CC BY
29
Сенсорн нзгнвпро1йднико1й пристрой
-□ □-
Розглянуто програмш засоби для моде-лювання керуючих пристрогв безпровгдних мереж ZigBee на основi 8-бтних мжрокон-тролерiв ымейства 8051. Запропоновано методику видлагодження основних режи-мiв роботи мжроконтролера та пери-фершних пристрогв в програмному сере-довиш^ PROTEUS. Показано особливостi використання цього програмного пакету в процеы проектування керуючого пристрою на основi мшроконтролера СС2530
Ключовiслова: безпровгдна мережа, стандарт ZigBee, мжроконтролер, моделювання □-□
Рассмотрены программные средства для моделирования управляющих устройств беспроводных сетей ZigBee на основе 8-битных микроконтроллеров семейства 8051. Предложена методика отладки основных режимов работы микроконтроллера и периферийных устройств в среде PROTEUS. Показаны особенности использования этого программного пакета в процессе проектирования управляющего устройства на основе микроконтроллера СС2530
Ключевые слова: беспроводная сеть, стандарт ZigBee, микроконтролер, модели-рованш
-□ □-
УДК 535.394+539.233+541.183
моделювання керуючих пристроТв
для сенсорних безпров1дних мереж
zi д ве е
Г. I. Ба р и л о
Кандидат техшчних наук, доцент, старший викладач* 1.1. Гельжинський Кандидат техычних наук, доцент Кафедра «Безпека життeдiяльностi»** Р. I. Г р и ц и к Техычний директор ПП «АРГ»
вул. Любшська, 92, м. Львiв, УкраТна, 79054
Х. Б. I в а н ю к Астрант* Н.1. Кус
Астрант*
*Кафедра «Електронш прилади»** **Нацюнальний ушверситет «Львiвська полЬехшка» вул. Степана Бандери, 12, м. Львiв, УкраТна, 79013
1.Вступ
1снуе великий ряд практичних завдань, в яких n0Tpi6H0 контролювати значення napaMeTpiB техно-лопчних об'екпв, або простих виконавчих пристро'Тв, розмщених на вщносно невеликих вщстанях i до яких важко або небажано шдводити дротяш лiнii. Для вирiшення таких задач використовуються без-провiднi мережi побудованi на основi встановлених протоколiв обмiну iнформацii, якi дають можлившть створювати топологiчнi конфiгурацii «точка-точка» i <^рка». Одним iз перспективних напрямюв створен-ня безпровiдних мереж е використання пристроТв, якi здiйснюють обмш iнформацii вiдповiдно до протоколу 1ЕЕЕ 802.15.4 [1] (стандарт ZigBee). Це загальна на-зва набору протоколiв високого мережевого рiвня, якi використовуються для створення невеликих малопо-тужних радiопередавачiв [2].
Вказаний протокол розроблений для безпровщ-них сенсорних мереж е перспективною безпровщною технологiею з допомогою якоТ можна вирiшити задачi монiторингу та контролю. Об'еднанi в безпровщну мережу пристроТ утворюють територiально-розподi-лену систему, яка забезпечуе збiр, обробку i передачу iнформацii.
Сенсорш безпровiднi мережi стандарту ZigBee бу-дують на основi спецiалiзованих мiкроконтролерiв з радiочастотними блоками. В таких мжроконтроле-рах передбачена можливiсть тд'еднання зовнiшнiх
цифрових та аналогових сенсорiв. В режимi обмiну iнформацii мжроконтролер використовуе внутрш-ню пам'ять, яка мштить набiр керуючих програм, так званих стек протоколiв ZigBee. Гнучка архитектура мiкропроцесорноi системи та можливкть вибору топо-логii системи вид^яють безпровiднi мережi штелек-туальних сенсорiв серед iнших безпровiдних мереж i провiдних iнтерфейсiв передачi даних. Особливо коли необхщно забезпечити зв'язок мiж великою кiлькiстю з'еднаних мiж собою пристроiв.
Пiд час проектування таких систем виникае проблема у моделюванш конфiгурацii керуючого пристрою та узгодження його роботи iз зовшшшми анало-говими та цифровими сенсорами.
Для вирiшення ще'Т проблеми доцiльним е викори-стання прикладного програмного забезпечення.
2. Аналiз лiтератури
Розвиток стандарту 802.15.4 почався в 1998р., коли багато розробниюв, познайомившись з новiтнiми у той час стандартами Bluetooth i Wi-Fi, прийшли до висновку, що обидва щ стандарти були i залишаються енергетично затратними i невиправдано складними для передавання невеликих об'eмiв шформацп. Для розробки нового стандарту був утворений ZigBee Alliance, який сформував у травш 2003 року першу версж стандарту [3].
.....................................................................................................................иГ
© П. Барило, I.I. Гельжинський, Fl Грицик, Х.Б. Ьанюк, H.I. Кус, 2012
На сьогодшшнш день ринок ZigBee модулiв представлений вiдомими компанiями Freescale, Chipcon, Ember, Jennic, UBEC, Compx, Texas Instrument.
