заводами и многолюдными ярмарками, и все же этот город был задет Гражданской войной меньше, чем другие, в нем теплилась металлообрабатывающее производство, он был связан с Москвой и Петроградом проволочным телеграфом, железной дорогой, и, в конце концов, в его распоряжении были целых две водные артерии. Так что летом 1918 года лаборатория переехала в Нижний и заняла бывшее общежитие семинарии – трехэтажное здание на набережной Волги. Очень скоро оно стало напоминать ежа – крыша сплошь покрылась радиомачтами. На первом этаже расположились мастерские, на втором - стеклодувы, лаборатории и аудитории, на третьем – еще лаборатория и библиотека.


Рисунок 4. Совет НРЛ. Сидят, слева направо: В. К. Лебединский, М. А. Бонч-Бруевич, И. В. Селиверстов, В. А. Салтыков. На стене - портрет В. М. Лещинского


Поначалу в лаборатории работали восемнадцать человек. Ее управляющим был Лещинский, который на следующий после переезда год умер от старой боевой раны. НРЛ возглавил блестящий инженер и ученый, «русский Эдисон» Александр Федорович Шорин. Но его вскоре арестовали, и тогда во главе НРЛ встал Совет лаборатории с его первым председателем Петром Алексеевичем Остряковым. Надо сказать, что ВЧК вообще с большим вниманием относилось к этой лаборатории: там работали бывшие офицеры царской армии. Так что тень «железного Феликса» время от времени накрывала НРЛ. Что же касается Шорина, то, по счастью, его удалось довольно скоро вызволить и он продолжил работу.

Каждый ведущий специалист НРЛ возглавлял определенное исследовательское направление. Бонч-Бруевич - работу над приемными и генераторными лампами. Физик Дмитрий Аполлинариевич Рожанский – области стабилизации ламповых генераторов и коротких волн. Инженер Валентин Петрович Вологдин – высокочастотные генераторы. Шорин работал над проблемами пишущего приема, занимался телемеханикой. Благодаря ему в Большом Кремлевском дворце и на некоторых столичных площадях появились рупорные громкоговорители. Олег Владимирович Лосев изучал свойства полупроводников и в 1922 году создал «кристадин» – прообраз транзисторных радиоприемников, без которых невозможно представить себе 1960-е.

В 1919 году в Нижний, в лабораторию приехал Владимир Константинович Лебединский. Это был настоящий «старорежимный» профессор-физик, с аккуратной бородкой и непреодолимой тягой к народному просвещению. До революции он преподавал в политехнических институтах Петербурга и Риги и редактировал «Журнал русского физико-химического общества» – того самого общества, на заседании которого 25 апреля (7 мая по новому стилю) 1895 года Александр Степанович Попов впервые объяснял действие своего приемника публике. С 1945 года 7 мая и отмечается День Радио. После революции профессор Лебединский занялся журналом «ТиТбп» («Телеграфия и телефония без проводов»). Как значилось на его титульном листе, содержание журнала составляли «оригинальные статьи по теоретической и практической радиотехнике; отчеты исследовательских работ по радио, производимых во всех радиолабораториях Союза ССР; обзоры радиолитературы и радиожизни за границей и у нас». Печатался журнал удивительным образом: исполненные в технике литографии (как в XVIII–XIX веках) иллюстрации вклеивались в отпечатанные типографским способом тетрадки. Впрочем, эта смесь не знающей преград инженерной мысли и кустарщины была чрезвычайно характерна для работы лаборатории, как, по большому счету, и для 1920-х годов вообще.

К 30-м гг. двадцатого века относится начало разработок видеотелефонов. В различных странах испытывались системы с разными параметрами. 1 марта 1936 г. в Германии был пущен в эксплуатацию видеотелефон между Берлином и Лейпцигом, позже к ним были присоединены Нюрнберг (1937) и Мюнхен (1938). Изображение передавалось по широкополосному кабелю и занимало полосу частот 500 кГц (рис.5).


Рисунок 5. Первый видеотелефон



В октябре 1961 была организована видеотелефонная связь Москвы с Ленинградом и Киевом по действующим телевизионным каналам междугородных линий связи. В последующие годы переговорные видеотелефонные пункты появились также в Таллине, Вильнюсе, Каунасе, Львове, Казани, Ташкенте и др. городах. С 60-х гг. прошлого века в СССР, США, Японии, ФРГ и др. странах начались разработки видеотелефонов с передачей изображения на далекие расстояния по групповым трактам систем дальней связи с частотным или временным разделением каналов и на близкие (несколько км) – по существующим городским телефонным сетям или специальным линиям связи (рис.6).


Рисунок 6. Современный видеотелефон


1.6. Создатель первых сенсорных радиодатчиков

Изобретателем первого в мире гребенчатого радиозонда и метода его использования для исследования атмосферы является выдающийся советский ученый-аэролог Павел Александрович Молчанов (рис.7).


Рисунок 7. Изобретатель П.А. Молчанов, справа - стратостат "СССР-1" (СССР, 1933)



С 1931 года в СССР и во многих странах мира стали применять радиозонд, разработанный П.А. Молчановым, что позволило к 40-м годам регулярно изучать атмосферу на высоте до 30 км. 30 сентября 1933 года, на стратостате "СССР-1", воздухоплаватели Г.А. Прокофьев, К.Д. Годунов и Э.К. Бирнбаум совершили подъём на высоту 19 км (рис.8).


Рисунок 8. Запуск метеорологического радиозонда Молчанова
с борта дирижабля "Цеппелин" во время арктической экспедиции.



В 1932 году во время проведения программы международного полярного года ученые Германии пригласили автора изобретения профессора Молчанова П. А. принять участие в организованной ими экспедиции в Арктику на дирижабле "Граф Цеппелин" и обеспечить выпуск своих радиозондов (планировалось 10 штук) в полярных широтах. Сотрудниками Павловской обсерватории под руководством проф. Молчанова были подготовлены 12 экземпляров радиозонда, выпуск которых прошел штатно, как и планировалось.

П. А. Молчанова не пережил войну. Ввиду обострения отношений с Германией и политики террора попал под подозрение и в заключение. Метеоролог профессор Молчанов, изобретатель метеорологического радиозонда, прообраза, на основе которого спустя десятилетия были созданы первые межпланетные космические станции, трагически погиб ходе эвакуации заключенных из Ленинграда в 1941 г.

* * *


Из книги Эрнста Кренкеля "RAEM - мои позывные". Научную часть этой международной экспедиции (речь идет о полярной экспедиции на борту дирижабля ЛЦ-127 "Граф Цеппелин") возглавил Рудольф Лазаревич Самойлович. Кроме него, советскую науку на цеппелине представлял также и другой крупный ученый - известный советский аэролог профессор П. А. Молчанов. Аэрология в ту пору еще лишь формировалась, но профессор Молчанов уже преподавал эту дисциплину, имел много трудов, а главное, успел сделать изобретение, которое иначе, как прекрасным даром человечеству, и не назовешь. Профессор Молчанов изобрел первый в мире радиозонд.

Молчанов - невысокого роста, с корпулентной фигурой, а попросту говоря, очень тучен. Его серый костюм всегда тщательно отутюжен, над туго накрахмаленным воротничком безукоризненно белой рубашки сияет круглое, добродушное лицо с аккуратно подстриженными усами и белесыми, выгоревшими бровями. Лицо Молчанова буквально источало доброжелательность.

Профессор оказался весельчаком, и мы тотчас принялись выкладывать друг другу наши запасы анекдотов. А затем сыскалась еще одна точка соприкосновения - Молчанов великолепно разбирался в радиотехнике. Радио тоже стало темой наших бесед, из которых я узнал, что микрорадиопередатчик зонда он не только сам сконструировал, но и изготовил собственноручно. И это не было только лишь искусством рук радиолюбителя. Профессор Молчанов столь тонко знал радиотехнику, что сумел разработать систему кодирования всех параметров, которые регистрировал радиозонд, забравшись на большие высоты.

Конечно, нынешние радиозонды существенно отличаются от первых. То время и наши дни - разные эпохи в радиотехнике. Но радиозонд Молчанова - первопроходец высоких слоев атмосферы, и я горжусь, что мне пришлось участвовать в одной экспедиции с этим выдающимся ученым, наблюдать запуски его радиозондов с борта дирижабля.

В районе Северной Земли произошел запуск радиозонда. Процедура была не из простых, несмотря на то что в оболочке дирижабля для этого существовал специальный люк. Прежде всего из одного газгольдера брался водород для наполнения пятикубометровой оболочки. Затем к аэростату подвешивался коротковолновый радиопередатчик. Чтобы радиозонд не повредил дирижабль, зацепившись за какую-нибудь выступающую часть конструкции (гондолу, винт и т. п.), к зонду подвешивался точно рассчитанный груз, который увлекал его вниз. После нескольких секунд падения автоматическая гильотина с часовым механизмом отсекала этот грузик, и зонд уходил на высоту, передавая в эфир показания своих приборов.

* * *


Конструкция радиозонда Молчанова, наиболее простая и дешевая, выдержала испытания временем и лишь спустя 30 лет была заменена более современными моделями (рис.9).


Рисунок 9. Механическая часть конструкции первого радиозонда Молчанова


Основу устройства автоматики радиозонда П. А. Молчанова составляла система кодирования сигналов, которая выполнена на секциях гребенок с прямоугольными зубцами, по которым перемещаются стрелки, управляемые датчиками. Моменту перехода стрелки с одного зубца на другой соответствует изменение сигнала радиозонда, при этом каждому моменту перехода на другой сигнал соответствует определенное, достаточно точное значение измеряемой величины (температуры, давления, влажности).

Отличительной особенностью гребенчатого радиозонда П. А. Молчанова также была и сравнительная дешевизна как самого прибора, так и оборудования для его применения. Так для приема сигналов достаточно было простейшего радиоприемника прямого усиления КУБ-4, который успешно использовался во время Отечественной войны в армейских подразделениях. Обработка принятых сигналов также не требовала дорогостоящего оборудования, все процедуры выполнялись на разработанных планшетах и графиках. Следует отметить, что точность зондирования и к настоящему времени практически соответствует той, которая была достигнута в первых образцах прибора.


Глава 2. Обзор современных беспроводных технологий

2.1. Вводные замечания

Начало нового века характеризуется беспрецедентным развитием средств коммуникации, в частности, беспроводных устройств, хорошо знакомым нам по практике использования мобильных телефонов. Вычерпав первый обширный слой потребителей, сетевые технологии направляются на новые задачи, прежде всего, на обеспечение комфортного проживания людей (умный дом). Коммутации подлежит не только общение, но взаимодействие разнообразных сервисных средств, размещенных в доме. Для этого требуются надежные, экономные, небольшие по габаритам и удобные контроллеры. Сфера таких устройств активно разрастается. Данное учебное пособие направлено на обзор беспроводных сетевых технологий и анализ конкретной реализации с учебными примерами на базе современных и уже достаточно дешевых учебных наборов, производимых промышленностью.

На сегодняшний день диапазон 2.4 ГГц делят между собой множество стандартов передачи данных: Wi-Fi, Wi-MAX, Bluetooth, Wireless USB, ZigBee, Home RF и т.д. Соответственно, под каждый стандарт производятся чипы. Принимая во внимание такие критерии, как цена чипов, дешевизна и скорость освоения технологии, низкое энергопотребление, помехоустойчивость можно сказать, что ZigBee является лучшим выбором. Чипы для ZigBee выпускают такие известные фирмы, как Texas Instruments, Freescale, Atmel, STMicroelectronics, OKI и т.д. И это гарантирует низкие цены на комплектующие для этой технологии. ZigBee – это технология заполняющая нишу низкоскоростных беспроводных сетей с низким энергопотреблением, предназначенных для систем управления с большим количеством узлов, таких как системы освещения в зданиях, системы наблюдения за парком промышленного оборудования и т.д.

Как ни странно, ZigBee ориентирован на применение там, где есть мощные источники энергии. Это объясняется тем, что ключевые звенья ZigBee сетей – координатор сети и роутеры – не предназначены для работы от автономных источников. А экономичность ZigBee специалисты склонны рассматривать не в контексте отсутствия постоянных внешних источников энергии, а в том, что планируемая взрывная экспансия интеллектуальных приемопередатчиков во все возможные сферы хозяйства может вызвать огромный рост потребления электроэнергии, если не уделить должного внимания экономичности. К примеру, в характерном доме недалекого будущего предположительно будет размещаться до 100 беспроводных датчиков и исполнительных устройств. При количестве 50000 домов в городе и использовании технологии Wi-Fi энергопотребление такого города выросло бы на 3,3 мегаватта. При использовании ZigBee с передатчиками до 3 дБм и циклом работы в 0,1% от общего времени потребление выросло бы всего на 150 Вт!

Благодаря профилям, создание приложения с использованием ZigBee превращается практически из задачи программирования в задачу конфигурирования. Незначительное программирование требуется для модификации состояния или реакции на изменение состояния сигналов перифирии и взаимоотражение данных действий с определенными переменными в памяти, к которым также имеет доступ стек ZigBee. В спецификации первых лет технологии определено 3-и стандартных профиля: профиль автоматизации зданий, профиль автоматизации управления бытовым освещением, профиль управление оборудованием. Спецификация допускает создание и сосуществование наряду со стандартными и частных профилей. И практически каждый изготовитель законченных ZigBee модулей пользуется этой возможностью. Идентификаторы всех существующих профилей должны быть уникальными и их назначением занимается альянс ZigBee (сайт http://www.zigbee.org).

2.2. Важнейшие беспроводные сети

Первые сети, объединившие многочисленных пользователей, были компьютерными. На их основе возникли терминология, стандарты, представления о принципах построения сетей. Для того, чтобы отличить такие сети со сложными, в общем, компонентами, от сетей контроллеров, последние названы персональными, что отражается аббревиатурой PAN или WPAN, отмечая желаемое их качество (wireless - беспроводные). Кратко охарактеризуем те и другие, поскольку некоторые понятия, возникшие для более развитых сетей, переносимы на растущие, усложняющиеся и захватывающие новые области сети.

Беспроводные компьютерные сети – это технология, позволяющая создавать вычислительные сети, полностью соответствующие стандартам для обычных проводных сетей (например, Ethernet), без использования кабельной проводки. В качестве носителя информации в таких сетях выступают радиоволны СВЧ-диапазона.

