МОНИТОРИНГА МИКРОКЛИМАТА ПОМЕЩЕНИЙ НА ОСНОВЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА NXP JN5148

Ускин М.С.

Магистрант, Национальный исследовательский, Томский политехнический университет

МОНИТОРИНГА МИКРОКЛИМАТА ПОМЕЩЕНИЙ НА ОСНОВЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА NXP JN5148

Аннотация

В статье рассмотрены особенности проектирования современных сенсорных сетей мониторинга микроклимата помещений, обладающих низким энергопотреблением датчиков-узлов, способных к самоорганизации и самовосстановлению, не требующих дополнительных затрат на масштабируемость системы. В основе – концепция беспроводных сенсорных сетей, а также программно-аппаратная реализация стандарта IEEE 802.15.4 и программного стека протоколов JenNet для микроконтроллера NXP JN5148. Определены требования к системе. Приведены теоретические сведения о работе устройств и конструктивные решения, удовлетворяющие требованиям и раскрывающие обоснованность выбранной программно-аппаратной платформы.

Ключевые слова: микроконтроллер JN5148, сенсорная сеть, самоорганизующаяся беспроводная сеть, мониторинг.

Uskin M.S.

Undergraduate student, National research Tomsk polytechnic university

WIRELESS SENSOR NETWORKS FOR INDOOR CLIMATE MONITORING BASED ON NXP JN5148 MICROCONTROLLER 

Abstract

The article describes the design points of modern sensor networks for indoor climate monitoring, has low power requirements of sensor nodes that are capable of self-organizing and self-healing without additional costs to the system scalability. At the core - the concept of wireless sensor networks, as well as hardware and software implementation of the standard IEEE 802.15.4 and the program protocol stack JenNet were implemented for the microcontroller NXP JN5148. The system requirements, the theoretical information about working devices and design solutions that satisfying the requirements and revealing the validity of the selected software and hardware platform are presented.

Keywords: microcontroller JN5148, sensor network, self-organizing wireless network, monitoring.

Введение

Концепция беспроводных сенсорных сетей, нашедшая применение в задачах сбора первичной информации о состоянии объектов, параметры которых существенно распределены в пространстве, получают большое распространение в последнее время.  Своевременный сбор такой информации может быть ориентирован на задачи предсказания аварийных ситуаций, мониторинга состояния, управления объектами, так как позволяет разместить датчики в необходимом и труднодоступном месте для получения наиболее точного информационного образа объекта, например, для контроля напряженно-деформированного состояния и структурной целостности строительных сооружений.

Подобные сети состоят из множества миниатюрных узлов, оснащенных маломощным приемо-передатчиком, микроконтроллером, необходимым набором сенсоров, системой питания, а также могут включать устройства пользовательского интерфейса. Обычно сенсорные узлы представляют собой однотипные устройства с определенным   набором   функций.  Все компоненты должны иметь низкое энергопотребление в рабочем и энергосберегающем режимах, низкую стоимость, малые габариты. Несмотря на малую мощность радиоканала, узлы сети могут располагаться на расстоянии нескольких километров друг от друга, так как передача данных по сети может происходить одного устройства к другому. Маршруты передачи формируются динамически таким образом, чтобы за конечное число итераций данные измерений были переданы в центральный узел, ответственный за принятие решений.

Связность беспроводной сенсорной сети формируется динамически, поэтому обеспечивается высокий уровень её гибкости. Расширение существующей сети устройств, имеющих автономное питание, не требует специальной инфраструктуры, причём топологией сети и протоколами коммуникации между узлами предопределено, что в процессе эксплуатации узлы сами организуются в коммуникационную сеть, где каждый узел решает поставленную перед ним задачу. В случае выхода из строя одного или нескольких узлов, структура сети может претерпевать структурные изменения, чтобы возобновить передачу данных [1, 2].

Все эти качества беспроводных сенсорных сетей находят применение, например, в медицине для непрерывного мониторинга здоровья пациентов, но наибольшее распространение беспроводные сенсорные сети получили в области мониторинга окружающей среды и живых существ.

Задачей статьи является определение возможных конструктивных решений и особенностей проектирования законченных устройств, обеспечивающих минимальную себестоимость и энергопотребление с применением аппаратно-программного обеспечения микроконтроллера JN5148 и стека протоколов коммуникации JenNet.  Устройство ориентировано на измерение таких параметров среды, как давление, температура и влажность, период изменения которых достаточно высок, чтобы обеспечить минимальное время активности и энергопотребление узлов работающих от автономных источников питания.

