Використання бездротових МК SimpleLink ™ для створення малопотребляющіх Thread- і Zigbee-пристроїв

1. Оптимізація кривої споживання
2. Оцінка рівня споживання: інтелектуальний джерело освітлення
3. Оцінка рівня споживання: використання вбудованого контролера датчиків
4. Висновок
5. Про компанію Texas Instruments

Наша сеть партнеров Banwar

Зниження енергоспоживання кінцевих пристроїв розумного будинку з автономним живленням, об'єднаних в мережу і працюючих в стандартах Thread- і Zigbee - нагальна задача. Відмінні можливості для цього надає бездротової мікроконтролер CC2652 - представник платформи SimpleLink ™ - розроблений і випускається компанією Texas Instruments.

Розширення функціоналу IoT-додатків в корені міняє характер нашої взаємодії з електронікою. Зараз розумні пристрої інтегровані в розподілену обчислювальну мережу. Вони завжди підключені до неї, навіть коли обробляють дії користувача, генерують або аналізують дані.

Традиційний датчик присутності не йде в порівняння за складністю з сучасним багатоцільовим датчиком, який вимірює температуру і вологість, використовує енергію сонячного світла і посилає команди управління освітленням. Лампи освітлення - ще один приклад того, як функціонал пристроїв виходить далеко за межі звичних рамок. Порівняйте колишню лампу розжарювання і сучасний світлодіодний джерело, який володіє вбудованою функцією енергозбереження і спілкується по бездротовому каналу з іншими інтелектуальними лампочками і пристроями, що знаходяться поблизу.

Такий стрибок в розширенні функціоналу вимагає підвищення обчислювальної потужності, збільшення обсягів пам'яті для зберігання даних, розвитку функцій безпеки і комунікативних можливостей. Настільки значні зміни неминуче впливають на загальний рівень споживання пристроїв. Технології та платформи IoT повинні вирішити задачу по інтеграції нових функцій в уже існуючі пристрої, а також забезпечити збереження терміну служби елементів живлення на рівні попередників.

Термін служби батареї - важлива характеристика для користувачів. Цей показник безпосередньо визначає витрати, пов'язані із заміною джерел живлення, а також - зручність використання і простоту обслуговування. Погіршення екологічної ситуації змушує регулюючі органи різних країн вводити обов'язкові вимоги до рівня споживання бездротових пристроїв, що знаходяться в режимі очікування. Отже, споживання пристроїв, підключених до бездротової мережі, необхідно жорстко контролювати.

IoT-пристрої повинні забезпечувати мінімальне споживання у всіх режимах роботи: у режимі сну, в режимі з активним бездротовим підключенням і інтенсивним обміном даними з мережею, в режимі отримання і обробки даних від вбудованих або зовнішніх датчиків.

Бездротові мікроконтролери SimpleLink CC2652 відповідають всім вимогам щодо мінімального рівня споживання для таких додатків як системи безпеки, лічильники витрати, системи моніторингу навколишнього середовища, мітки для відстеження вантажів і так далі. Вони підтримують безліч малопотребляющіх бездротових технологій, які працюють в діапазоні 2,4 ГГц (включаючи Thread і Zigbee) і входять до комплект програмного пакета SimpleLink CC26x2 Software Development Kit (SDK).

Технології Thread і Zigbee використовують мережі з комірчастою топологією для забезпечення мінімального споживання при взаємодії бездротових пристроїв. Ці технології дуже популярні в таких областях як автоматизація будинків і будівель, автоматизація виробництва, автоматизації роздрібної торгівлі та відстеження вантажів.

Мікроконтролери CC2652 виробництва компанії Texas Instruments ™ відрізняються мінімальним споживанням в сплячому і в активному режимах, а також при отриманні і обробці даних з датчиків. CC2652 розкривають потенціал протоколів Thread і Zigbee при створенні рішень, орієнтованих на облік параметрів навколишнього середовища, а також забезпечують збільшення терміну служби акумуляторів IoT-додатків.