Стандарт IEEE 802.11 определяет два режима работы сети – Ad-hoc и клиент-сервер. Режим Ad-hoc (иначе называемый «точка-точка») – это простая сеть, в которой связь между станциями (клиентами) устанавливается напрямую, без использования специальной точки доступа. В режиме клиент-сервер беспроводная сеть состоит, как минимум, из одной точки доступа, подключенной к проводной сети, и некоторого набора беспроводных клиентских станций.

Для организации беспроводной сети в замкнутом пространстве применяются передатчики со всенаправленными антеннами. Следует иметь в виду, что через стены с большим содержанием металлической арматуры (в железобетонных зданиях таковыми являются несущие стены) радиоволны диапазона 2,4 ГГц иногда могут вообще не проходить, поэтому в комнатах, разделенных подобной стеной, придется ставить свои точки доступа. Мощность, излучаемая передатчиком точки доступа или же клиентской станции, работающей по стандарту IEEE 802.11, не превышает 0,1 Вт, но многие производители беспроводных точек доступа ограничивают мощность лишь программным путем, и достаточно просто поднять мощность до 0,2-0,5 Вт. Для сравнения – мощность, излучаемая мобильным телефоном, на порядок больше (в момент звонка – до 2 Вт). Поскольку, в отличие от мобильного телефона, элементы сети расположены далеко от головы, в целом можно считать, что беспроводные компьютерные сети более безопасны с точки зрения здоровья, чем мобильные телефоны.

Продукты для беспроводных сетей, соответствующие стандарту IEEE 802.11, предлагают четыре уровня средств безопасности: физический, идентификатор набора служб (SSID – Service Set Identifier), идентификатор управления доступом к среде (MAC ID – Media Access Control ID) и шифрование.

Технология DSSS для передачи данных в частотном диапазоне 2,4 ГГц за последние 50 лет нашла широкое применение в военной связи для улучшения безопасности беспроводных передач. В рамках схемы DSSS поток требующих передачи данных «разворачивается» по каналу шириной 20 МГц в рамках диапазона ISM с помощью схемы ключей дополнительного кода (Complementary Code Keying, CCK). Для декодирования принятых данных получатель должен установить правильный частотный канал и использовать ту же самую схему CCK. Таким образом, технология на базе DSSS обеспечивает первую линию обороны от нежелательного доступа к передаваемым данным. Кроме того, DSSS представляет собой «тихий» интерфейс, так что практически все подслушивающие устройства будут отфильтровывать его как «белый шум».

Идентификатор SSID позволяет различать отдельные беспроводные сети, которые могут действовать в одном и том же месте или области. Он представляет собой уникальное имя сети, включаемое в заголовок пакетов данных и управления IEEE 802.11. Беспроводные клиенты и точки доступа используют его, чтобы проводить фильтрацию и принимать только те запросы, которые относятся к их SSID. Таким образом, пользователь не сможет обратиться к точке доступа, если только ему не предоставлен правильный SSID.

Возможность принятия или отклонения запроса к сети может зависеть также от значения идентификатора MAC ID – это уникальное число, присваиваемое в процессе производства каждой сетевой карте. Когда клиентский ПК пытается получить доступ к беспроводной сети, точка доступа должна сначала проверить адрес MAC для клиента. Точно так же и клиентский ПК должен знать имя точки доступа.

Механизм Wired Equivalency Privacy (WEP), определенный в стандарте IEEE 802.11, обеспечивает еще один уровень безопасности. Он опирается на алгоритм шифрования RC4 компании RSA Data Security с 40- или 128-разрядными ключами.

Несмотря на то, что использование WEP несколько снижает пропускную способность, эта технология заслуживает более пристального внимания. Дополнительные функции WEP затрагивают процессы сетевой аутентификации и шифрования данных. Процесс аутентификации с разделяемым ключом для получения доступа к беспроводной сети использует 64-разрядный ключ – 40-разрядный ключ WEP выступает как секретный, а 24-разрядный вектор инициализации (Initialization Vector) – как разделяемый. Если конфигурация точки доступа позволяет принимать только обращения с разделяемым ключом, она будет направлять клиенту случайную строку вызова длиной 128 октетов.

Клиент должен зашифровать строку вызова и вернуть зашифрованное значение точке доступа. Далее точка доступа расшифровывает полученную от клиента строку и сравнивает ее с исходной строкой вызова. Наконец, право клиента на доступ к сети определяется в зависимости от того, прошел ли он проверку шифрованием. Процесс расшифровки данных, закодированных с помощью WEP, заключается в выполнении логической операции «исключающее ИЛИ» (XOR) над ключевым потоком и принятой информацией. Процесс аутентификации с разделяемым ключом не допускает передачи реального 40-разрядного ключа WEP, поэтому этот ключ практически нельзя получить путем контроля за сетевым трафиком. Ключ WEP рекомендуется периодически менять, чтобы гарантировать целостность системы безопасности.

Для вторжения в сеть необходимо к ней подключиться. В случае проводной сети требуется электрическое соединение, беспроводной – достаточно оказаться в зоне радиовидимости сети с оборудованием того же типа, на котором построена сеть.

В проводных сетях основное средство защиты на физическом и MAC-уровнях – административный контроль доступа к оборудованию, недопущение злоумышленника к кабельной сети. В сетях, построенных на управляемых коммутаторах, доступ может дополнительно ограничиваться по MAC-адресам сетевых устройств.

В беспроводных сетях для снижения вероятности несанкционированного доступа предусмотрен контроль доступа по MAC-адресам устройств и тот же самый WEP. Поскольку контроль доступа реализуется с помощью точки доступа, он возможен только при инфраструктурной топологии сети. Механизм контроля подразумевает заблаговременное составление таблицы MAC-адресов разрешенных пользователей в точке доступа и обеспечивает передачу только между зарегистрированными беспроводными адаптерами. При топологии «ad-hoc» (каждый с каждым) контроль доступа на уровне радиосети не предусмотрен.

Весьма динамично развивается в последние годы стандарт беспроводной связи Radio Ethernet. Изначально он предназначался для построения локальных беспроводных сетей, но сегодня все активнее используется для подключения удаленных абонентов к магистралям. С его помощью решается проблема «последней мили» (правда, в отдельных случаях эта «миля» может составлять от 100 м до 25 км). Radio Ethernet сейчас обеспечивает пропускную способность до 54 Мбит/с и позволяет создавать защищенные беспроводные каналы для передачи мультимедийной информации.

Данная технология соответствует стандарту 802.11, разработанному Международным институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE) в 1997 году и описывающему протоколы, которые позволяют организовать локальные беспроводные сети (Wireless Local Area Network, WLAN). Один из главных конкурентов 802.11 — стандарт HiperLAN2 (High Performance Radio LAN), разрабатываемый при поддержке компаний Nokia и Ericsson. Следует заметить, что разработка HiperLAN2 ведется с учетом обеспечения совместимости данного оборудования с системами, построенными на базе 802.11а. И этот факт наглядно демонстрирует популярность средств беспроводного доступа на основе Radio Ethernet, растущую по мере увеличения числа пользователей ноутбуков и прочих портативных вычислительных средств.

Беспроводные персональные сети (англ. wireless personal area network, WPAN) – сети, стандарт которых обозначен как IEEE 802.15.

WPAN применяются для связи различных устройств, включая компьютерную, бытовую и оргтехнику, средства связи и т. д. Физический и канальный уровни регламентируются стандартом IEEE 802.15.4. Радиус действия WPAN составляет от нескольких метров до нескольких десятков сантиметров. WPAN используется как для объединения отдельных устройств между собой, так и для связи их с сетями более высокого уровня, например, глобальной сетью интернет.

WPAN может быть развернута с использованием различных сетевых технологий Bluetooth, ZigBee и другими.

Работы по изучению возможности применения мобильных, сетевых коммуникаций начались еще в 1994 году. Компании IBM, Nokia, Intel и Toshiba создали консорциум для разработки стандарта беспроводной связи между ЭВМ посредством устройств с ограниченным радиусом действия. Проект получил название BlueTooth в честь короля Норвегии и Дании Гарольда Голубой Зуб (Harald Blaatand, 940-981 годы).

Проект являлся конкурентом стандарта IEEE 802.11 (оба стандарта используют один и тот же частотный диапазон, одни и те же 79 каналов). Главной его целью являлось удаление любых кабелей из телефонии, а если получится, и из локальных сетей. Очевидно, что в нынешнем виде BlueTooth не может вытеснить 802.11 хотя бы из-за ограничений на максимальный размер сети. Но эта технология быстро развивается, трудно предсказать, какое место она займет в самые ближайшие годы. В 1999 году был выдан 1500-страничный документа v1.0. После этого группа стандартизации IEEE взяла этот документ за основу стандарта 802.15 (физический уровень и уровень передачи данных). В 2002 году IEEE утвердил стандарт 802.15.1. Пока стандарт 802.15 и Bluetooth не идентичны, но ожидается их объединение в самом ближайшем будущем.

Технология Bluetooth опирается на нелицензируемый (практически везде кроме России) частотный диапазон 2,4÷2,4835 ГГц. При этом используются широкие защитные полосы: нижняя граница частотного диапазона составляет 2ГГц, а верхняя - 3,5 ГГц. Точность заданий частоты (положение центра спектра) задается с точностью ± 75 кГц. Дрейф частоты в этот интервал не входит. Кодирование сигнала осуществляется по двухуровневой схеме GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying). Логическому 0 и 1 соответствуют две разные частоты. В оговоренной частотной полосе выделяется 79 радиоканалов по 1 МГц каждый.

ZigBee – название набора сетевых протоколов верхнего уровня, использующих маленькие, маломощные радиопередатчики, основанные на стандарте IEEE 802.15.4. Имя бренда происходит от поведения медовых пчел, после возвращения их в улей. Сети образованные по протоколу ZigBee начали рассматриваться с 1998, когда многие установщики осознали, что протоколы WiFi и Bluetooth стали неподходящими для многих приложений. В частности, многие инженеры увидели необходимость в самоорганизуемых сетях. ZigBee нацелен на приложения, которым требуется длительное время автономной работы от батарей и высокая безопасность передачи данных, при небольших скоростях передачи данных. Работает в промышленных, научных и медицинских (ISM-диапазон) радиодиапазонах: 868 МГц в Европе, 915 МГц в США и в Австралии, и 2.4 ГГц в большинстве стран в мире (под большинством юрисдикций стран мира).

Технология определяется спецификацией, разработанной с намерением быть проще и дешевле, чем остальные персональные сети, такие как Bluetooth. Так как ZigBee большую часть времени находится в спящем режиме, уровень потребления энергии может быть очень низким, благодаря чему достигается длительная работа от батарей. ZigBee может активироваться (то есть переходить от спящего режима к активному) за 15 миллисекунд или меньше, задержка отклика устройства может быть очень низкой, особенно по сравнению с Bluetooth, для которого задержка, образующаяся при переходе от спящего режима к активному, обычно достигает трех секунд.

ZigBee предназначен для радиочастотных устройств, где необходима длительная работа от батареек и безопасность передачи данных по сети. Основная особенность технологии ZigBee заключается в том, что она при относительно невысоком энергопотреблении поддерживает не только простые топологии беспроводной связи («точка-точка» и «звезда»), но и сложные беспроводные сети с ячеистой топологией с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений. Области применения данной технологии – это построение беспроводных сетей датчиков, автоматизация жилых и строящихся помещений, создание индивидуального диагностического медицинского оборудования, системы промышленного мониторинга и управления, а также при разработке бытовой электроники и персональных компьютеров.

2.3. Топология сетей

В зависимости от требований приложений IEEE 802.15.4 LR-WPAN может работать в рамках одной из двух топологий: звезда (star) или peer-to-peer (P2P). При этом существуют три различных типа устройств сети.

Координатор (ZC) – наиболее ответственное устройство (Coordinator), формирует пути древа сети и может связываться с другими сетями. В каждой сети есть один координатор ZigBee. Он и запускает сеть от начала. Он может хранить информацию о сети, включая хранилище секретных паролей производства компании Trust Centre.

Маршрутизатор (ZR) – маршрутизатор (Full Function Device) может выступать в качестве промежуточного звена, передавая данные с других устройств. Он также может запускать функцию приложения.

Конечное устройство (ZED) – его функциональная нагруженность позволяет ему обмениваться информацией с материнским узлом (или координатором, или с маршрутизатором), он не может передавать данные с других устройств. Такое отношение позволяет узлу львиную часть времени пребывать в спящем состоянии, что позволяет экономить энергоресурс батарей.

ZED требует минимальное количество памяти, и поэтому может быть дешевле в производстве, чем ZR или ZC. По названной причине его называют также редуцированным (Reduced Function Device).

В случае звездообразной топологии коммуникации устанавливаются между отдельными устройствами и центральным контроллером, называемым координатор PAN (Personal Area Network). Координатор PAN может быть ориентирован также на вполне определенные приложения, но он может использоваться для инициации, завершения или маршрутизации коммуникаций в сети. Сетевое устройство обычно ассоциируется с одним из приложений и в процессе коммуникаций является либо отправителем, либо получателем данных.


Рисунок 10. Топологии сети



Топология peer-to-peer (P2P) также работает с координатором PAN. Она отличается от звезды тем, что любые сетевые устройства могут обмениваться друг с другом, если существуют соответствующие каналы. Топология P2P позволяет формировать более сложные сетевые конфигурации. Выделяют древовидные (кластерное дерево: claster tree) и ячеистые (смешанная: mesh) структуры.

Сеть P2P может быть в принципе самоорганизующейся и самовосстанавливающейся. Эта топология позволяет организовать и многошаговые маршруты доставки сообщений от одного сетевого устройства другому. Такие функции могут быть добавлены на более высоком уровне и не являются частью данного стандарта. Приложения, типа промышленного управления и мониторинга, сети беспроводных сенсоров, интеллектуальное сельское хозяйство и безопасность делают данную технологию крайне привлекательной.

Все устройства, работающие в сети любой топологии, снабжаются уникальными 64-битными адресами.

Этот адрес может использоваться для прямых коммуникаций в пределах PAN. Координатор PAN может использовать укороченные адреса для групповой адресации сетевых устройств. Координатор PAN может быть запитан от сети переменного тока, в то время как прочие устройства часто питаются от батарей. Приложения, предпочитающие звездообразную топологию, включают в себя домашние системы автоматизации, периферийные устройства персональных компьютеров, игрушки и игры, а также различные устройства, связанные с заботой о здоровье.