1 Особенности беспроводных сетей мониторинга

При проектировании беспроводных сенсорных систем мониторинга микроклимата необходимо обратить внимание на несколько особенностей:

1.В сенсорных узлах используются автономные источники питания. Важнейшей задачей разработки   является   снижение   энергопотребления каждого   узла, что дает   уменьшение   затрат   на   обслуживание и увеличивает время активного функционирования сети.

2.Для того, чтобы обеспечить актуальность данных измерения период обновления должен быть меньше или равен характерному минимальному периоду изменения измеряемых параметров.

3.На сеть не возлагается задача передачи сигнала между произвольными узлами – достаточно иметь возможность передавать сигнал от сенсорного узла к центральному узлу и обратно, что позволяет сделать выводы относительно характера обмена данными между узлами.

4.Появление в сети новых устройств определяется плановыми мероприятиями и происходит сравнительно редко, поэтому предполагается, что объём передаваемых данных не превысит пропускной способности сети, с другой стороны, ценится высокая степень масштабируемости и быстрого развёртывания в заданных пределах.

В соответствии с этими предположениями полагаем, что узлы сети периодически включают свои сенсоры и передатчики, снимают показания и передают их на более высокий уровень. Периодичность включения будет определятся минимальным временем в течение которого возможно существенное изменение измеряемых параметров. При этом необходимо соблюдать компромисс между минимальным периодом, ограниченным максимальной производительностью сенсорной сети, и энергопотреблением. Также, обычно устройства подразделяют по классам, так как поддержание работоспособности сети в энергетическом и вычислительном смысле является затратной задачей, что позволяет дифференцировать свойства устройств.

2 Устройство узлов сети

Различные производители электронных компонентов интегрируют на одном кристалле управляющий микроконтроллер и приёмопередатчик. Учитывая аппаратные возможности, которые соответствуют предоставляемым другими производителями и готовое программное обеспечение, реализующее все необходимые свойства беспроводной сенсорной сети выбор пал на микроконтроллера JN5148. Микроконтроллер JN5148 и стек JenNet предоставляют удобную платформу для разработки беспроводных сенсорных сетей. В основе организации стека протоколов в беспроводных сенсорных сетях лежит модель OSI [2].

Стандарт IEEE 802.15.4, аппаратно поддерживаемый микроконтроллером JN5148, определяет каким будет физический и канальный уровни. Приёмопередатчики, работающие на основе этого стандарта, используют нелицензируемые диапазоны частот. В настоящее время в Российской Федерации для этих целей выделены частоты 433,92+0,2% МГц, 868–868,2 МГц, 2400–2483.5 МГц (диапазон разделён на 16 каналов).

На одном кристалле JN5148 размещается приёмопередатчик и универсальный микроконтроллер. Вычислительное ядро построено на 32-разрядной RISC архитектуре, доступен механизм приоритетной обработки прерываний, и регулируемая тактовая частота 4-32 МГц. ОЗУ 128 кБ, ПЗУ 128 кБ, большую часть которого занимает стек протоколов, предоставляемый производителем. Функциональная схема представлена на Рис. 1. Приёмопередатчик работает на частоте 2,4 ГГц. Ток потребления в режиме передачи 18 мА, в спящем до 1 мкА.

Рис. 1 – Функциональная схема JN5148

Для сопряжения микроконтроллера с датчиками и другими аналоговыми и цифровыми устройствами доступны следующие интерфейсы:

• интерфейс JTAG для отладки;
• два порта UART;
• четырехканальный 12-разрядный АЦП,
• два 12-разрядных ЦАП;
• 2 компаратора;
• последовательный порт SPI с 5 режимами;
• двухпроводной последовательный интерфейс;
• до 21 DIO (цифровые порты ввода/вывода).

Кроме источника стабильного питания 2-3,6 В, для функционирования узла сети на основе JN5148 требуется: внешняя флэш-память, которая подключается через SPI-интерфейс, кварцевый резонатор, несколько пассивных компонентов, антенна. Флэш-память содержит пользовательский программный код, который копируется в ROM, построенном на статической RAM. Такая обвязка микроконтроллера обязательна для работы, поэтому производитель позаботился, о том, чтобы разместить все эти компоненты на отдельной печатной плате и выпускает беспроводные модули на основе этих микроконтроллеров (Рис. 2). Модули отличаются цепями приёмопередающей части, рассчитанными на разные мощности приёма и передачи. В таком случае для устройств со стационарным источником питания стоит выбирать модули высокой мощности, что убережёт от проблем с низким качеством сигнала и позволит уменьшить количество промежуточных узлов сети.