На малюнку 1 показаний потік даних при обміні з хмарами Thread і Zigbee.

Мал. 1. Потік даних Thread і Zigbee при обміні з хмарою

Оптимізація кривої споживання

На малюнку 2 показана архітектура мережевих протоколів Thread і Zigbee.

Мал. 2. Архітектура мережевих протоколів Thread і Zigbee

Технології Thread і Zigbee використовують асинхронний режим роботи відповідно до стандарту IEEE 802.15.4, який визначає реалізацію фізичного рівня PHY і рівня MAC. Асинхронний режим найкраще підходить для пристроїв з батарейним харчуванням, у яких радіомодуль більшу частину часу відключений, і які передають дані в міру необхідності (зазвичай - коли відбувається будь-яка подія або за запитом користувача, наприклад, при натисканні на кнопку).

Відповідно до специфікації 802.15.4 пристрої, які більшу частину часу перебувають в режимі сну, називають пристроями з обмеженим функціоналом (Reduced-Function Device, RFD) або, неофіційно, кінцевими пристроями. У мережах з комірчастою топологією кінцеві пристрої взаємодіють з мережею через особливий батьківський вузол-концентратор, приймач якого завжди включений, і який виступає в якості проксі. Технології Zigbee і Thread використовують один і той же бездротової канал 802.15.4 і мають схожі мережеві функції. У разі необхідності кінцеві пристрої можуть перенаправлятися на інший концентратор, якщо з'єднання з вихідним вузлом перервано. Це пов'язано з тим, що спілкування в такій мережі відбувається тільки через батьківський вузол незалежно від місця розташування кінцевого пристрою, для якого призначений передається пакет даних.

Після того як пакет, відправлений RFD-пристроєм, буде успішно прийнятий батьківським вузлом, саме RFD-пристрій може негайно повернутися в режим очікування, незалежно від того, чи були дані доставлені до адресата. Пакет надійно передається через розподілену мережу, поки пристрій-відправник знаходиться в сплячому режимі. Таким чином, виконується оптимізація споживання кінцевих пристроїв. Їм не потрібно регулярно прокидатися для виконання рутинних операцій, таких як підтримка з'єднання або синхронізація з іншою частиною мережі. Розклад пробуджень визначається тільки потребами самого додатка.

Потік даних обробляється протягом коротких циклів пробудження. В асинхронному режимі 802.15.4 батьківські вузли буферизують дані, призначені для RFD-пристроїв, а передача цих даних здійснюється за запитом самих RFD-пристроїв. Кадри запиту в 802.15.4 дуже короткі. Отримуючи такий пакет, батьківський вузол в разі необхідності змінює в ньому всього один біт в заголовку MAC, тим самим повідомляючи, чи є дані, що чекають свого надсилання, і відправляє пакет підтвердження прийому (ACK) назад RFD-пристрою. Даний механізм забезпечує короткий обмін повідомленнями по радіоканалу і зводить до мінімуму загальну споживану потужність. Асинхронна архітектура дозволяє розробникам гнучко налаштовувати частоту опитування, тим самим забезпечуючи компромісне співвідношення між строком служби акумулятора і часом доставки даних, в залежності від потреб програми.

Забезпечення хороших показників енергоефективності багато в чому залежить від рівня споживання в активній фазі робочого циклу. З цієї причини необхідна оптимізація кривої споживання.

На малюнку 3 представлена ​​типова крива споживання для пристроїв Thread і Zigbee. Вона включає фази сну і неспання. Ми проаналізуємо внесок кожної з цих фаз, щоб показати їх вплив на загальний рівень споживання. Розглянемо послідовність дій при пробудженні і передачі пакета по каналу 802.15.4:

1. вихід з режиму очікування;
2. запуск і калібрування кварцового генератора;
3. ініціалізація радиомодуля;
4. перемикання в режим прийому;
5. отримання доступу до радіоканалу (CCA);
6. перемикання в режим передачі;
7. передача кадру даних IEEE 802.15.4;
8. перемикання в режим прийому;
9. отримання кадру підтвердження IEEE 802.15.4;
10. перехід в сплячий режим.