2.4. Адресация

Для того, чтобы лучше понимать состав сервисов стека и для чего они могут служить, на рисунке 11 представлена структура адресации в ZigBee. Поскольку предусматривается совместное сосуществование разных сетей, ZigBee на одном частотном канале, то для их различения введен 16-и битный идентификатор сети (Personal area network ID, PAN ID). Все ZigBee модули снабжаются уникальным 64-х битным идентификатором. Но передача такого длинного идентификатора довольно накладна, и диапазон адресов предоставляемый такой длиной идентификатора явно избыточен. В ZigBee введен короткий 16-и битный сетевой адрес устройства, назначаемый единым координатором сети при ее организации.

Спецификация предполагает возможность одной сетью решать множество прикладных задач не связанных друг с другом. Для возможности различения пакетов по приложениям, для которых они предназначены, используются 8-и битные номера конечных точек. Приложения надо понимать в широком смысле, это может быть просто управление лампочкой или канал для передачи данных во внешний шлюз сети другого типа, или контур управления отоплением помещения и т.д.


Рисунок 11. Структура адресации в ZigBee



Для того, чтобы обеспечить полную совместимость устройств разных производителей и их способность взаимодействовать в рамках единого распределенного приложения, было введено понятие профилей, которые различаются в пакетах с помощью 16-и битного идентификатора. Профиль описывает ряд технических параметров, соглашений о структурах данных и форматах сообщений которых жестко должны придерживаться изготовители, чтобы их изделия были совместимы по этому профилю. К сожалению, альянс ZigBee имеет пока только один развитый стандартный профиль – это профиль управления бытовым освещением. Но частные нестандартизированные профили также должны иметь уникальные идентификаторы, поэтому их выдачей занимается сам альянс ZigBee. Кластеры – некоторая абстракция, контейнер для атрибутов. Кластеры введены с целью облегчения администрирования групп родственных атрибутов. Допустим, вместо того, чтобы каждый раз перечислять атрибуты, можно просто ссылаться на них, используя номер кластера. Идентификатор кластера имеет длину 8 бит. И, наконец, конечная точка путешествия – атрибут. Как видно из рисунка, иногда его смысл очевиден.

2.5. Процесс формирования сети

Даже если все устройства ZigBee включены и могут вести общение друг с другом, сеть не возникнет, пока не появиться устройство, взявшее на себя роль координатора. Координатор единственный, кто может инициировать начало формирования сети. Координатор начинает с определения уровня энергии на всех доступных частотных каналах. Выбирается канал с наименьшим уровнем энергии. Выбрав канал, координатор определяет наличие в нем других работающих ZigBee сетей и их идентификаторы через общение с узлами этих сетей. Затем координатор случайным образом выбирает идентификатор для своей сети из диапазона 0x0000-0x3FFE так, чтобы он не совпал с идентификаторами других сетей в том же частотном диапазоне. Сетевой 16-и битный адрес координатора всегда равен 0x0000. Теперь координатор разрешает присоединяться к своей сети другим устройствам. Другие устройства же, до этого момента сканировавшие запросами эфир на предмет доступных сетей, получают, наконец, ответ от координатора о том, что они могут присоединиться к его сети. Присоединение начинается по принципу дерева. Присоединив некоторое количество первых конечных устройств и роутеров, координатор отказывается присоединять непосредственно к себе остальных, оставшиеся вынуждены искать уже присоединившиеся к координатору роутеры (конечные устройства не могут никого присоединять) и присоединяться к ним. Таким образом, начинает ветвиться дерево присоединений. Из кандидатов в родительские узлы предпочтение отдается тем, от кого меньше всего остается переходов к координатору.

2.6. Стандарт беспроводной персональной сети

Стандарт IEEE 802.15.4 (рис.12) был создан в мае 2003. Летом 2003 главный поставщик ячеистых сетей Philips Semiconductors прекратил инвестиции. Однако Philips Lighting продолжил участие со стороны данной корпорации, которая осталась покровителем (промоутером) в составе совета директоров альянса ZigBee. О создании альянса ZigBee было объявлено в 2004. Уже в следующем году число его членов удвоилось и выросло до более чем 100 компаний в 22 странах.


Рисунок 5. Архитектура IEEE 802.15.4



Cтандарт 802.15.4. описывает беспроводные персональные вычислительные сети и оговаривает следующие параметры радиосети – диапазон частот, тип модуляции, структуру пакетов, правила формирования контрольной суммы, способы предотвращения коллизий и т.д. Стандарт определяет нижние слои протокола – физический слой (PHY), и контроль доступа (MAC) часть ссылки на слой данных (DLL). Этот стандарт определяет работу на частотах 2,4 ГГц (в мире, не лицензированная частота), 915 МГц (Американский континент) и 868 МГц (Европа) диапазон ISM. На частоте 2,4 ГГц есть 16 каналов ZigBee (рис.13), каждый канал требует ширины диапазона в 5 МГц. Основная частота для каждого канала может быть рассчитана как FC = (2405 + 5 * (ch – 11)) МГц, где ch = 11, 12, … , 26.


Рисунок 13. Каналы ZigBee на частоте 2,4 МГц



Архитектура IEEE 802.15.4 определяет, в свою очередь, ряд уровней, призванных упростить стандарт. Каждый уровень ответственен за одну часть стандарта и предоставляет услуги вышерасположенному уровню. Интерфейсы между уровнями определяют логические связи, описанные в данном стандарте. Устройство LR-WPAN представляет уровень PHY, оно включает в себя радиочастотный (RF) трансивер с низкоуровневым механизмом управления, и субуровень MAC, который обеспечивает доступ к физическому каналу для всех типов передачи.

Радио используют широкополосную модуляцию с прямым расширением спектра которая управляется цифровым потоком в модуляторе. Двоичная фазовая манипуляция используется на полосах в 868 и 915 МГц, а офсетная квадратурная фазовая манипуляция передающая по 2 бита в символе используется на полосе 2,4 ГГц. В чистом виде, при передаче через воздух, скорость передачи данных составляет 250 кбит/с для каждого канала в диапазоне 2,4 ГГц, 40 кбит/с для каждого канала в диапазоне 915 МГц и 20 кбит/с в диапазоне 868 МГц. Расстояние передачи от 10 до 75 метров и свыше 1500 метров для Zigbee pro, хотя оно сильно зависит от отдельного оборудования. Максимальная выходная мощность радио в основном составляет 0 дБм (1 мВт).

Все требуемые характеристики, в большей или меньшей степени, реализуются в микросхеме приемопередатчика (трансивера). Трансиверы, отвечающие стандарту 802.15.4, могут использоваться как самостоятельные устройства, если разработчику нужно организовать связь точка-точка или звезда. Для организации полноценной сети ZigBee необходимо добавить микроконтроллер, в который должен быть загружен набор управляющих программ, так называемый стек протоколов ZigBee. К управляющему контроллеру выдвигаются определенные требования – память программ должна быть не менее 64 кбайт, если устройство будет исполнять роль координатора, для оконечного устройства достаточно 4 кбайт программной памяти.

2.7. Фирмы-производители

На сегодняшний день трансиверы стандарта 802.15.4 выпускают производители: Freescale, Chipcon, Ember, Jennic, UBEC, OKI (CompX). Все трансиверы работают в общем диапазоне частот от 2400 до 2483 МГц, имеют 16 каналов передачи с шагом 5 МГц, обеспечивают скорость в радиоканале 250 кБит/сек и используют расширение спектра кодовой последовательностью. Трансивер 86RF210 от Atmel и ZMD44101 от ZMD Group работают только в диапазоне 868/915 МГц.

Freescale и Chipcon – безусловные лидеры в производстве приемопередатчиков стандарта 802.15.4. Они регулярно объявляют о новых разработках в этой области. Chipcon уже успел продать более 1 млн. своих чипов.

Компания Ember лицензировала свой чип EM2420 у компании Chipcon. Это «брат-близнец» трансивера СС2420. Ember ориентирован на продажу своих чипов OEM-производителям аппаратуры в совокупности со своими программными наработками – стеками EmberNet, EmberZNet, EmberZNet v2. Одна из первых реально работающих сетей 802.15.4 развернута в Корее – это система сбора показаний бытовых счетчиков электроэнергии. В данной сети из 250 узлов используются чипы и стек от Ember.

Jennic позиционирует себя как первого производителя интегрированного ZigBee чипа (трансивер и управляющий микроконтроллер в одном корпусе).

О чипе компании UBEC довольно мало информации, хотя UBEC и является членом ZigBee альянса. Трансивер UBEC uz2400 анонсирован в сентябре 2004 года, а в сентябре 2005 года Microchip объявил, что его версия стека ZigBee будет поддерживать этот чип. Что касается чипа ML7065, то в действительности это совместная разработка с компанией CompX, которая представляла ранее этот чип как CX1540. Компания CompX разработала также отладочные средства для этого трансивера. Документацию по чипу CX1540 еще можно найти в Интернете, однако сайт CompX уже не доступен, т.к. фирма CompX была приобретена компанией Integration Associates (fabless компания из силиконовой долины, член альянса ZigBee).

Как правило, в продаже имеются чипы ZigBee, являющиеся объединенными радио- и микроконтроллерами с размером Flash-памяти от 60К до 128К таких производителей, как Jennic JN5148, Freescale MC13213, Ember EM250, Texas Instruments CC2430, Samsung Electro-Mechanics ZBS240 и Atmel ATmega128RFA1. Радиомодуль также можно использовать отдельно с любым процессором и микроконтроллером. Как правило, производители радиомодулей предлагают также стек программного обеспечения ZigBee, хотя доступны и другие независимые стеки.

Органом, обеспечивающим и публикующим стандарты ZigBee, является альянс ZigBee. Он публикует профили приложений, что позволяет производителям изначальной комплектации создавать совместимые продукты.

Спецификации ZigBee были ратифицированы 14 декабря 2004. Второй выпуск стека называется ZigBee 2006, и, в основном, заменяет структуру MSG/KVP, использующуюся в ZigBee 2004 вместе с «библиотекой кластеров». Реализация ZigBee 2007 содержит уже два профиля стека, профиль стека № 1 (который называют просто ZigBee) для домашнего и мелкого коммерческого использования, и профиль стека № 2 (который называют ZigBee Pro). ZigBee Pro предлагает больше функций, таких как широковещание, маршрутизацию вида «многие-к-одному» и высокую безопасность с использованием симметричного ключа (SKKE), в то время как ZigBee (профиль стека № 1) занимает меньше места в оперативной и Flash-памяти.

Оба профиля позволяют развернуть полномасштабную сеть с ячеистой топологией и работают со всеми профилями приложений ZigBee. Сотрудничество между IEEE 802.15.4 и ZigBee во многом подобно тому, что было между IEEE 802.11 и альянсом Wi-Fi. О первом профиле приложения – «Домашняя автоматизация» ZigBee, было объявлено 2 ноября 2007.

Концерн RF4CE (радиочастоты для бытовой электроники) согласился работать с альянсом ZigBee для совместного распространения стандартизированной спецификации предназначенной для радиочастотного дистанционного управления. ZigBee RF4CE был разработан для широкого употребления в дистанционно управляемых аудио/видео продукции, такой как телевизоры и телеприставки. Это обещает множество преимуществ по сравнению с существующими техническими решениями для дистанционного управления, включая расширение связей, повышение надежности работы, расширенные возможности и гибкость, совместимость, и ухода от барьера прямой видимости.

2.8. Протоколы и лицензии

Радиоразработки, используемые в ZigBee тщательно оптимизированы, чтобы достичь низкой цены среди большого числа продукции этой линейки. Есть несколько аналоговых каскадов, где возможно используются цифровые контуры. Хотя радиопередатчики сами по себе недороги, процесс квалификации ZigBee включает в себя полную проверку требований на физическом уровне. Такая подробная доводка физического уровня имеет многочисленные преимущества, так как все радио, полученные из этого набора полупроводниковых элементов, будут обладать теми же RF-характеристиками. С другой стороны, если физический уровень будет не сертифицирован, неправильное функционирование может уменьшить длительность работы батарей в других устройствах, включенных в сеть ZigBee.

Протоколы построены на относительно недавно разработанном алгоритме AODV (протокол динамической маршрутизации для мобильных ad-hoc сетей (MANET) и других беспроводных сетей) и NeuRFon, предназначенными для образования ad-hoc сетей (децентрализованная беспроводная сеть, образованная случайными абонентами) или узлов. В большинстве случаев сеть является скоплением скоплений. Она также может принимать форму сети или одиночного скопления. Текущие профили получаются из протоколов ZigBee и поддерживают сети со включенными или с отключенными маячками.

В сетях с отключенными маячками (где порядок маячков составляет 15) используется механизм доступа к каналам.

В этом типе сети маршрутизаторы ZigBee обычно поддерживают свои приемники включенными, что требует более мощной энергоподдержки. Однако это позволяет работать разнородным сетям, в которых некоторые устройства продолжительно принимают, пока другие только передают, в то время, когда определяются внешние сигналы. Типичный пример разнородной сети – это беспроводной ламповый выключатель. В сетях с маячками специальные узлы сети, маршрутизаторы ZigBee, передают периодические маячки, чтобы подтвердить свое присутствие на других узлах сети.

Спецификация ZigBee доступна для широкой публики при условиях некоммерческого использования. Входной уровень членства в альянсе ZigBee, называемый Adopter, обеспечивает доступ к еще не опубликованным спецификациям и разрешает создавать продукты для коммерческого использования спецификации. Регистрация в ходе использования спецификации ZigBee требует от коммерческого разработчика присоединения к альянсу ZigBee. «Ни одна часть этой спецификации не может быть использована для производства продуктов или продажи без членства в альянсе ZigBee.» Происходят ежегодные конфликты по поводу оплаты с общей публичной лицензией GNU. Согласно пункту 2-b: «Вы должны быть уверены в том, что любая работа, которую вы распространяете или публикуете, если вся эта работа или ее часть содержит программу или извлечена из программы или из любой ее части, вся эта работа должна быть лицензирована как целое без передачи третьим лицам, согласно условиям данной лицензии».

С тех пор как лицензия GPL не делает различий между коммерческим и некоммерческим использованием невозможно выполнить лицензирование стека ZigBee согласно GPL или совместить выполнение ZigBee с лицензионным кодом GPL. Требование к разработчику присоединиться к альянсу ZigBee также вступает в конфликт с другими лицензиями свободного программного обеспечения.