На 0CH0Bi проведеного аналiзу встановлено, що значна частина виробниюв електронно! технiки на чолi з Texas Instrument серiйно випускають ZigBee модулi побудованi на основi вiдомого мжроконтроле-ра 8051, типовим представником серед виробниюв е СС25хх.
3. Мета i задачi дослщження
Розробка методики моделювання керуючих при-CTpoÏB для сенсорних безпровiдних мереж побудова-них на основi мiкроконтролерiв типу СС25хх (Т1) в програмному середовишд PROTEUS.
4. Основна частина
На даний час icHye два шляхи реалiзацiï апарат-них ршень для сенсорних безпровiдних мереж. Перший варiант передбачае створення влаcноï плати пристрою з врахуванням рекомендацш i схем. При цьому використовуеться мжросхеми безпровiдного зв'язку, мжроконтролери та iншi радiо компоненти. Другий варiант передбачае використання готових модyлiв i модyлiв з iнтегрованими елементами радютракту та мiкропроцеcорноï системи.
В цьому випадку розробник мае можлившть ско-ротити час проектування нового пристрою i отримати високотехнолопчний продукт.
Важливе мкце в процеci проектування модyлiв зв'язку займають засоби вiдладки та програмування, яю призначенi для конфiгyрyвання пристрою, аналiзy працездатноcтi та налаштувань внутршшх вбудова-них мiкроконтролерiв [4]. Узагальнена структура ште-грованого модуля СС25хх представлена на рис. 1.
Вказаний модуль об'еднюе в одному криcталi РЧ-передавач i мiкроконтролер, зi стандартним ядром 8051. До внутршшх блокiв мiкроcхеми входять: sleep timer, timer 1, GPIO, debug interface, DMA, USART, ADC, DAC як забезпечують приймання та обробку шфор-мацп iз зовнiшнiх цифрових та аналогових cенcорiв.
Безпровiдна мережа складаеться iз певноï юлько-cтi приcтроïв з автономними елементами живлення i однieï базовоï cтанцiï, яка з'еднана з ПК i мае стандар-тне живлення. Функщя закiнчених вyзлiв полягае в перiодичномy опитyваннi тд'еднаних до них cенcорiв
i передавання результапв вимiрювання базовiй стан-цп, яка, вiдповiдно, передае ix на ПК по штерфейсу USB для вщображення i аналiзу.
Основними вимогами при проектуванш сенсорних мереж е точшсть перетворення сигналiв первинних сенсорiв, можливiсть конфiгурацii системи для роботи з сенсорами рiзниx типiв, надшшсть та достовiрнiсть передано! iнформацii, завадостшюсть, тривалий строк служби вiд автономних джерел живлення.
Типова структурна схема пристрою керування наведена на рис. 2 [2]. Вхвдш сигнали первинних сенсо-рiв надходять на аналоговi або цифровi порти вводу мжроконтролера, який здiйснюе обробку. зпдно алгоритму закладеному у вбудованш пам'ятi (ППЗП). Результати обробки через РЧ передавач/приймач пе-редаються для ретрансляцп в центральний пристрiй системи - маршрутизатор. Цифровi порти виводу мжроконтролера використовуються для керування живленням первинних сенсорiв в режимi низького енергоспоживання.
Рис. 1. Узагальнена арх^ектура ZigBee модуля СС2530
_Блок сенсор1в _
Рис. 2. Структурна схема пристрою керування
Сенсорн нзгнвпро1йднико1й rpucTpoi
mi;
Рис. 3. Фрагмент електричноТ принциповоТ схеми
Для моделювання та вщлагодження роботи пристрою побудованого на основ1 мжросхеми СС25хх запропоновано використовувати програмне середо-вище PROTEUS [5]. Вказаний програмний продукт дозволяе створювати принципов! електричш схеми та здшснювати симулящю ix роботи в реальному чаа та проектувати друковаш плати. Передбачена можлившть покрокового режиму вщлагодження Mi-кроконтролера, який забезпечуе здшснення необхщ-них налаштувань з мiнiмальними затратами часу та техшчних ресурсiв.
Для вщлагодження електронного модуля побудованого на основi СС2530 створено модель ще'1 мжрос-хеми в середовищi PROTEUS, зображення фрагменту схеми електричноi принциповоi на рис. 3.
Використовуючи дане програмне середовище роз-роблено маршрутизатор та кiнцевий пристрiй сенсорноi мережь Для налаштування конфiгурацii та внутршньо-го програмного забезпечення використано вiдладчик, який вiдображаe роботу процесора в реальному чась Фрагмент процесу налаштування Mi-кропроцесора зображено на рис. 4.
Вказане програмне забез-печення дозволяе здшсню-вати трасування друкованих плат, а тому е дощльним для проектування вбудованих приймально-передавальних антен. ^iM того, е можливiсть
здшснити розробку пристрою з дотриманням вимог, щодо впливiв високочастотних сиг-налiв.