Тривалість фаз з 5 по 9 визначається таймингами протоколу 802.15.4, а також від кількості надісланих службових і корисних даних. Пристрої Thread і Zigbee посилають дані зі швидкістю 250 кбіт / с, а розмір службових пакетів, наприклад, MAC ACK, і час операцій, наприклад, CCA, мають фіксовані значення. У той же час обсяг корисних даних змінюється в залежності від вимог додатка. Кожен посилається байт додає 32 мікросекунди до часу передачі (фаза 7).

Мал. 3. Типова крива споживання пристроїв Thread і Zigbee®

Для зменшення споживання необхідно «стиснути» криву споживання. Цього можна домогтися декількома способами:

• мінімізувати тривалість фаз, не пов'язаних з реалізацією бездротових протоколів, наприклад, фаз з 1 по 4, а також, 10. Це дозволить скоротити загальну тривалість фази активності;
• зрізати піки споживання, що припадають на фази активної роботи процесора і фази прийому або передачі по радіоканалу.

Мікроконтролери SimpleLink CC2652 побудовані на базі процесорного ядра ARM® Cortex®-M4F, яке може працювати на частотах до 48 МГц з питомою споживанням 61 мкА / МГц. Оптимізована система харчування SimpleLink CC2652, що працює під управлінням TI-RTOS, дозволяє швидко почати роботу після пробудження. До початку обміну по радіоканалу мікроконтролер знаходиться в активному режимі протягом декількох сотень мікросекунд, споживаючи всього кілька міліампер. Після прийому даних він встигає за кілька десятків мікросекунд повернутися в режим сну.

Висока енергоефективність радиомодуля SimpleLink CC2652 забезпечується за рахунок використання додаткових обчислювальних ядер: процесора ARM® Cortex®-M0 і DSP-ядра, що застосовується для прискорення процедур PHY. Таке поєднання в значній мірі сприяє зменшенню споживання, яке становить 6,5 мА в процесі прийому, і 6,3 мА в процесі передачі (0 дБм). Таким чином, Zigbee і Thread-пристрої, побудовані на базі мікроконтролерів CC2652, можуть використовувати для харчування звичайні дискові батарейки, наприклад, CR2032.

У проміжках між фазами активності пристрій перебуває в сплячому режимі. Вплив рівня споживання бездротового мікроконтролера в сплячому режимі на термін служби батареї сильно залежить від особливостей програми. Вплив виявляється значним, якщо фази активності розділені великими проміжками часу. Як приклад таких програм можна привести лічильники споживання, які здійснюють передачу даних по радіоканалу раз в декілька десятків хвилин або годин, а більшу частину часу проводять в стані сну.

Як згадувалося в першому розділі даної статті, при розробці мікроконтролерів SimpleLink CC2652 підвищена увага приділялася забезпеченню мінімального рівня споживання у всіх режимах роботи. При знаходженні в стані сну струм споживання CC2652 становить менше 1 мкА навіть при збереженні даних в ОЗУ (80 Кбайт). Мікроконтролери SimpleLink CC2652 відрізняються чудовими показниками споживання в усьому діапазоні робочих температур. Наприклад, що живить струм становить менше 1 мкА при температурах нижче 40 ° C і менше 3 мкА в діапазоні 40 ... 85 ° C. Діапазон робочих температур особливо важливий для датчиків систем сигналізації (датчиків задимлення, розкриття і так далі), які можуть встановлюватися на відкритому повітрі і піддаються екстремальним коливанням температури.

У таблиці 1 наведені середні значення струмів споживання пристроїв Zigbee і Thread при виконанні типових операцій. Дані отримані при роботі з оцінним модулем SimpleLink CC2652 і ПО з SimpleLink software development kit (SDK). В процесі вимірювань виконувався стек Zigbee з SimpleLink CC26x2 SDK, а потужність передачі становила 5 дБм.