2.9. Приложения

Протоколы ZigBee разработаны для использования во встроенных приложениях, требующих низкую скорость передачи данных и низкое энергопотребление. Сеть может использоваться в промышленном контроле, встроенных датчиках, сборе медицинских данных, оповещении о вторжении или задымлении, строительной и домашней автоматизации и т. п. Текущий список профилей приложений, опубликованных альянсом, или уже находящихся в работе:

- Домашняя автоматизация
- Рациональное использование энергии (ZigBee Smart Energy 1.0/2.0)
- Автоматизация коммерческого строительства
- Телекоммуникационные приложения
- Персональный, домашний и больничный уход
- Игрушки

Созданная в итоге сеть потребляет очень мало энергии – индивидуальные устройства согласно данным сертификации ZigBee позволяют энергобатареям работать два года.



Глава 3. Лабораторные учебные комплексы

3.1. Комплекс для изучения технологии ZigBee

В области беспроводных технологий компания "ЭФО" (сайт efo.ru) предлагает комплекты микросхем, модули и модемы для большинства популярных технологий GSM/GPRS, 3G, GPS, ZigBee, nanoNET, Bluetooth, Wi-Fi, RFID. На базе предлагаемых компонентов можно разработать устройства беспроводной связи с нестандартными протоколами передачи данных. Для сокращения времени разработки предлагаются отладочные средства, программное обеспечение и необходимые аксессуары. Фирма имеет многочисленные представительства в разных городах России, включая офис в Санкт-Петербурге.

Комплект для изучения технологии ZigBee (рис. 14) содержит три отладочных платы с разъемом для присоединения съемных модулей ETRX3 и USB-интерфейсом для реализации шлюза ZigBee-USB. В набор также входят 8 съемных модулей с различным типом используемой антенны и максимальной выходной мощностью, а также ZigBee модуль ETRX2USB. Разнообразие составляющих данного комплекта, позволяет быстро и в полном объеме ознакомиться с возможностями встраиваемых радиомодулей серии ETRX3 для реализации ZigBee-устройств.


Рисунок 14. Комплект для изучения технологии ZigBee



Комплекс содержит три отладочных платы с разъемом для присоединения съемных модулей ETRX3 и 8 модулей, распаянных на транспортной плате с разъемом для присоединения к отладочной плате, в их составе:

- ETRX35x+CB - модуль с интегрированной антенной - 2 шт.
- ETRX35xHR+CB - модуль с разъемом U.FL для присоединения внешней антенны - 2 шт.
- ETRX35x-LR+CB - модуль со встроенным усилителем и с интегрированной антенной - 2 шт.
- ETRX35xHR-LR+CB - со встроенным усилителем и с разъемом U.FL для присоединения внешней антенны - 2 шт.

Прилагается ZigBee-модуль с интерфейсом USB-ETRX357USB, три mini-USB кабеля, две полуволновые антенны и кабельные сборки к ним с разъемом UF.L, две четвертьволновые антенны и кабельные сборки к ним с разъемом UF.L.

Важным направлением в работе компании "ЭФО" является техническая поддержка. "ЭФО" регулярно проводит обзорные и целевые семинары, издает техническую документацию и справочную литературу. Большое внимание уделяется подготовке и переподготовке специалистов, фирма имеет большой опыт работы на рынке электронных компонентов. Дистрибьюторские и партнерские соглашения с известными мировыми производителями, многолетнее сотрудничество с крупными оптовыми поставщиками Европы и США в сочетании с высокой квалификацией сотрудников определили стабильное положение компании на российском рынке.

3.2. Сенсорные сети ZigBee в системах умного дома

Научно-производственный институт "Учебная техника и технологии" Южно-Уральского государственного университета (сайт labtelecom.ru) занимается внедрение беспроводных технологий. Фирма – член международной ассоциации разработчиков и производителей учебной техники «Worlddidac» (Швейцария, Базель). Производит типовой комплект учебного оборудования "Сенсорные сети ZigBee в системах умного дома" (рис.15).


Рисунок 15. Типовой комплект учебного оборудования



Лабораторный комплекс предназначен для проведения лабораторно-практических работ для студентов высших, средних специальных и профессионально-технических учебных заведений с целью ознакомления с современными технологиями автоматизации систем учёта и сбережения электроэнергии. Основой для передачи данных в рамках комплекса является сенсорная сеть ZigBee.

В состав комплекса входят ноутбук, ZigBee-модем Telegesis ETRX2USB, и модули^

• Модуль «Электросчётчик» – 1 шт.
• Модуль «Освещение» – 1 шт.
• Модуль «Датчики» – 1 шт.
• Модуль «Электропитание» – 1 шт.

На рисунке 16 показан один из модулей комплекта. С системой поставляется программное обеспечение для управления системой и учебно-методическое пособие – 2 комплекта.


Рисунок 16. Модуль освещения



Перечень лабораторных работ, которые можно проводить на таком комплексе, следующий.

1. Сенсорные сети ZigBee как основа систем автоматизации.
2. Знакомство со стендом. Изучение способов управления модулями, знакомство с программным обеспечением.
3. Изучение модуля розеток. Изучение способов коммутации нагрузок. Принципы измерения тока, напряжения, мощности.
4. Изучение модуля электроламп. Изучение способов регулирования мощности через нагрузку. Изучение особенностей ламп накаливания и энергосберегающих ламп. Изучение зависимости яркости лампы накаливания от тока через нее.
5. Изучение модуля электросчетчика. Изучение способов учета электроэнергии, а также принципов расчета стоимости электроэнергии. Измерение и учет потребленной стендом мощности за небольшой промежуток времени с учетом дневного и ночного тарифов.
6. Изучение модуля датчиков. Типы и принципы действия температурного датчика, датчика освещения. Знакомство пироэлектрическим и объемным датчиками, изучение достоинств и недостатков каждого из них.
7. Изучение принципов построения сенсорных сетей. Знакомство с программным обеспечением. Объединение модулей в сеть, дистанционное управление модулями.
8. Изучение влияния периода опроса модулей на скорость работы сети ZigBee.
9. Построение системы простейшего «умного дома».

Помимо этого стенда, фирма имеет в наличии широкий ассортимент (более 900 наименований) информационных средств, учебно-лабораторного оборудования и наглядных пособий для начального профессионального образования, школ, техникумов, колледжей и высших учебных заведений. География клиентов обширна: от Краснодара до Архангельска, от Калининграда до Камчатки. Разнообразие продукции позволяет оборудовать со сдачей «под ключ» аудитории, кабинеты и лаборатории современными информационными средствами и комплексами, учебно-лабораторным оборудованием и наглядными пособиями.

3.3. Сенсорные сети ZigBee в системах автоматического управления

Следующий типовой комплект учебного оборудования "Сенсорные сети ZigBee в системах автоматического управления" тоже заслуживает внимания. Комплект предназначен для проведения лабораторно-практических работ для студентов высших, средних специальных и профессионально-технических учебных заведений с целью изучения всех аспектов технологии сенсорных сетей ZigBee и получения навыков в их настройке. В качестве автоматизируемой системы используется модель железнодорожного участка пути (рис.17,18).


Рисунок 17. Внешний вид комплекса




Рисунок 18. Поезд, подъезжающий к шлагбауму



В состав комплекса входят стол-основа, ноутбук с приемопередатчиком ZigBee, отладочный модуль, два переходника USB-UART, комплект проводов, также макеты:

• Макет поезда – 2 шт.
• Макет железной дороги
◦ макет железнодорожного полотна;
◦ десять рельсовых модулей, каждый из которых содержит в себе плату приемопередатчика ZigBee Telegesis ETRX-2;
◦ две железнодорожных стрелки, управляемые рельсовыми модулями;
◦ двенадцать фонарей для освещения железнодорожного полотна;
◦ два шлагбаума, управляемые с рельсового модуля;
◦ два семафора, управляемые рельсовыми модулями.

Перечень лабораторных работ

1. Знакомство с теорией и основой работ сенсорных сетей ZigBee.
2. Управление портами ввода-вывода модуля ETRX-2.
3. Аналогово-цифровое и цифро-аналоговое преобразование модуля ETRX-2.
4. Датчики температуры и освещенности.
5. Энергопотребление модулей.
6. Выполнение операций над макетом.
7. Управление макетом с помощью АТ-команд.

3.4. Цифровая метеостанция

Комплект из многофункциональных беспроводных погодных датчиков Oregon WMRS200 (рис.19) позволяет ознакомиться с технологией построения метеостанций для прогноза погоды на сутки или 12 часов в радиусе 30 км. Цифровая метеостанция обеспечивает беспроводную передачу данных на 100м (от датчиков на USB-устройство, подключенное к ПК).


Рисунок 19. Беспроводные погодные датчики Oregon WMRS200



Специальное USB-устройство подключенное к ПК принимает данные с погодных датчиков, которые отображаются на мониторе. В комплектацию входят: кронштейны для крепления датчиков, элементы питания, USB кабель, хаб беспроводной передачи данных, а также

Датчик скорости и направления ветра
Датчик температуры и влажности
Датчик уровня выпавших осадков
Датчик измерения атмосферного давления, комнатной температуры и влажности

Система обеспечивает отображение комнатной и уличной относительной влажности, вывод данных о комнатной и уличной температуре с возможность выбора единиц измерения, расчет температуры точки росы и точки жары, измерение атмосферного давления, вывод в виде диаграммы данных об изменении показаний в течение суток. Набор беспроводных датчиков с подключением к ПК позволяют создать профессиональный метеосервер для мониторинга и прогнозирования погодных условий.


Глава 4. Лабораторные занятия

Раздел 4.1. Изучаем координатор

Для использования координатора следует скачать с сайта Telegesis.com его драйвер и установить на компьютер, после чего новому устройству (рис.20), вставленному в USB-разъем будет присвоен номер COM-порта. Этот номер виден в стандартной программе Windows, обозревающей свойства аппаратуры системы. Он применяется для связи с модулем через терминал – специальную программу, обменивающуюся через выделенный COM-порт кодами символов (на частоте 19200 бод в секунду).


Рисунок 20. ZigBee модуль ETRX2USB



Помимо того, что такая программа обязательно есть в составе стандартных средств операционной системы, в сети Интернет довольно легко найти наработки аналогичных программ с более или менее удобным интерфейсом, например, comport.exe. Для того, чтобы координатор воспринимал последовательность символов как текстовую команду, необходимо, чтобы она завершалась кодом перевода каретки (кодом клавиши Enter). Терминальные программы содержат, как раз, окно для ввода таких текстов, и окно, на котором отображаются присылаемые в ответ символы. С их помощью очень удобно изучать координатор в работе.

ATI (с кодом перевода каретки CR) USB-координатор отвечает: TELEGESIS ETRX3 R304X 0021ED00000468C9 OK.

Сообщается номер модуля ETRX, номер прошивки R304X и фабричный номер устройства 0021ED00000468C9. Это первая команда, с которой стоит начинать диалог.

ATS04? возвращает прописанный заводом в регистре S04 номер 0021ED00000468C9. Аналогично читается любой другой регистр модуля.

AT+EN создает сеть координатора, координатор первым присоединяется к собственной сети: следует сообщение JPAN:25,3D84,7E04AEF1821F433C. Указан номер 25 выбранного для связи наименее зашумленного канала, короткий и длинный идентификаторы (адреса, имена) координатора в сети: "имя" 3D84 и "фамилия" 7E04AEF1821F433C. Довольно очевидно, что пользоваться именем проще.

AT+N выдает отмеченные выше параметры (если их забыли): функциональное назначение (COO), канал, питание, пару адресов: +N=COO,25,03,3D84,7E04AEF1821F433C.

AT+DASSL вынуждает модуль покинуть (свою) сеть. ATZ соответствует Reset. AT&F возвращает модулю начальные фабричные настройки, если их меняли. AT+N возвращает новый статус (не в сети): +N=NoPAN OK. В таком виде устройство готово к образованию новой сети.

Команды деструкции сети стоит изучать до того, как прочие модули присоединились к координатору. Иначе возникнет конфликт, разрешаемый соглашениями, согласно которым конечные модули могут искать иную сеть. Очевидно, что тут играют роль дополнительные факторы: как именно была деструктурирована предыдущая сеть, разрешена ли модулям смена координатора, сколько времени требуется на переориентацию и т.п. На заводе выставляются весьма нежесткие требования, которые потом, по мере надобности, можно ужесточить.

В ходе набора текстовых команд нетрудно ошибиться, в таком случае модуль сообщает коды ошибок. Распространенные коды ошибок: 02 - неправильная команда, 05 - неверный параметр, 26 - не присоединиться, 27 - не найдена сеть, 28 - устройство уже в сети и команда (присоединения к сети) не может быть выполнена.

Раздел 4.2. Изучаем минимальную сеть

Включаем в работу координатор и один из модулей (рис. 21), (на отладочной плате предусмотрено питание модуля шнуром от блока питания, от USB кабеля или от батарей, переключение джампером power), который, будучи не подключенным к сети, начинает искать сеть.


Рисунок 21. Модуль ETRX3



AT+PANSCAN инициирует поиск новых еще не присоединившихся модулей, выдавая сообщение о них в виде NEWNODE: E627,000D6F00005C4AB7,0000 SR:00,000D6F00005C4AB7,E627 FFD:000D6F00005C4AB7,E627. В сообщении присутствует тип FFD (маршрутизатор) короткий адрес E627 и длинный 000D6F00005C4AB7.

В том случае, когда новых модулей нет, отклик +PANSCAN:25,3D84,7E04AEF1821F433C,02,01 выдает атрибуты координатора (адрес 3D84). Если в окрестностях координатора нет ни одного включенного модуля, то и этой информации нет (сеть не функционирует). Найденный модуль не присоединяется к сети.

AT+SN сканирования сети с присоединением к сети найденных новых модулей, рапорт о работе координатора возвращает атрибуты подключившихся к сети модулей, в частности, их короткие адреса (формата XXXX).

ATREMS:E627,04? возвращает номер уведомления о запросе ACK:13 содержимого регистра S04, в котором хранится заводской номер изделия, далее следует сгенерированный удаленным модулем ответ SREAD:E627,000D6F00005C4AB7,04,00=000D6F00005C4AB7. Если удаленный модуль выключен, то приходит NACK (уведомление о том, что сообщение не дошло до модуля).

ATREMS:E627,0A? интересуется типом удаленного модуля в его регистре S0A, ответ 0000 означает, что модуль - маршрутизатор FFD. Собственно, это было видно на момент присоединения этого модуля, смотрите первое сообщение, выше.

Раздел 4.3. Меняем тип модуля


Рисунок 22. Отладочная плата



Теперь осталось назначить модуль конечным устройством, меняя содержимое регистра типа S0A, для того, чтобы он мог экономить энергию батарей, размещенных у отладочного комплекта под платой и включаемых джампером.