Проведено практичну реа-лiзацiю пристро1в управлiння безпровiдноi мережi згiдно за-пропонованих методiв моде-лювання.
Використаннярозробленоi модель мiкросхеми СС2530, дозволяе значно спростити процес проектування керу-ючих блокiв для сенсорних мереж [6]. Розроблена модель забезпечуе вщтворення в«х режимiв роботи внутршшх компонентiв мiкроконтроле-ра.
В процесi практичноi реа-лiзацii пристроiв управлiння безпровiдноi мережi еколопч-ного монiторингу важливою задачею е вибiр емностi дже-рела живлення. Для вказаних модулiв СС2530 iмпульсний струм споживання складае 40 мА при середнiй напрузi живлення 2.6 В, а тривалкть передачi близько 100 мс.
Середнш струм споживання пристрою визначаеть-ся для кожного iз режимiв за наведеною формулою:
U = I X t
t„.
де - час споживання струму в активному режи-
час споживання струму в режимi очжуван-
Рис. 4. Фрагмент процесу налаштування мкропроцесора
t
ня.
Шсля визначення середнього струму споживання, можна за наступною формулою визначити емшсть потрiбну для живлення пристрою протягом заданого часу роботи:
Q = !сер Х tpo6 ,
де Q - eмнiсть батаре! [Агод],
1сер - середнiй струм споживання [А];
tp^ - час роботи пристрою в автономному режимi [год].
При цьому слщ врахувати, що в pежимi пеpедачi пpистpiй працюе в iмпульсному pежимi i необхщно за-безпечити вiдповiдну енеpгiю для цього режиму Епер. У випадку, коли батарея не може вщдати таку енерпю використовуемо додаткову емшсть.
В iмпульсному pежимi енеpгiя споживання буде доpiвнювати:
E = P х tÍMn,
де P - потужшсть споживання [Вт];
^мп - час iмпульсу [год].
Коли Епер > Еак використовуемо додаткову емшсть яку можна розрахувати за формулою:
2F
с=VF2- [мФ]
де Е - енерпя споживання [Дж]; V - спад напруги на елементах при максимальному навантаженш (3В-2.2В)=0.8 В.
За вказаною методикою пiдiбрано eмнiсть батареТ та eмнiсть додаткового конденсатора.
В системах еколопчного монiторингу використанi лiтieвi елементи типу CR2032, який забезпечуе роботу протягом року.
5. Висновки
Для моделювання керуючих пристро1в управлш-ня безпровщних сенсорних мереж запропоновано ви-користовувати програмне середовище PROTEUS, яке дозволяе здiйснювати вiд лагодження внутрiшнього програмного забезпечення та налаштування роботи мжроконтролера.
Показано практичну реалiзацiю пристрою для системи еколопчного мониторингу та наведено ме-тоди розрахунку джерела живлення для автономно! роботи.
Лiтература
1. Варгаузин, В. Радиосети для сбора даннях от сенсоров, мониторинга и управления на основе стандарта IEEE 802.15.4 [Текст] / Варгаузин В. // ТелеМультиМедиа. - 2005. - №6. - С.23-27.
2. Незнамов, Ю. Перспективы использования беспроводных ZigBee-интерфейсов в электроприводе [Текст] / Незнамов Ю., Козаченко В.// Электронные компоненты.- 2008. - №11.- С. 17-24.
3. ZigBee Alliance. ZigBee Specification [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://www.zigbee.org.
4. Килочек, Д. Проектирование на программируемых системах на кристалле PSoC [Текст] / Килочек Д. // Компоненты и технологии. - 2006. - №4. - С.78-88.
5. Максимов, А. Моделирование устройств на микроконтроллерах с помощью программы ISIS из пакета PROTEUS VSM [Текст] / Максимов А. //Радио.-2005.-№4, 5, 6.-С.30-32.
6. Павел Ильин СС2530 - новый ZigBee трансивер для широкого спектра приминений/ Павел Ильин, Олег Пушкарев // Компоненты и технологи. - 2009. - №10. - С.98-100.
Abstract
The article concerns the peculiarities of the design of the control devices of the wireless sensor networks based on the IEEE 802.15.4 standard, which are widely used in the control systems of technological processes and monitoring of various objects. The networks of such systems are based on the standardized radio modules of ZigBee technology with the integrated microprocessor software. To optimize the design process of such devices it is reasonable to use the appropriate software debugging tools.
A method of the debugging of the control devices built on microcontrollers SS25hh (Texas Instrument) using Proteus software environment was suggested. In this environment, a working model of the device was designed. The device can operate in a mode of a router or a final device and transfer the information from primary sensors. A modeling of the measurement process of the analog and digital input signals, coming from sensory transducers, was carried out. An algorithm for setting the controller for the operation of the environmental monitoring system was presented. The debugging procedure of the internal software of the microcontroller was shown to provide the basic modes of the processes of transfer and information exchange.
A possibility of designing of the printed circuit boards with a built-in antenna for the radio path as part of the environmental monitoring system was presented
Keywords: wireless network, ZigBee standard, microcontroller, modeling