Таблиця 1. Параметри споживання SimpleLink CC2652 при використанні Zigbee і Thread

Протокол Опитування 1 раз в секунду, мкА Пересилання 36 байт один раз в секунду, мкА Пересилання 36 байт один раз в 30 секунд і Полінг один раз в секунду, мкА Термін служби батарейки 200 мА · год, років Zigbee 21 39 (APS) 9, 1 2,51 Thread 22 37 (UDP) 9,6 2,38

Службові операції і дані, що відносяться до реалізації бездротових протоколів, впливають на загальний рівень споживання. Завдяки використанню асинхронного зв'язку на рівнях 802.15.4 MAC і PHY кінцеві пристрої Thread і Zigbee на батарейках ефективно обмінюються інформацією без необхідності постійної передачі повідомлень для підтримки зв'язку з мережею. Якщо батьківський вузол зникає з мережі - кінцеве RFD-пристрій може швидко виконати його повторне призначення за допомогою штатної процедури рівня 802.4 MAC → 802.15.4, яка включає всього два повідомлення.

При виборі Zigbee і Thread необхідно враховувати існуючі обмеження - як з точки зору пропускної здатності, так і з точки зору максимального обсягу корисних даних.

При розробці Thread і Zigbee велика увага приділялася мінімізації накладних витрат верхніх мережевих рівнів і створення ефективного формату інкапсуліруемих повідомлень.

• Thread є адаптацію технології 6LoWPAN, що використовує стиснення IP-заголовків в пористих мережах. З точки зору скорочення числа байтів Thread найкраще працює, коли основним протоколом є UDP. Стиснення заголовків UDP і IP може знизити накладні витрати кожного пакета з 40 до 2 байт при локальному обміні в комірчастої мережі, що значно скорочує час передачі та обробки. Пересилання пакетів на канальному рівні є ще однією важливою особливістю 6LoWPAN. Вузли можуть швидко і ефективно маршрутизировать пакети в комірчастої мережі без обробки на мережевому рівні. Ця функція економить обчислювальні ресурси центрального процесора і покращує параметри енергоспоживання.
• Пристрої Zigbee застосовують короткі 16-розрядні адреси для зв'язку один з одним. Рівні NWK, APS і ZCL оптимізовані для роботи з бінарними даними, переданими невеликими пакетами. Як правило, пакети, наприклад, повідомлення про пожежну тривогу або команди управління яскравістю світла, передаються за допомогою ZCL з корисним навантаженням в кілька байт, що дозволяє знижувати споживання за рахунок мінімального часу передачі та обробки.

У таблиці 2 перераховані відмінності в стеках протоколів Thread і Zigbee. Там же узагальнюється їх вплив на рівень споживання.

Таблиця 2. Стеки протоколів Thread і Zigbee® і їх вплив на рівень споживання

Рівень Zigbee® Thread Вплив на рівень споживання Канальний рівень 802.15.4, асинхронний 802.15.4, асинхронний Цей рівень дозволяє використовувати батарейне харчування, так як пристрої прокидаються тільки для того, щоб відправити і отримати дані Мережевий рівень Zigbee, Mesh-мережі IPv6 / 6LoWPAN Обидва використовують оптимізовані скорочені пакети Транспортний рівень APS UDP Хоча Zigbee орієнтований на створення постійних підключень, а Thread - без установки постійних підключень, обидва протоколи розроблялися для одержання сполук «точка-точка» з мінімальними службовими витратами Рівень додатків ZCL, двійковий CoAP Обидва розроблені для створення вбудованих і малопотребляющіх пристроїв. ZCL використовує двійкові дані і має мінімальні накладні витрати

Оцінка рівня споживання: інтелектуальний джерело освітлення

Пристрої, об'єднані в одну мережу, дозволяють ефективно заощаджувати енергію. Розглянемо приклад мережі, що включає кілька лампочок з вбудованими сенсорами присутності та яскравості, які можуть спілкуватися один з одним і з іншими пристроями мережі, наприклад, з термостатами і датчиками параметрів навколишнього середовища.