Если пренебречь возможностями беспроводного доступа, конечное устройство можно настраивать через USB-кабель заранее, не включая координатор и не присоединяя FFD-модуль к сети. При этом придется выяснит номер COM-порта, присвоенный Windows проводному каналу связи. В этом режиме регистры модуля читаются и перезаписываются точно так же, как и регистры координатора.

ATS0A=4000:password назначает модуль спящим устройством SED.

Если проблемы питания нас не волнуют, то можно употребить код 8000, в таком случае модуль интерпретируется как конечное устройство ZED. Что и стоит делать на первых порах. Пароль password – заводской, он хранится в отведенном для пароля регистре, его можно при желании сменить.

Менее хлопотный путь, тем не менее, связан с изменением типа модуля при помощи ресурсов сети. В таком случае модуль сначала присоединяется к беспроводной сети, выясняется его сетевой адрес E627 (например), далее меняется его тип.

ATREMS:E627,0A=4000:password назначает модуль спящим устройством SED.

Для того, чтобы новые настройки подействовали, можно для пущей верности перегрузить сеть.

Отметим, что так как при перезагрузке меняется адрес координатора (это уже не 3D84), прибегать к ней следует в крайнем случае. Самое простое, если не вдаваться в более тонкие методы, попросить координатор осуществить деструкцию сети по AT+DASSL и начать все заново по AT+EN. При этом возникнет длинная пауза, связанная с потерей конечным модулем прежней сети, и началом (по соглашению) поиска сети новой, нового хозяина. На все про все уйдет, в худшем случае, несколько минут. В момент присоединения модуля придет сообщение, причем адрес конечного модуля не изменится, но изменится его тип.

Несколько удивительно, после всего совершенного, что спящее устройство продолжает отвечать на наши запросы через координатор по радиоканалу.

На самом деле, оно условно спит: функции первых четырех таймеров конечного модуля фабрично ориентированы на организацию работы сети. Их настройки трогать не стоит. Модуль действительно спит, но между проверками запросов из сети. Во время штатных проверок он бодрствует. Иначе в памяти координатора или маршрутизатора накопятся невостребованные сообщения и со временем (довольно кратким) сеть их утратит.

Раздел 4.4. Меняем режим экономии энергии

Существует четыре режима mode 0,1,2,3 активности конечного модуля, с порядковыми номерами 1,2,3,4.

В начальном режиме конечный модуль не спит. Два последующих режима 1-й и 2-й означают разные степени экономии энергии процессором: режим полубодрствования и глубокого сна (с отключением процессора). Самый последний 3-й режим без особой на то нужды никогда не употребляется, он предназначен на активацию работы процессора со стороны внешней причины (допустим, кнопки), а не таймера.

ATREMS:E627,3A=0000 - обеспечивает режим активного питания на старте, регистр S3A содержит начальное значение регистра режима сна S39.

Режим 003 нельзя использовать, поскольку пробудить такой модуль от сна при помощи радиоканала или проводной связи, при отсутствии специально предусмотренных внешних воздействий, можно будет только при помощи аварийных мероприятий. Глупости натворить легко, этот путь никак не защищен, будьте осторожнее.

ATREMS:E627,39=0002 меняет при помощи регистра S39 текущий режим на режим максимально возможный для радиоканала.

Можно предусмотреть пробуждение от сна (в первых двух безопасных режимах 0001 и 0002) при наличии активности в канале UART - регистр S11, 9 бит. После чего по последовательному каналу (по проводной связи) можно управлять модулем также, как и по радиоканалу, например, для изменения конфигурации, режима работы и т.п. По умолчанию S11=0005, установка 1 в 9-м бите приведет к S11=205.

Внимание. Стоит обратить особое внимание, что при указании режима сна в регистрах пробуждающих модуль таймеров используется порядковый номер режима 1,2,3,4. Это связано с тем, что значение 0000 занято отключением таймера.

Раздел 4.5. Отключаем и зажигаем светодиоды

Рядом с микроконтроллером расположена пара светодиодов на выходах: PA7 - красный, PA6 - зеленый. В сброшенном состоянии выходов регистра (нулевом) они горят.


Рисунок 23. Схема отладочной платы



Ножки PC7, PC6, ... , PC0, PB7, PB6, ... , PB0, PA7, PA6, ... , PA0 образуют число в двоичном представлении, используемом для реконфигурации значений на выходах микроконтроллера с помощью регист23ра S18. Не все из них определены как выходы, и только часть снабжена светодиодами.

ATREMS:E627,18=00000040 отключает красный светодиод PA7, 00000080 - зеленый PA6, 000000С0 - оба этих светодиода.

На монтажной плате установлено еще два зеленых светодиода: LED2 связан с PС0, LED1 связан с PB6. Их тоже можно включать и выключать, переворачивая биты S18.

ATREMS:E627,18=00004000 отключает зеленый светодиод LED1, 00010000 - зеленый светодиод LED2.

Регистр S19 содержит стартовое значение регистра S18, изменение его битов приведут к изменению свечения светодиодов после отключения и включения модуля. Пара соседних регистров S16-S17 служат для назначения и инициализации конфигурации входов-выходов микроконтроллера на старте, по умолчанию S17=000142CC. Функционально часть светодиодов служит, отражая подачу питания на плату, часть связана с некоторыми фабрично заложенными реакциями. В режиме сна для экономии батарей их стоит отключить все.

Раздел 4.6. Считываем значения датчиков

Модуль ETRX3 имеет четыре аналоговых входа, ETRX2 – только два. У учебного комплекта c ETRX2 питание датчиков не отключается. Температурный датчик - National Semiconductor LM61 подпаян через джампер к 9 входу: первому АЦП A/D1.

У ETRX3 сенсоры температуры и света подключены к первому и последнему (четвертому) АЦП. За активацию АЦП отвечает регистр S15: это биты с порядковыми номерами D и 11 в шестнадцатиричной системе счисления.

ATREMS:E627,15D=1 и ATREMS:E627,1511=1 активирует оба интересных нам канала АЦП.

С помощью регистра S18 на ножки сенсоров подается питание: отвечают биты 2 и 3, соответственно, тогда назначения

ATREMS:E627,182=1 и ATREMS:E627,183=1 включают сенсоры.

Стартовое значение S18 комментировалось ранее, оно содержится в регистре S19. Для экономии энергии желательно включать датчики только на время проведения измерений. Остается считать значения обоих АЦП (температуру и освещенность) из регистров S1F и S22

ATREMS:E627,1F? и ATREMS:E627,22? возвращает показания сенсоров температуры и света.

Считывать значения сенсоров в режиме сна модуля можно по инициативе координатора, поскольку благодаря первым четырем таймерам по радиоканалу модуль периодически бодрствует.

Раздел 4.7. Использование таймера

Точкой сбора данных, ульем или стоком (sink), в автоматических системах сбора данных естественно назначить координатор.

ATS104=1 взводит 4-й бит регистра S10 координатора, назначая его точкой сбора.

С помощью регистра S15 АЦП конечного модуля активированы, с помощью регистра S18 питание датчиков обеспечено. Первые четыре таймера, как отмечалось, обеспечивают функционирование сети. У микроконтроллера их восемь. Программируются они назначением периода, причем значение 0004 отвечает 1 секунде.

ATREMS:E627,31=0008 задает в регистре S31 период 2 секунды первого свободного таймера (пятого).

Для того, чтобы просыпание микросхемы от этого таймера имело смысл, в соседнем регистре S32 задается функция из перечня функций. Например, функция за номером 0110 вынуждает передать на приемник (точку стока) данные с первых двух АЦП. Для того, чтобы перезапустить таймер, надо взвести старший знаковый разряд, выйдет 8110.

ATREMS:E627,32=8110 обеспечивает циклическую передачу данных от первых двух АЦП в точку сбора данных, улей.

В версии прошивки модуля R304 появилась функциональность 0130, позволяющая отправлять результаты измерений любых активных каналов АЦП. Заметим, что без этого новшества данные датчика света не считать в автоматическом режиме, по таймеру.

Автоматический режим имеет тот недостаток, что обязывает компьютер с координатором ожидать и регистрировать приходящие сообщения, притом питание сенсоров представляет собой отдельную заботу, их надо включать и выключать особо. Учитывая, что спящий модуль по радиоканалу (благодаря таймерам) бодрствует, проще опрашивать модули по инициативе компьютера.

Раздел 4.8. Передача данных

В ряде практических случаев модуль беспроводной связи может использоваться для передачи на расстояние команд на подсоединенный через UART микроконтроллер. В тестовом режиме подключим UART (ножки PB1, PB2) модуля ETRX через USB-переходник к компьютеру.

В Windows новообразованному каналу связи будет присвоен номер COM-порта, отличающийся от номера координатора. Частота обмена информацией та же самая: 19200 бод в секунду. Запустим вторую терминальную программу. Теперь мы обрели возможность отслеживать передаваемую информацию в канале связи: не только факт передачи, но и факт приема.

AT+UCAST:E627=Hello передает через координатор адресованную модулю E627 текстовую информацию "Hello". На выходе UART фиксируется прием сообщения в формате UCAST:000D6F000026C5A9,05=Hello.

Принимаемое модулем частное сообщение (unicast) от 000D6F000026C5A9 (идентификатор координатора) содержит, помимо прочего, количество символов 5 передаваемого текста и сам текст "Hello".

Данные можно передавать более широковещательно, безадресно (broadcast).

AT+BCAST:00,Hello передает через координатор сообщение безадресно (режим 00). На выходе UART фиксируется прием сообщения в формате BCAST:000D6F000026C5A9,05=Hello.

Существуют более гибкие методы адресации, когда адрес уточняется обращением к справочной таблице адресов (косвенная адресация MultiCast). Потребность в них возникает при увеличении размера сети, ведущего к увеличению трафика.

AT+DMODE:E627 переводит модуль в режим последовательной передачи данных, при котором приемный модуль принимает (без отклика о доставке) любые переданные в канал данных сообщения, скажем, Hello.

+++ закрытие канала передачи данных на обеих сторонах помечается сообщением CLOSED.

Глава 5. Справочная информация

5.1. Топология сети

В таблице 1 приведен обзор устройств типа ZigBee, упомянутых в настоящем документе.

Таблица 1: Обзор устройств

Тип устройства Наименование ZigBee наименование
COOКоординаторZigBee Coordinator координатор (ZC)
FFDМаршрутизаторZigBee Router (ZR)
ZEDКонечное устройство (не спящее)ZigBee End Device (ZED)
SEDСпящее конечное устройствоZigBee End Device (ZED)
MEDМобильное конечное устройствоZigBee End Device (ZED)


Наименования "полно-функциональное устройство" (FFD) и "редуцированное устройство" (RFD) устарели, хотя эти аббревиатуры встречаются в технических описаниях. Каждый координатор или маршрутизатор (роутер) может поддерживать до 16 или 32 (ETRX3) оконечных спящих или мобильных устройств. Мобильное устройство исчезает из сети ввиду перемещения его, в остальном оно сходно со спящим. В состояние низкого энергопотребления вводятся только спящие конечные модули, координатор и маршрутизаторы поддерживают связность такой сети. Сообщения конечных устройств не буферизируются, отсылаются в сеть немедленно.

Сеть состоит из координатора (ZC), который создает сеть, маршрутизаторов-роутеров (ZR) и конечных устройств (ZED). Координатор совмещает в себе функции маршрутизатора, каждый маршрутизатор поддерживает до 16-ти конечных устройств (32 на ETRX3 серии) в любом сочетании спящих и мобильных (подвижных), (рис.24). Подвижное устройство исчезает из поля зрения маршрутизатора не по причине сна, а вследствие своего перемещения. По умолчанию модуль присоединяется к PAN как маршрутизатор, но изменением содержимого S0A его можно сделать конечным устройством. Невозможно сменить роль координатора или траст центра.


Рисунок 24. Топология сети





В соответствии с ZigBee PRO стандартом доступна сеточная, но не древовидная структура. Структура типичной сети ZigBee показана на рисунке. Она включает три типа узлов: координатор, маршрутизаторы и конечные узлы (спящие и мобильные). Уникальной функцией координатора является задача образования сети, которая заключается в сканировании эфира и выборе наименее загруженного частотного канала. Маршрутизаторы в простейшем случае должны иметь стационарное питание и стационарное положение в пространстве. Они ретранслируют пакеты данных от других узлов и сами могут быть источниками информации.

Важной особенностью технологии ZigBee для систем коммерческого учета является возможность защиты передаваемых данных. Шифрование данных осуществляется при помощи алгоритма AES-128 c симметричным ключом, как во время передачи данных в сети, так и во время ее образования. Предварительное занесение ключей шифрования во все узлы позволяет, с одной стороны, не допустить в сеть посторонние устройства и подменить передаваемые данные, а с другой стороны – делает невозможной расшифровку информации, полученной путем прослушивания эфира.

Конечные узлы не ретранслируют сообщений и поэтому могут переходить в режимы пониженного энергопотребления, что дает им возможность функционировать от батарей до нескольких лет. Конечные узлы общаются со всей сетью через свой «родительский» маршрутизатор. Выбор «родителя» осуществляется автоматически во время образования сети. Если впоследствии «родительский» узел по каким-либо причинам перестанет функционировать, «дочерний» конечный узел найдет себе другой «родительский» маршрутизатор. Для передачи сообщения сеть автоматически находит наиболее короткий маршрут с удовлетворительным качеством связи в обоих направлениях. Если с течением времени какой-либо из маршрутизаторов выходит из строя, то сеть автоматически осуществляет поиск нового оптимального маршрута.

Способность находить оптимальный маршрут и функционировать при выходе из строя отдельных узлов, малое энергопотребление, возможность защиты информации – важнейшие достоинства ZigBee-сети, позволяющие построить недорогую и надежную систему сбора данных с конечными устройствами, питающимися от батарей.

5.2. АТ-стиль команд

Для упрощения общения с модулями используется текстовой AT-стиль команд, похожий на стандартный Hayes-язык управления модемами.

Каждой команде должно предшествовать "AT" префиксе. Любые иные данные не принимаются или вызывают сообщение об ошибке. Команды не могут быть объединены в группу: последовательности AT команд в одну строку не поддерживаются. Команда завершается кодом перевода каретки CR. Команде следуют: необязательный ответ, который включает в себя CR-LF-отклик-CR-LF, в том же формате идет сообщение об ошибке или совет (promt).