Рис. 2 - Модуль JN5148-001-M04

В связи с применением такого высокоинтегрированного модуля беспроводной связи особый интерес представляют современные цифровые датчики, работающие по 2-х проводному интерфейсу I²C, которые имеют малые электромагнитные помехи, высокую точность, линейность, долгий срок службы. В частности, для измерения параметров микроклимата могут быть использованы:

- датчик температуры и относительной влажности Sensirion SHT10. Диапазон температуры: -40…124°C, влажности: 0…100%;

- MEMS датчик давления (300…1100 гПа) Bosch BMP085. Диапазон давления: 300…1100 гПа.

Выбор I²C в качестве базового внутрисхемного интерфейса обусловлен наличием адресации, что позволяет использовать единственную периферийную шину, а также большим выбором различных компонентов под этот интерфейс. Устройство может оснащаться дополнительными датчикам, а также другими модулями, например, обеспечивающими непосредственное взаимодействие с пользователем, дисплеем и компонентами ввода пользовательской информации.

Все вышеперечисленные особенности, касаются аппаратной части устройства, однако производителем разработан, рассматриваемый в данной статье, стек протоколов верхних уровней JenNet, который использует сервисы, предоставляемые протоколами нижележащих уровней. Основная часть проектирования беспроводной сенсорной сети приходится на программный уровень и требует настройки параметров стека протоколов JenNet и написание пользовательского программного кода, обеспечивающего функциональность устройств. Такой подход производителя микроконтроллера к созданию беспроводных решений позволяет сократить уровень требований к знанию сложностей в функционировании беспроводных сенсорных сетей, что позволяет уменьшить затраты времени на создание необходимых устройств.

Беспроводная сеть состоит из 3-х классов устройств, предусмотренных протоколами беспроводной связи верхнего уровня:

1.Координатор проводит инициализацию сети, контролирует параметры каждого узла и сети в целом, определяет номер частотного канала и идентификатор сети PAN ID и задачи Network Application ID. В сети может быть только один координатор. Обычно является точкой входа в сеть через которую информация со всей сети передаётся центральному узлу. Требует наибольшее количество памяти и стационарный источник питания;

2.Маршрутизаторы решают проблему ограниченного радиуса связи между устройствами и могут выполнять функции ретрансляторов между узлами сети, расположенными далеко друг от друга. Так как маршрутизаторы выполняют служебные задачи по обеспечению работоспособности сети, то они могут работать как от автономных, так и стационарных источников питания;

3.Конечные устройства всегда являются дочерними устройствами либо координатора, либо маршрутизатора и обеспечивают сенсорную сеть данными измерения. В управлении сетью участия не принимают. Обязаны обладать низким энергопотреблением, работать автономно продолжительное время.

Так как за сетевыми устройствами закреплены конкретные задачи Требованиям к свойствам сети удовлетворяет древовидная топология, которая обеспечивает масштабируемость сети и расширение зоны покрытия, не требуя дополнительных затрат на инфраструктуру. Подобная сеть может включать в себя несколько подсетей с топологией звезда. Для координатора и маршрутизаторов JenNet накладывает ограничение в виде 10 дочерних устройств.

Рис. 3 – Топологии, поддерживаемые JenNet

Механизм адресации внутри сети основан на обмене 64-битными MAC-адресами, уникальными для каждого беспроводного модуля, которые назначаются производителем. Кроме того, для идентификации задачи решаемой сетью используется 32-битный NA (Network Application) ID, и PAN (Personal Area Network) ID для разделения сетей с разными координаторами, которые задаются разработчиком сети.

Запуск сети начинается с инициализации координатором параметров, определяющих частотный канал, PAN ID, NA ID. Далее координатор прослушивает радиоэфир на наличие узлов, готовых образовать сеть. Используя NA ID, маршрутизаторы и конечные устройства сканируют доступные каналы на наличие запущенных сетей к которым можно присоединится, если вариантов несколько, то для определения лучшего родительского узла используются следующие критерии:

1.Наиболее топологически близкое к координатору устройство.

2.Наименьшее количество дочерних устройств.

3.Наибольшая мощность сигнала.

