Systemy łączności bezprzewodowej (część 2)

W tej części artykułu omówimy kolejne systemy łączności bezprzewodowej – MiWi rozwijany przez Microchip oraz LoRaWAN

 Zachęcamy także do przeczytania pierwszej części artykułu, który znajduje się na stronie Systemy łączności bezprzewodowej (część 1)

Microchip MiWi

Microchip również ma w swojej ofercie ciekawy system połączenia bezprzewodowego nazwany MiWi, obejmujący kompletne rozwiązania sprzętowe i programowe. Częścią radiową pierwotnie zajmowały się dedykowane moduły współpracujące ze standardowymi mikrokontrolerami PIC z różnych rodzin i o wydajności zależnych od wymagań aplikacji. Jednak od 2018 roku firma zamroziła rozwój oprogramowania MiWi dla mikrokontrolerów PIC, a skupiła się na rozwiązaniu opracowanym przez przejętą firmę Atmel ze specjalnymi “radiowymi” mikrokontrolerami Microchip SAMR30 (Sub-GHz) i SAMR21 (2,4 GHz).

Microchip MiWi opiera się na radiowym standardzie IEEE 802.15.4, opisującym sieci WPAN przeznaczonym dla sieci bezprzewodowych o niskiej przepływności, małym zużyciu energii i niskich kosztach. To bardzo ważny standard będący fundamentem wielu bezprzewodowych protokołów sieciowych, w tym ZigBee czy Thread.

Stos protokołu MiWi używa zmodyfikowanej warstwy MAC standardu IEEE 802.15.4 polegającej na dodaniu poleceń upraszczających proces uzgadniania połączenia. Łatwiej jest więc zaimplementować procesy łączenia i rozłączania oraz skanowanie kanałów radiowych. Jednak szereg czynności takich, jak na przykład decyzje o tym kiedy i jak skanować kanały czy wprowadzać mechanizmy oszczędzania energii, nie są zaimplementowane w protokole i trzeba je wykonać w warstwie aplikacji.

Budowa sieci MiWi

MiWi może pracować w trybach P2P (peer-to-peer) lub z wydzielonym punktem centralnym (topologia gwiazdy).

Urządzenia pracujące w sieci dzieli się na trzy rodzaje w zależności od wykonywanych funkcji:

  • Koordynator PAN (Personal Area Network Coordinator),
  • Urządzenie FFD (Full Function Device),
  • Urządzenie RFD (Reduced Function Device).

W topologii gwiazdy pokazanej na rysunku 10 koordynator PAN inicjuje wymianę danych i akceptuje połączenia przychodzące od urządzeń w sieci. Urządzenia końcowe FFD lub RFD mogą nawiązać połączenie tylko z koordynatorem PAN. W urządzeniach FFD transceiver jest zawsze włączony i urządzenia te są zasilane z sieci energetycznej. Z kolei RFD jest przeznaczony do zasilania bateryjnego i jego transceiver jest wyłączany w stanie IDLE.

Rysunek 10. Sieć MiWi w topologii gwiazdy

W topologii P2P pokazanej na rysunku 11, w odróżnieniu do sieci z topologią gwiazdy, urządzenia końcowe FFD mogą nawiązywać połączenia nie tylko z koordynatorem PAN, ale także między sobą. Można w ten sposób zbudować sieć kratową MESH.

Rysunek 11. Topologia P2P

Microchip wspiera technologię MiWi dostarczając moduły radiowe, zestawy ewaluacyjne, a także bezpłatne oprogramowanie. Biblioteki przeznaczone dla mikrokontrolerów PIC z rodzin PIC16, PIC18 i PIC24, dsPIC33, a także PIC32 obsługują moduły radiowe z transceiverami MRF24J40 (pasmo 2,4 GHz) i MRF89XA (pasmo 870 MHz). Stos protokołu wykorzystuje maszynę stanów (bez RTOS).

Moduły obsługujące sieć MiWi

Na rysunku 12 pokazano moduł trasceivera MRF89XAM8A wpierającego sprzętowo funkcje warstwy MAC. Moduł jest przeznaczony do pracy z częstotliwościami 863-870 MHz z modulacją FSK lub OOK (ASK). Maksymalna przepływność danych dla modulacji FSK wynosi 40 kbps, a dla OOK – 16 kbps. Moduł komunikuje się z mikrokontrolerami PIC za pomocą interfejsu SPI.

Rysunek 12. Moduł MRF89XAM8A pracujący w paśmie 863-870 MHz

Oprócz modułów radiowych dostępne są też kompletne moduły ewaluacyjne z mikrokontrolerem, przygotowane do uruchamianie firmowych przykładów demonstracyjnych. Jednym z nich jest zestaw DM182018 zawierający trzy płytki. Jedna z nich jest przeznaczona do pracy jako koordynator PAN, natomiast dwie pozostałe jako urządzenia końcowe. Taki zestaw pozwala na pełny test działania sieci MiWi.

Jak już wspomniałem, Microchip zarzucił rozwijanie sieci MiWi w oparciu o dedykowane moduły i firmware zapisany w pamięci mikrokontrolera rodzin PICmicro. Po przejęciu Atmela nowe wcielenia stosu MiWi pracują z mikrokontrolerami rodzin ATSAMR21 i ATSAMR30. ATSAMR21 jest rodziną mikrokontrolerów z rdzeniem Cortex-M0+, w których jednym z układów peryferyjnych jest transceiver radiowy na pasmo 2,4GHz. Układ ma też wbudowany sprzętowy układ akceleratora warstwy MAC IEEE 802.15.4, co znacząco ułatwia implementację stosu. Wystarczy dołączyć układ antenowy, żeby zbudować moduł radiowy o dużych możliwościach programowych. Stos MiWi jest tylko jedną z możliwości wykorzystania tych mikrokontrolerów. Inną opcją może być na przykład stos ZigBee.

Na rysunku 13 pokazano moduł ATSAMR21 Xplained PRO z mikrokontrolerem ATSAMR21G18A, przeznaczony miedzy innymi do testów pracy w sieci MiWi.

Rysunek 13. Moduł SAMR21 Xplained PRO

Stos MiWI dla mikrokontrolerów SAMR21 jest dostępny z poziomu środowiska Atmel Studio lub IAR Workbench.

O autorze

Absolwent Wydziału Elektroniki Politechniki Wrocławskiej, współpracownik miesięcznika Elektronika Praktyczna, autor książek o mikrokontrolerach Microchip i wyświetlaczach graficznych, wydanych nakładem Wydawnictwa BTC.
Zawodowo zajmuje się projektowaniem zaawansowanych systemów mikroprocesorowych.