Пример чтения нулевого регистра S00:

ATS00? CR
CR LF FFFF CR LF
CR LF ОК CR LF

Далее, для простоты, будем опускать коды CR и LF. Перед подачей следующей команды рекомендуется подождать финальное "OK" или "ОШИБКА: XX". Изменением содержимого регистров S0E или S0F можно отключить информационное сопровождение операций, снижая трафик сети.

У ETRX2 размер самой длинной команды диктует 128-байтовый FIFO-буфер входящих символов. Существуют меры для предотвращения переполнения буфера входной последовательности, этот режим контролируется регистром S12.

Сток (улей, слив, sink) - особенность Telegesis-модулей. Когда узел определяется как сток установкой 4-го бита регистра S10, его адрес транслируется остальной части сети. Другие узлы могут отправлять сообщения на сток-узел с помощью AT + SCAST или различных встроенных функций. Это упрощает разработку прикладного программного обеспечения, поскольку нет нужды знать EUI64-адрес стока заранее. Устройства узнают о стоке, когда (1) они получают регулярные трансляции из стока (2) их принуждают послать запрос на адрес стока установкой бита 8 регистра S10 (первое сообщение в сток теряется) (3) используется AT + SSINK команда. Чтобы уменьшить трафик к конечным устройствам, в работе они не получают рекламные трансляции стока, а информируются об адресе стока на момент присоединения к PAN. В противном случае необходимо установить бит 8 регистра S10 на конечном устройстве.

5.3. Общая информация об ETRX-модулях

Миниатюрные ETRX-модули могут быть встроены практически в любое техническое устройство. Они имеют низкую стоимость и низкое энергопотребление. Основываются на лидирующем в отрасли EmberZNet ZigBee-стеке. Интеграция в широкий спектр приложений облегчена современным дизайном и простым стилем текстовых AT-команд управления. Сколь-нибудь серьезный опыт работы с модулями не требуется. Интеграция Telegesis ZigBee модулей существенно сокращает выход продукции на рынок. Стоит отметить, что хотя текстовые АТ-команды действительно весьма востребованы потребностью производства в уменьшении времени разработки новых устройств, ничто не мешает опытному специалисту, использующему технологии фирмы Ember, задать свою собственную версию прошивки. Прошивка R3XX была протестирована и сертифицирована для MSP (производителя определенного профиля) согласно требованиям и тестам ZigBee Альянса. Данная сертификация гарантирует, что:

- Модули под управлением Telegesis AT-команд не будут вмешиваться (нанося вред) в уже существующие ZigBee-сети.
- Модули под управлением Telegesis AT-команд могут присоединяться к маршрутизаторам сторонней ZigBee PRO сети.
- Модули под управлением Telegesis AT-команд могут давать использовать свои возможности маршрутизации.

Для того, чтобы использовать термин ZigBee или логотип ZigBee в документации по продукту, необходимо быт членом альянса ZigBee в год выпуска продукции и придерживаться общего профиля приложения. Можно обращаться в фирму Telegesis для дополнительной информации о сертификации.

АТ-команды ETRX2 и ETRX3 модулей серии ZigBee PRO комментируемой ниже прошивки R304 несколько отличаются (незначительно) от команд прошивок предыдущих серий. Стандарт R3XX не соотносим с более ранними версиями ZigBee, которые не выполняют ZigBee PRO (набор ZigBee 2007 года) соглашений. Имеет место частичная аппаратная совместимость: R3XX прошивка будет работать на серии модулей ETRX2, тогда как R2XX прошивка не будут работать на серии модулей ETRX3. Прошивку большинства модулей можно обновлять, это ETRX2USB, ETRX2, ETRX2-PA, ETRX2HR, ETRX2HR-PA, ETRX351, ETRX357, ETRX351-LR, ETRX357-LR, ETRX351HR, ETRX357HR, ETRX351HR-LR, ETRX357HR-LR, ETRX2CF, ETRX2EAP и ETRX2RTR. У ETRX2 загрузчик вызывается командой AT + BLOAD (ETRX2) или, на аппаратном уровне, заземлением контакта A/D2 – полезно убедиться, что этот вывод не заземлен во время пуска и сброса (по Reset). По аналогии, у ETRX3 загрузчик программы инициируется заземлением вывода PA5: с ним стоит быть осторожней.

Устройство, присоединившееся к сети (координатор, маршрутизатор или конечное устройство) сохраняет параметры, даже если оно временно выключено. Оно является участником своей первоначальной PAN-сети, предполагая (при включении), что PAN по-прежнему существует. При этом не стоит забывать, что у конечного устройства есть объективные потребности обновления S-регистров сбросом их к начальным значениям для смены режима сна, например, или поиска "новых родителей", если оно зевнуло смену сетевого ключа.

Таблица 2: Типы AT команд

ATXXX?Команды чтения параметров c "?".
ATXXX=[…]Команды записи параметров включают знак "=".
ATXXXПрочие команды управления модулем.


Когда бит 7 регистра S12 установлен в 1, каждый ответ или приглашение (совет) начинается с STX и заканчивается ETX, что упрощает их поиск и интерпретацию обрабатывающим команды процессором.

Каждый параметр должен быть введен в формате, отвечающем стилю написания AT-команды. Необязательные параметры ниже помечаются квадратными скобками [...].

Таблица 3: Различные форматы параметров

nЧисла от 0-9
sЗнаки
bБиты (0 or 1)
cСимволы
dataДанные
channelДесятичный канал (IEEE 802.15.4 канал 11-26)
password8-символьный пароль
XXШестнадцатеричное число имеет цифры 0-9, a-f или A-F (8 бит)
XXXXШестнадцатеричное число имеет цифры 0-9, a-f или A-F (16 бит)
PIDШестнадцатеричный идентификатор PAN ID (0000 to FFFF)
EPIDШестнадцатеричное расширенный PAN ID (64 бит)
EUI6464-битный шестнадцатиричный адрес
ioread32-битный шестнадцатиричное число для S1A
ClusterListСписок кластерных идентификаторов
FirmwareRevisionНомер прошивки


Следующие сообщения (prompts) могут появляться во время работы ETRXn модулей. Большинство их можно отключить с помощью регистров S0E и S0F.

Таблица 4: Обзор сообщений

OKOK terminator
ERROR:XXПроизошла ошибка с номером XX
ACK:XXСообщение XX получено
NACK:XXСообщение XX не прошло
SR:XX,EUI64,NodeID,…Получено сообщение Route Record
BCAST:[EUI64,]XX=dataСообщение из XX символов получено (Broadcast)
MCAST:[EUI64,]XX=dataСообщение из XX символов получено (Multicast)
UCAST:[EUI64,]XX=dataСообщение из XX символов получено (Unicast)
SDATA:[EUI64,],ioread,A/D1,A/D2,sequenceNo,VccПришли данные АЦП A/D1 и A/D2 или ADC0 и ADC1
FN0130:[EUI64],NodeID,ioread,sequence no,
S46,[A/D1],[A/D2],[A/D3],[A/D4]
Пришли данные от активированных АЦП
COO:EUI64,NodeIDОтклик координатора
FFD:EUI64,NodeIDОтклик маршрутизатора
SED:EUI64,NodeIDОтклик конечного устройства SED
MED:EUI64,NodeIDОтклик конечного устройства MED
ZED:EUI64,NodeIDОтклик конечного устройства ZED
NEWNODE: NodeID,EUI64,Parent NodeIDПодсоединение нового модуля сети
LeftPANЛокальный модуль покинул сеть
LostPANКонечное устройство потеряло контакт с родителем
JPAN:channel,PID,EPIDЛокальный модуль присоединился к сети с заданными параметрами
SINK:EUI64,NodeIDВыбрана новая точка слива (Sink)
ADSK:EUI64,NodeIDПолучено сообщение от точки слива (Advertisement)
SREAD:NodeID,EUI64,Register,errorcode[=Data]Данные S-регистра
SWRITE:NodeID,EUI64,errorcodeОтклик на запись в S-регистр
DataMODE:NodeID,EUI64Режим передачи данных открыт удаленно
DataMODE:NodeID,EUI64,errorcodeОтклик на попытку открыть режим передачи данных
OPENРежим передачи данных открыт
CLOSEDРежим передачи данных закрыт
TRACK:EUI64 R,EUI64 S,RSSI,i/o read,
AD1,AD2,Vcc,S46
Трэк: EUI источника и получателя, RSSI, входные данные, Vcc & S46-контур источника
TRACK2:EUI64 R,EUI64 S,RSSI,I/O read,S46Трэк: EUI источника и получателя, RSSI, I/O данные, и S46-контур источника
PWRCHANGE:XXXXЛокальное устройство сменило режим питания на XXXX
AddrResp:errorcode[,NodeID,EUI64]Отклик на запрос адреса (или на поиск роутера)
RX:EUI64,NodeID,profileID,destinationEndpoint,
SourceEndpoint,clusterID,length:payload
Входящее сообщение не адресовано финальной точке AT-команды. EUI64 показывается, будучи включенным в заголовок фрейма
NM:ES REPORT WARNINGПревышен порог 16-ти энергетических посылов, потерян пакет
ENTERING BLOADТекущая загрузка инициирована другим модулем


Следующая таблица дает краткий справочник всех доступных команд.

Таблица 5: Обзор Команд

Конфигурирование и управление модулем
ATIОтобразить идентификатор продукции
ATZКоманда перезагрузки Reset
AT&FВосстановить фабричные настройки
AT+BLOADВойти в меню загрузчика
AT+CLONEКлонировать с модуля на модуль (ETRX2)
AT+PASSTHROUGHЗакачать прошивку (ETRX3)
AT+RECOVERRecover FromFailed Clone Attempt
ATSДоступ к S-регистру
ATREMSУдаленный доступ к S-регистру
ATSALLУдаленный доступ к S-регистру
AT+TOKDUMPОтобразить все S-регистры
Конфигурирование и управление сетью
AT+ESCANСканировать энергию всех каналов
AT+PANSCANСканировать неподключенные модули
AT+ENСоздать Personal Area Network (PAN)
AT+JNПрисоединиться к сети
AT+JPANПрисоединиться к выделенной сети
AT+SJNПрисоединиться молча
AT+DASSL</td>Отсоединить локальный модуль от сети
AT+DASSRОтсоединить удаленный модуль от сети (ZDO)
AT+NОтобразить информацию о сети
AT+NTABLEОтобразить Neighbour-таблицу (ZDO)
AT+RTABLEОтобразить Routing-таблицу (ZDO)
AT+IDREQЗапрос ID модуля (ZDO)
AT+EUIREQЗапрос EUI модуля (ZDO)
AT+NODEDESCЗапрос описания модуля (ZDO)
AT+POWERDESCЗапрос описания питания (ZDO)
AT+ACTEPDESCЗапрос Active Endpoint List модуля (ZDO)
AT+SIMPLEDESCЗапрос Endpoint’s Simple Descriptor модуля (ZDO)
AT+MATCHREQНайти модуль по совпадению Specific Descriptor (ZDO)
AT+ANNCEАнонсировать локальный модуль (ZDO)
AT+SRУстановить Source Route для удаленного модуля
AT+FNDSRНайти Source Route к удаленному модулю
AT+POLLЗапрос родительских данных (parent)
AT+REJOINПереприсоединить сеть
AT+SNСканировать сеть
AT+KEYUPDОбновить ключ сети (ZDO)
AT+BECOMETCНазначить trust-центр локальных модулей
AT+BECOMENMНазначить менеджер локальных модулей
AT+CCHANGEСменить канал сети
Сообщения
AT+ATABLEОтобразить таблицу адресов
AT+ASETЗаписать строку таблицы адресов
AT+MTABLEОтобразить Multicast таблицу
AT+MSETЗаписать строку Multicast таблицы
AT+BCASTПередать сообщение Broadcast
AT+BCASTBПередать бинарные данные (Broadcast)
AT+UCASTПередать сообщение Unicast
AT+UCASTBПередать бинарные данные (Unicast)
AT+SCASTПередать данные в точку слива (Sink)
AT+SCASTBПередать бинарные данные (Sink)
AT+SSINKИскать точку слива Sink
AT+MCASTПередать сообщение Multicast
AT+MCASTBПередать бинарные данные (Multicast)
AT+DMODEВойти в режим передачи данных (Serial Link Mode)
+++Покинуть режим передачи данных
AT+IDENTНастройка Remote Devboard
AT+RDATABПослать бинарные Raw Data





Таблица 6: AT команды

Выполнить команду:
ATI

Примечание: модули до 2007 года отличаются форматом вывода DeviceName.
Реакция:
Telegesis DeviceName
Firmware Revision EUI64 OK


DeviceName – код устройства, Firmware Revision – версия прошивки и EU164 - имя (идентификатор) модуля.
Выполнить команду:
ATZ
Реакция:
Перегрузка (reset)
Все не сбрасываемые (non-volatile) S-регистры сохраняют назначенные значения: если модуль был частью сети, он остается в ней
Выполнить команду:
AT&F

Реакция:
Полная перезагрузка, все не сбрасываемые (non-volatile) S-регистры приобретают фабричные значения, модуль покидает сеть, к которой он присоединился.
Команда чтения:
ATSXX[x[x]]?

Примеры:
ATS00?
ATS0AE?
ATS1812?

XX – номер считываемого S-регистра. В качестве опции разрешается добавлять номер [x] бита линейки из 16 бит, шестнадцатеричный формат [xx] применяется для 32-битовых регистров.
Реакция:
ДАННЫЕ OK
или ERROR:КОД ОШИБКИ

Модуль передает содержимое выбранного S-регистра или выдает сообщение об ошибке.

Все 16- или 32-битные регистры доступны с точностью до бита, указываемого опцией [x[x]], значение бита 0 или 1.
Команда записи:
ATSXX[x[x]]=ДАННЫЕ[,ПАРОЛЬ]

Примеры:
ATS00=3FFC
ATS0AE=1:password

Примечание: запись в некоторые S-регистры подпаролена. Пароль, по определению, "password". Некоторые регистры предназначены только для чтения, при попытке записи в них следует сообщение об ошибке. Опцией можно указывать индивидуальный бит [x[x]], имеющий значение 0 или 1.
Реакция:
OK
или ERROR:КОД ОШИБКИ

Данные записываются в S-регистр номер XX и, если разрешено, также в non-volatile память (сохраняющую значение при выключении питания). Формат данных индивидуален для каждого S-регистра и приводится в описании регистров. Опцией можно указывать индивидуальный бит [x[x]], имеющий значение 0 или 1.
Команда удаленного чтения:
ATREMS:АДРЕС,XX[X[x]]?

Примеры:
ATREMS:000D6F00000AAC93,00?
ATREMS:000D6F00000AAC93,0AE?
ATREMS:000D6F00000AAC93,1812?