После выбора наилучшего родительского устройства отправляется запрос на присоединение и, если решение неудовлетворительно, то процедура поиска повторяется, что отражено пунктирной линией на Рис. 3. Самовосстановление сети работает по такому же принципу.

Максимальная производительность сети т.е. допустимое количество пакетов с данными измерения, передаваемых в единицу времени, будет определятся суммарным периодом, необходимым для отработки всех компонентов системы. Максимальная скорость передачи данных внутри сети, определяемая аппаратной и программной компонентой беспроводного микроконтроллера, заявленная производителем, составляет 250 Кбит/c. Однако наибольшие временные затраты приходятся на получение данных измерения с датчиков, средний период измерения которых может варьироваться 10≤T≤100мс [4, 5]. Тогда максимальная производительность сенсорной сети будет определятся, в основном, суммарными временными параметрами датчиков и итоговым объёмом пакета с данными измерения.

Программный код, выполняемый на каждом узле, организован в виде 3-х уровней:

1.Уровень приложений содержит пользовательский код. На конечных устройствах, специфических для решаемой задачи, производится опрос датчиков, поддержание связи с родительским узлом, обработка интерфейса пользователя, выполнение служебных задач, таких как анализ состояния устройства и изменение режимов работы. Программный код маршрутизаторов и координатора этого уровня вместо опроса датчиков производит настройку и контроль режимов работы сети, используя возможности программного стека, обеспечивая надёжную доставку данных конечных устройств.

2.Уровень стека протоколов коммуникации обеспечивает алгоритмы связности сети. Он отвечает за определение структуры сети, маршрутизацию, безопасность.

3.Физический уровень в виде программного интерфейса к аппаратным ресурсам микроконтроллера и канальный уровень, обеспечивающий обмен кадрами данных между соседними устройствами. Эти уровни соответствуют стандарту IEEE 802.15.4.

Таким образом, наиболее общая часть всех узлов заключена внутри беспроводного модуля на базе JN5148, причём основная его часть, в виде аппаратно-программного обеспечения, предоставлена разработчику сети в готовом виде. Для пояснения на рис. 4 представлена функциональная схема узла конечного устройства. Приёмопередатчик и интерфейсы связи являются аппаратными узлами микроконтроллера JN5148. Для отладки программного кода через интерфейс JTAG, записи программного кода на внешний модуль флэш-памяти, а также для подключения внешних датчиков и других функционально необходимых устройств часть интерфейсов связи имеет внешние выводы. Устройство узлов координатора и маршрутизаторов будет отличаться схемотехнически отсутствием разводки интерфейсов для подключения датчиков и других функционально необеспечиваемых устройств.

Рис. 4 – Функциональная схема устройства

Шаблон проекта (JN-AN-1061) предоставляет готовую форму для быстрой разработки вариантов предполагаемых устройств. Доступны исходные коды для координатора, маршрутизатора и конечного устройства. Проект может быть модифицирован, таким образом, чтобы наиболее точно соответствовать решаемой задаче. Программирование осуществляется на языке "C" в интегрированной среде Eclipse. Все инструменты разработчика доступны в виде сборок.

Заключение

Целью работы являлось рассмотрение аппаратной платформы микроконтроллера NXP JN5148 и предоставляемого программного стека протоколов связи JenNet применительно к построению систем мониторинга микроклимата помещений. Полученные результаты позволяют сделать вывод об очевидном преимуществе в скорости и простоте разработки беспроводных сенсорных сетей на базе принятой платформы.

Литература

1. http://www.jennic.com (дата обращения 29.03.2014).
2. Еркин А. Особенности проектирования беспроводных ZigBee-сетей на базе микроконтроллеров фирмы Jennic // Беспроводные технологии. – 2010. - № 2. – С. 20-24.
3. Баскаков С. Беспроводная система мониторинга состояния строительных конструкций // Беспроводные технологии. – 2010. – № 3. – С. 52-54.
4. Datasheet SHT1x (SHT10, SHT11, SHT15). [Электронный ресурс] URL: http://www.sensirion.com/fileadmin/user_upload/customers/sensirion/ Dokumente/Humidity/Sensirion_Humidity_SHT1x_Datasheet_V5.pdf (дата обращения 27.04.2014)
5. Datasheet. BMP085. Digital Pressure Sensor [Электронный ресурс] URL: http://kr.bosch-sensortec.com/content/language3/downloads/BST-BMP085-DS000-06.pdf (дата обращения 27.04.2014).