АДРЕС может быть идентификатором модуля EUI64, NodeID или индексом адресной таблицы, XX – номер читаемого S-регистра. В качестве опции разрешается добавлять номер [x] бита линейки из 16 бит, шестнадцатеричный формат [xx] применяется для 32-битовых регистров, значение бита 0 или 1.
Реакция:
SEQ:XX OK
или ERROR:КОД ОШИБКИ

Модуль выдает значение удаленного S-регистра, опираясь его адрес (unicast-сообщение). Это значит, что высылается также порядковый номер сообщения (предваряется символами ACK или NACK).

Сообщение:
SREAD:NodeID,EUI64,РЕГИСТР,КОД ОШИБКИ[=ДАННЫЕ]

NodeID и EUI64 - идентификаторы удаленного модуля, РЕГИСТР – номер запрошенного регистра, КОД ОШИБКИ равен 00 (при успешном чтении) или значению, раскрывающему суть затруднений. Содержимое регистра передается только при успешном чтении.
Команда удаленной записи:
ATREMS:АДРЕС,XX[x[x]]=ДАННЫЕ[,ПАРОЛЬ]

Примеры:
ATREMS:000D6F0000012345,00=3FFC
ATREMS:000D6F0000012345,0AE=1:password

АДРЕС может быть идентификатором модуля EUI64, NodeID или индексом адресной таблицы, XX – номер читаемого S-регистра. В качестве опции разрешается добавлять номер [x] бита линейки из 16 бит, шестнадцатеричный формат [xx] применяется для 32-битовых регистров, значение бита 0 или 1.

Примечание: некоторые S-регистры требуют пароль для записи. Пароль, по умолчанию, "password". Опцией можно указывать индивидуальный бит [x[x]], имеющий значение 0 или 1.

Реакция:
SEQ:XX OK
или ERROR:КОД ОШИБКИ

Данные записываются в S-регистр номер XX и, если разрешено, также в non-volatile память (сохраняющую значение при выключении питания). Формат данных индивидуален для каждого S-регистра и приводится в описании регистров. Высылается порядковый номер сообщения (предваряется символами ACK или NACK).

Сообщение:
SWRITE:NodeID,EUI64,КОД ОШИБКИ

NodeID и EUI64 - идентификаторы удаленного модуля, КОД ОШИБКИ равен 00 (при успешной записи) или значению, раскрывающему суть затруднений.
Выполнить команду:
AT+PANSCAN

Используется: любые модули

Примечание: сканирование активных сетей может занять до 4 секунд времени.
Реакция:
+PANSCAN:КАНАЛ,PID,EPID,XX,b OK
или ERROR:КОД ОШИБКИ

Указывается список всех найденных сетей. Данный КАНАЛ содержит код выделенного канала связи, PID - идентификатор сети (PAN ID), EPID – расширенный идентификатор (extended PAN ID), XX – профиль ZigBee-стека (00 = Custom, 01 = ZigBee, 02 = ZigBee PRO) и b отражает готовность присоединить модуль (1 отвечает готовности). Модуль не присоединяется ни к одной из найденных сетей.
Выполнить команду:
AT+EN

Используется: любые не присоединившиеся к сети модули.

Примечание: выполнение этой команды приводит к назначению локального устройства координатором COO (или доверительным центром – Trust Centre), на организацию сети тратится до 16 секунд. Команда выполняется только на модуле, еще не ставшем частью сети.
Реакция:
JPAN:КАНАЛ,PID,EPID OK
или ERROR:КОД ОШИБКИ

Локальный модуль становится координатором и определяет энергетические уровни каналов, указанных в S00. Затем образует сеть PAN с оригинальным PAN ID и расширенным extended PAN ID идентификаторами на наиболее спокойном канале. Если PAN ID и/или extended PAN ID указаны в S02 или S03, они используются вместо случайно назначаемых, если они ранее не засветились в прочих сетях.
Выполнить команду:
AT+DASSL

Используется: на всех устройствах

Примечание: осторожнее с координатором, иначе дезорганизуем сеть PAN.
Реакция:
OK или ERROR: КОД ОШИБКИ

Сообщение: LeftPAN

Вынуждает устройство покинуть сеть PAN.
Команда чтения:
AT+N?

Используется: на всех устройствах

Реакция:
+N=ТИП,КАНАЛ,ЭНЕРГИЯ,PID,EPID
или +N=NoPAN затем следует OK

ТИП отвечает функциональности модуля (COO, FFD, ZED, SED, MED), ЭНЕРГИЯ – выходной энергетический отклик модуля в дБм, КАНАЛ отвечает IEEE 802.15.4 номеру радио-канала (11-26), PID – идентификатор PAN ID и EPID – расширенный идентификатор extended PAN ID.
Выполнить команду:
AT+SN[:nn]

Сканирование nn звеньев (hops) цепочки присоединенных модулей. Если nn = 01, тогда выдаются только прямые соседи, значение nn = 00 отвечает всей сети.

Используется: COO, SINK

Примечание: по умолчанию длина цепочки nn=30. Команда имеет смысл только для координатора COO или стока (sink)
Реакция:
OK или ERROR:КОД ОШИБКИ

Сообщения:
FFD:EUI64,NodeID [,syy,zz]
MED:EUI64,NodeID [,syy,zz]
SED:EUI64,NodeID [,syy,zz]
ZED:EUI64,NodeID [,syy,zz]


Параметры: nn ранжируется 00 до 30.

Если бит C регистра S10 установлен, то передается RSSI-уровень (syy в дБм) и LQI (шестнадцатеричное zz) последнего звена. Источники сообщений тоже отображаются.
Выполнить команду:
AT+BCAST:nn,ДАННЫЕ

Example:
AT+BCAST:00,Hello world

Используется: на всех устройствах

Примечание: безадресные broadcast-сообщения не экономны! Спецификация ZigBee разрешает любому модулю ретранслировать до 8 таких сообщений в течении каждых 8-ми секунд.
Реакция:
OK или ERROR:КОД ОШИБКИ

Параметры: nn ранжируется от 00 до 30.

Передается максимум до 82 байт (с адресом EUI только 74 байт). Отклик OK отвечает успешному посылу, что не гарантирует прием сообщения на приемной стороне. Чтобы гарантированно передать данные конкретному модулю, используйте адресные unicast-сообщения. Только nn-звеньев в цепочке модулей получат сообщение. Случай nn = 01 отвечает рассылке соседям, вариант n = 00 рассчитан на всю сеть (максимум до 30 звеньев).

Сообщение:
BCAST:[EUI64,]ДЛИНА=ДАННЫЕ

Каждый модуль PAN, получающий широковещательное broadcast-сообщение, получит адрес источника EUI64, ДЛИНУ сообщения и пересланные ДАННЫЕ. Адрес EUI64 отображается, если разрешено присоединять такие заголовки (бит 0 регистра S10 не разрешает рассылку EUI64).
Выполнить команду:
AT+UCAST:АДРЕС=ДАННЫЕ

Example:
AT+UCAST:000D6F0000012345,Hello

Используется: на всех устройствах

Примечание: адресное сообщение (unicast) использует идентификатор EUI64, NodeID или индекс адресной таблицы приемника. Передается до 82 байт, срезанных на 8 байт расширенного идентификатора заголовка сети EUI (по умолчанию) и еще на 2 байта на звено в случае предвычисления источника. Последнее обстоятельство трудно учитывается, при том, что его нельзя вполне игнорировать.

Реакция:
SEQ:XX OK
или ERROR:КОД ОШИБКИ

Уведомление:
ACK:XX или NACK:XX

Сообщение длиной до 82 байт распространяется вдоль цепочки длиной до 30 звеньев (hops). Успешный прием помечается номером сообщения и "OK", помимо того генерируется уведомление "ACK" или "NACK", если сообщение не воспринято. NACK не связан с фактом утраты сообщения в сети, это информация о его неприятии конечным модулем.

Сообщение:
UCAST:[EUI64,]ДЛИНА=ДАННЫЕ

EUI64 – адрес источника, ДЛИНА сообщения задается шестадцатиричным числом. Адрес EUI64 отображается только, если он присутствует в заголовке (бит 0 регистра S10 не разрешает присоединять адрес EUI64 к исходящему сообщению).
Выполнить команду:
AT+SCAST:ДАННЫЕ

Example:
AT+SCAST:Hello world

Используется: на всех устройствах

Примечание: если бит 8 регистра S10 установлен и сток (sink) не откликается на три последовательные трансмиссии, он полагается недостижимым (и новый ищется). Уведомления ACK и/или NACK могут быть дезактивированы регистром S0E. Адрес EU164 укорачивает длину сообщения до 74 байт: максимальная длина сообщения в 82 байта сокращается 8-ю байтами расширенного EUI заголовка (по умолчанию) и 2 байтами на звено в случае предвычисления источника. Последнее обстоятельство трудно учитывается, при том, что его нельзя вполне игнорировать.

Реакция:
SEQ:XX OK или ERROR: КОД ОШИБКИ

Уведомление:
ACK:XX или NACK:XX

Параметры: до 82 байт передаются на сток (sink). Сообщению присваивается номер и "OK". Успешный прием помечается номером сообщения и "OK", помимо того генерируется уведомление "ACK" или "NACK", если сообщение не воспринято. NACK не связан с фактом утраты сообщения в сети, это информация о его неприятии конечным модулем.

Сообщение:
UCAST:[EUI64,]ДЛИНА=ДАННЫЕ

EUI64 – адрес источника, ДЛИНА сообщения задается шестнадцатеричным числом. Адрес EUI64 отображается только, если он присутствует в заголовке (бит 0 регистра S10 не разрешает присоединять адрес EUI64 к исходящему сообщению).
Команда чтения:
AT+SSINK

Поиск стока (sink) в сети рассылкой безадресных сообщений (broadcast), вынуждающие все точки стока отвечать. По умолчанию, если сток уже известен и не нашлось более выгодной точки, никаких сообщений не генерится. Индекс заранее известной точки стока в таблице адресов равен 05.

Используется: на всех устройствах
Реакция:
OK или ERROR: КОД ОШИБКИ

Сообщение:
SINK:EUI64,NodeID или ADSK:EUI64,NodeID

Выполнить команду:
AT+DMODE:АДРЕС

Где АДРЕС-ом могут быть EUI64, NodeID или индекс таблицы адресов.

Используется: на всех устройствах

Примечание: переход в режим последовательной передачи данных на конечные устройства, скорость зависит от их настроек. В этом режиме отклики сети отключены. Отмечаются идентификаторы удаленного устройства по DataMODE:NodeID,EUI64 OPEN.

Реакция:
SEQ:XX OK
или ERROR:КОД ОШИБКИ

Сообщение: ACK:XX или NACK:XX

Сообщение: DataMODE:NodeID,EUI64,КОД ОШИБКИ [OPEN]

Система переходит в режим передачи данных при нулевом коде ошибки.
Выполнить команду:
+++

Сигнал покинуть режим передачи данных +++ должен следовать не ранее 500 мс после приема последнего символа последнего сообщения. Если сообщение содержит +++, то режим передачи данных гарантированно сохранится, если между +++ и предыдущим переданным символом прошло менее 250 мс.

Используется: на всех устройствах
Реакция:
CLOSED




Таблица 7: S-регистры

SXXОбзор S-регистровЛокальный R/WУдаленный R/W
S00Маска канала(•/•)(•/•)
S01Уровень энергии передачи(•/•)(•/•)
S02Предпочитаемый PAN ID(•/•)(•/•)
S03Предпочитаемый расширенный PAN ID(•/•)(•/•)
S04Локальный EUI(•/–)(•/–)
S05Локальный NodeID(•/–)(•/–)
S06Родительский EUI(•/–)(•/–)
S07Родительский NodeID(•/–)(•/–)
S08Ключ сети Network Key(∼/•)(∼/•)
S09Ключ связи Link Key(∼/•)(∼/•)
S0AОсновная функция(•/•)(•/•)
S0BСчитываемое пользователем имя(•/•)(•/•)
S0CПароль password(•/•)(•/•)
S0DИнформация об устройстве(•/∼)(•/∼)
S0EАктивация сообщений 1(•/•)(•/•)
S0FАктивация сообщений 2(•/•)(•/•)
S10Расширенная функция(•/•)(•/•)
S11Специфика устройства(•/•)(•/•)
S12Настройка UART(•/•)(•/•)
S13Возможность Pull-up(•/•)(•/•)
S14Возможность Pull-down(•/•)(•/•)
S15Конфигурация входов-выходов I/O(•/•)(•/•)
S16Направление I/O Port (volatile)(•/•)(•/•)
S17Начальное значение S16(•/•)(•/•)
S18Буфер порта выходов I/O (volatile)(•/•)(•/•)
S19Начальное значение S18(•/•)(•/•)
S1AБуфер порта входов I/O (volatile)(•/∼)(•/∼)
S1BСпециальная функция Pin 1 (volatile)(•/•)(•/•)
S1CНачальное значение S1B(•/•)(•/•)
S1DСпециальная функция Pin 2 (volatile)(•/•)(•/•)
S1EНачальное значение S1D(•/•)(•/•)
S1FАЦП A/D1 (ETRX3: ADC0)(•/∼)(•/∼)
S20АЦП A/D2 (ETRX3: ADC1)(•/∼)(•/∼)
S21АЦП A/D3 (ETRX3: ADC2)(•/∼)(•/∼)
S22АЦП A/D4 (ETRX3: ADC3)(•/∼)(•/∼)
S23Функциональность прерывания IRQ0(•/•)(•/•)
S24Функциональность прерывания IRQ1(•/•)(•/•)
S25Функциональность прерывания IRQ2(•/•)(•/•)
S26Функциональность прерывания IRQ3(•/•)(•/•)
S27Функциональность загрузки 1 Boot-up(•/•)(•/•)
S28Функциональность при присоединении к сети(•/•)(•/•)
S29Пауза Timer/Counter 0(•/•)(•/•)
S2AФункциональность для Timer/Counter 0(•/•)(•/•)
S2BПауза Timer/Counter 1(•/•)(•/•)
S2CФункциональность для Timer/Counter 1(•/•)(•/•)
S2DПауза Timer/Counter 2(•/•)(•/•)
S2EФункциональность для Timer/Counter 2(•/•)(•/•)
S2FПауза Timer/Counter 3(•/•)(•/•)
S30Функциональность для Timer/Counter 3(•/•)(•/•)
S31Пауза Timer/Counter 4(•/•)(•/•)
S32Функциональность для Timer/Counter 4(•/•)(•/•)
S33Пауза Timer/Counter 5(•/•)(•/•)
S34Функциональность для Timer/Counter 5(•/•)(•/•)
S35Пауза Timer/Counter 6(•/•)(•/•)
S36Функциональность для Timer/Counter 6(•/•)(•/•)
S37Пауза Timer/Counter 7(•/•)(•/•)
S38Функциональность для Timer/Counter 7(•/•)(•/•)
S39Режим питания/сна (volatile)(•/•)(•/•)
S3AНачальный режим питания(•/•)(•/•)
S3BТекст стартовой функциональности A(•/•)(•/•)
S3CТекст стартовой функциональности B(•/•)(•/•)
S3DПодведенное напряжение(•/∼)(•/∼)
S3EНачало Multicast Table 00(•/•)(•/•)
S3FНачало Multicast Table 01(•/•)(•/•)
S40Источник и точки назначения xCASTs (volatile)(•/•)(•/•)
S41Начальное значение S40(•/•)(•/•)
S42Идентификатор Claster ID xCASTs (volatile)(•/•)(•/•)
S43Начальное значение S42(•/•)(•/•)
S44Идентификатор Profile ID xCASTs (volatile)(•/•)(•/•)
S45Начальное значение S44(•/•)(•/•)
S46Стартовая функциональность 32-битовое число (volatile)(•/•)(•/•)
S47Дескриптор питания(•/•)(•/•)
S48Конечная точка 2 Profile ID(•/•)(•/•)
S49Конечная точка 2 Device ID(•/•)(•/•)
S4AКонечная точка 2 Device Version(•/•)(•/•)
S4BКонечная точка 2 Input Cluster List(•/•)(•/•)
S4CКонечная точка 2 Output Cluster List(•/•)(•/•)
S4DПауза для мобильного устройства(•/•)(•/•)
S4EПауза для конечного устройства(•/•)(•/•)
S4FЗадержка MAC(•/•)(•/•)


С некоторыми исключениями S-регистры сохраняются в энергонезависимой памяти (non-volatile) и сохраняют назначенные пользователем значения до перезагрузки настроек по команде AT&F. Регистры S16, S18, S1A, S1B, S1D, S39, S40 и S42 непосредственно соединены с I/O регистрами для предохранения сбоя памяти на входах-выходах. Регистры S17, S19, S1C, S1E, S3A, S41 и S43 представляют энергонезависимые регистров, сохраняющие содержание S16, S18, S1B, S1D, S39, S40 и S42 после перепрошивки или перезагрузки по reset.

Таблица 8: S-регистры настройки

Регистр типа
S0A

Энергонезависимый (non-volatile). Перезаписываемый R/W непосредственно или удаленно. Активизируется при организации или присоединении к сети (биты F-E) и начально (биты B-0).

Пример записи:
ATS0A=XXXX:password
ATREMS:АДРЕС,0A=XXXX:password

Примечание: подпаролен
Содержание:
XXXX 16-тиричное число.

Диапазон: 0000FFFF

Биты F-E: Назначение устройства

F-E биты
0 0 Router (FFD)
1 0 End Device
0 1 Sleepy End Device
1 1 Mobile End Device

Bit D: Резервирован
Bit C: Резервирован

Bit B: Включить custom endpoint 2
Bit A: Не запрашивать Trust Centre link key
Bit 9: Не использовать Central Trust Centre
Bit 8: Использовать предконфигурационный Link Key

Bit 7: Использовать кэшированный Link Key
Bit 6: Резервирован
Bit 5: Не разрешать устройствам соединение
Bit 4: Высылать Network key (предписанный Link Key)

Bit 3: Не позволять незащищенным устройствам соединяться
Bit 2: Высылать Network key незащищенным устройствам
Bit 1: Резервирован
Bit 0: Не позволять присоединяться к сети (через)

Фабричная настройка: 0000
Функциональность модуля:
S10

Энергонезависимый (non-volatile). Перезаписываемый R/W непосредственно или удаленно (бит 8, если трансмиссии в сток редки!)
Содержание:
XXXX 16-тиричное число.

Диапазон: 0000FFFF

Bit F: Не покидать режим передачи данных (при потере связи)
Bit E: Не входить в режим передачи данных
Bit D: Концентратор High RAM вместо Low RAM
Bit C: Отражать RSSI и LQI последнего звена для AT+SN или AT+ANNCE
Bit B: UCASTs и SCASTs дожидаются ACK
Bit A: Дезактивировать играющие настройки при получении AT+IDENT
Bit 9: Включить задержку одного символа входных данных xCASTB.
Bit 8: Активизировать поиск стока (sink) если его нет
Bit 7: Не заменять сток на лучший (lower cost)
Bit 6: Не заменять сток sink после трех безуспешных попыток смены
Bit 5: Точка слива не должна отвечать на поисковые сигналы для нее
Bit 4: Устройство является стоком (sink)
Bit 3: Изменения S01 отражаются немедленно
Bit 2: Высылать BCAST[B]-сообщения только роутерам
Bit 1: Высылать UNICAST сообщения безадресно
Bit 0: Кадрировать посылку сообщений (frame)

Заводская установка: 0000


КОД ОШИБКИ представлен в таблице кодов.


Таблица 9: Обзор функций

0000Нет операций прерывания/таймера/цикла
0001Задать режим питания (сна) 0
0002Задать режим питания (сна) 1
0003Задать режим питания (сна) 2
0004Задать режим питания (сна) 3
... Зарезервировано
0010Конечное устройство запрашивает данные
0011Обновить Network key (рандомизировать)
0012Проверить с трех попыток наличие сети, если нет, то попытаться соединиться к иной, используя ключ сети (network key) – подцикливается с этой точки. Не для COO.
0013Проверить с трех попыток наличие сети, если нет, то попытаться соединиться к иной, используя ключ сети (network key), и при неудаче пытаться присоединиться незащищено (ключом) – подцикливается с этой точки. Не для COO.
0014Проверить с трех попыток наличие сети, если нет, то попытаться соединиться к иной, используя ключ сети (network key), и при неудаче пытаться присоединиться current link key – подцикливается с этой точки. При неудаче – в следующий раз покинуть сеть и подцикливаться с этой точки. Не для COO.
0015Неприсоединенное к сети устройство пытается присоединиться к лучшей сети.
0016Зарезервировано.
0017Разрешить соединение через локальное устройство в течение 60 секунд (если запрещено бито 0 регистра S0A).
0018Копировать локальные входы на удаленные выводы: считать локальные данные с регистра S1A и если они изменились, записать на удаленный регистр S18, чей адрес содержится в S3B.
001DВыйти из режима передачи данных (если активирован режим Data Mode).
003xПереключить входы-выходы I/O.
004xВременно притянуть вниз входы-выводы I/O в течение 250 мс.
005xУстановить входы-выходы I/O в 0.
006xУстановить входы-выходы I/O в 1.
0108The unit sends the contents of S3B to the networks sink
0109The unit sends the contents of S3C to the networks sink
0110Выслать данные с I/O, A/D1 и A/D2 или ADC0 и ADC1, V и также 8-битовый нарастающий номер счетчика в точку стока, если сток не задан, устройство начнет искать его, как только будет установлен бит 8 регистра S10.
0111То же самое, что и 0110, но (чтобы подтолкнуть внешний RC-таймер) идет импульс вверх у высокоимпедансной ножки ETRX2:I/O7 или ETRX3:PA3 в момент посыла данных.
0112Посылка трекового сообщения всем ближайшим роутерам, передающим это сообщение, и чтение RSSI-послания ближайшей точки стока.
0113То же самое, что и 0112, но (чтобы подтолкнуть внешний RC-таймер) идет импульс вверх у высокоимпедансной ножки ETRX2:I/O7 или ETRX3:PA3 в момент посыла данных.
0114То же самое, что и 0112, но трековое сообщение не включает данные АЦП для сохранения энергии в цепочке (TRACK2 Prompt)
0115То же самое, что и 0114, но (чтобы подтолкнуть внешний RC-таймер) идет импульс вверх у высокоимпедансной ножки ETRX2:I/O7 или ETRX3:PA3 в момент посыла данных.
0120Выслать содержимое S3B как RAW-передачу.
0121Выслать содержимое S3C как RAW-передачу.
0130Послать в точку стока данные I/O, и 8-битовый нарастающий номер счетчика, содержимое S46 и содержимое любых A/D [1..4], активированных через S15 (ETRX3) или S11 (ETRX2), если сток не задан, устройство начнет искать его, как только будет установлен бит 8 регистра S10.
0131То же самое, что и 0130, но (чтобы подтолкнуть внешний RC-таймер) идет импульс вверх у высокоимпедансной ножки ETRX2:I/O7 или ETRX3:PA3 в момент посыла данных.
02XXДля точки стока: разослать данные о себе вдоль цепочки модулей длиной x (max. 30 звеньев). Для координатора COO активизировать роутеры центра (Trust Centre). NB-сообщение не рассылается конечным устройствам.
0300Увеличить S46
0301Уменьшить S46
0302Очистить S46
0400Показать статус при помощи ножки ETRX2:I/O3 или ETRX3:PA7. Светодиод LED зажигается (при низком уровне на ножке) = нет соединения. Быстрое мигание = поиску PAN. Медленное мигание = соединенный с PAN. Соответствующий регистр счетчика определяет интервал обновления. Заметим: ножка I/O3/PA7 должна быть объявлена выходом.
0401Показать статус (как в случае 0400, но иной выводной ножкой) при помощи ножки ETRX2:I/O10 или ETRX3:PB7.
2000При последовательных срабатываниях содержимое соответствующего счетчика посылается в точку стока, вместе с данными входов-выходов. Заметим: для подцикливания установить S23, S24, S25 или S26 в 24XX.
2001При активации этого действия завершается командная строка, и, как только число байтов сообщения в канале последовательного порта сравняется с числом N, содержащимся в соответствующем регистре таймера/счетчика, SCAST из этих символов будет отправлен в точку стока. Заметим: это действие подцикливается по факту приема символа, N меньше 64.
2100Содержимое S3B посылается в командную строку, завершаемую символом возврата каретки. Заметим: AT-префикс не требуется!
2101Содержимое S3C посылается в командную строку, завершаемую символом возврата каретки. Заметим: AT-префикс не требуется!
24XXСтарт таймеров, отмечаемых в XX.
25XXПереключение таймеров, отмечаемых в XX.
26XXОстановка таймеров, отмечаемых в XX.
3XXXСмена порта I/O порта для LSB
4XXXИзменение направлений посыла данных у порта I/O для LSB


Таблица 10: выводы ETRX35x: по определению S17=0142CC, альтернативные установки содержит S15=00000600.

ИмяИндексНожкаS17Основная функцияАльтернативаS15
PC7174 In . . .
PC6163 In . . .
PC5152 In . Активировать TX_active ETRX357
PC41424In . . .
PC31323In . . .
PC21222In . . .
PC11126In . ADC3 (датчик света) .
PC01027OutLED . .
PB7F 28In . ADC2, PWM .
PB6E 29OutКнопка 4, LED, IRQ3ADC1 .
PB5D 30In . ADC0 (датчик температуры) .
PB4C 8 In . . .
PB3B 6 In . . .
PB2A 18In . RXD*
PB19 17Out . TXD*
PB08 25In Кнопка 3, IRQ2 . .
PA77 5 OutLED . .
PA66 16OutLED . .
PA55 15In Загрузка (Bootload) . .
PA44 14In . . .
PA33 12OutПитание датчика . .
PA22 11OutПитание датчика . .
PA11 10In Кнопка 2, IRQ1 . .
PA00 9 In Кнопка 1, IRQ0 . .







Литература

Олег Пушкарев О., бренд-менеджер, ЗАО «КОМПЭЛ» Кирпичики для построения сети ZigBee
Семенов Ю.А. (ГНЦ ИТЭФ) Журнал "Беспроводные технологии", 2006, № 1, стр. 34-38

1. Википедиа: Zigbee
2. В.Варгаузин, "Радиосети для сбора данных от сенсоров, мониторинга и управления на основе стандарта IEEE 802.15.4: RFID", 2005
3. Е.Баранова, "IEEE 802.15.4 и его программная надстройка ZigBee", 2007
М.Соколов, "Программно-аппаратное обеспечение беспроводных сетей на основе технологии ZIGBEE/802.15.4",Электронные компоненты за 2004 г., №12, стр.80-87
4. IEEE 802.15.4. Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs), 2003
IEEE Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs), 2006
IEEE Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs). Amendment 1: Add Alternate PHYs, 2007
IEEE Std 802.11, 1999 Edition (Reaff 2003), Information technology–Telecommunications and information exchange between systems–Local and metropolitan area networks–Specific requirements–Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications.
IEEE Std 802.11a-1999 (Reaff 2003), Supplement to IEEE Standard for Information technology–Telecommunications and information exchange between systems–Local and metropolitan area networks–Specific requirements–Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications–High-speed Physical Layer in the 5 GHz Band.
IEEE Std 802.11b-1999, Supplement to IEEE Standard for Information technology–Telecommunications and information exchange between systems–Local and metropolitan area networks–Specific requirements–Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications: Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band.
IEEE Std 802.11i-2004, IEEE Standard for Information technology–Telecommunications and information exchange between systems–Local and metropolitan area networks–Specific requirements–Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications–Amendment 6: Medium Access Control (MAC) Security Enhancements.
IEEE Std 802.15.1-2002, IEEE Standard for Information technology–Telecommunications and information exchange between systems–Local and metropolitan area networks–Specific requirements–Part 15.1: Wireless medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications for wireless personal area networks (WPANs).
IEEE Std 802.15.2-2003, IEEE Recommended Practice for Information technology–Telecommunications and information exchange between systems–Local and metropolitan area networks–Specific requirements–Part 15.2: Coexistence of Wireless Personal Area Networks with Other Wireless Devices Operating in Unlicensed Frequency Bands.
IEEE Std 802.15.3-2003, IEEE Standard for Information technology–Telecommunications and information exchange between systems–Local and metropolitan area networks–Specific requirements–Part 15.3: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for High Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs).

ETRX357 [СПРАВКА] ПРИМЕРЫ ЛАБОРАТОРОК СТЕНД WIKI ENG WIKI ATMEL ПУШКАРЕВ СТАНДАРТ КАРТИНКИ ЕЩЕ
ЛОСЕВ СТАТЬЯ ПО БОНЧУ ИСТОРИЯ АЭРОСТАТОВ ИСТОРИЯ РАДИО





Rambler's Top100