Використовуючи дані, зібрані самим пристроєм і отримані від інших учасників мережі, можна знизити споживання струму, що витрачається на штучне освітлення, наприклад, за рахунок застосування сонячних батарей або за рахунок відключення освітлення в кімнатах або коридорах, в яких відсутні люди. Бездротові мережі датчиків, такі як Zigbee і Thread, дозволяють реалізовувати складні схеми керування живленням, знижуючи вартість кінцевих систем і скорочуючи загальні викиди парникових газів.

Державні енергетичні комісії або федеральні програми (наприклад, ENERGY STAR) були створені для отримання економічних і енергоефективних рішень для різних категорій обладнання, наприклад, для освітлювальних приладів. Ці програми встановлюють вимоги до роботи кінцевого обладнання. У міру того як розподілені системи стають розумнішими, ENERGY STAR вводить обмеження за рівнем споживання для підключених пристроїв, що призводить до загального підвищення енергоефективності.

Згідно зі специфікацією ENERGY STAR, споживання розумних ламп в режимі очікування не повинно перевищувати 500 мВт.

Вбудований радіомодуль інтелектуального освітлювального приладу може перебувати в активному стані і підтримувати постійне з'єднання з іншою частиною мережі, щоб бути готовим до прийому і виконання керуючих команд. Очевидно, що такий режим роботи радиомодуля викликає побоювання у ENERGY STAR.

За останні 5 років багато виробників освітлювальних приладів, наприклад, Philips, Osram і IKEA, налагодили випуск лампочок і світильників з підтримкою Zigbee. На даний момент інтелектуальне освітлення є одним з найпопулярніших сегментів в системі розумного будинку.

Освітлювальні пристрої з підтримкою Thread і Zigbee зазвичай підтримують функцію маршрутизації, тобто вони здатні не тільки виконувати входять команди, як правило - з затримкою менше 100 мс, а й буферізіровать повідомлення і пересилати їх іншим RFD-пристроїв. При цьому вбудований радіоприймач освітлювального приладу завжди включений, в той час як основна функція освітлення може бути відключена.

Додатковий внесок в загальне споживання розумної лампочки також вносять перетворювач напруги і схеми захисту від перешкод. Їх споживання може досягати декількох сотень мВт. Потужність, споживана бездротовим мікро контролером в режимі прийому, також значно впливає на загальне споживання.

Бездротові мікроконтролери SimpleLink CC2652 споживають в режимі прийому близько 6,5 мА. Нескладно порахувати, що при робочій напрузі 3,6 В споживана потужність буде дорівнює 23,4 мВт. Це становить приблизно 4,7% від бюджету потужності в режимі очікування відповідно до вимог ENERGY STAR. В результаті бездротової мікроконтролер з запасом вписується у вимоги, що пред'являються ENERGY STAR при роботі в режимі очікування при відключеною основної функції освітлення.

Оцінка рівня споживання: використання вбудованого контролера датчиків

Технології Thread і Zigbee часто використовуються в різних пристроях з батарейним харчуванням, призначених для системи розумного будинку і для автоматизації будівель, серед них - датчики присутності, датчики відкриття дверей і вікон, детектори диму, датчики параметрів навколишнього середовища, зокрема - температури і вологості.

Пристрої стають все більш складними, а їх функціонал постійно розширюється, наприклад, з'являються додаткові периферійні пристрої та нові інтерфейси датчиків. Нові функціональні блоки вносять свій внесок в загальний рівень споживання.

При розробці мікроконтролерів SimpleLink CC2652 значні зусилля були спрямовані на досягнення мінімального споживання при роботі з датчиками. Це призвело до створення спеціального вбудованого контролера датчиків (рисунок 4). Контролер датчиків взаємодіє з зовнішніми сенсорами і здатний виконувати послідовні операції (наприклад, проведення вимірювань за допомогою АЦП, контроль порогових значень, обмін по SPI-інтерфейсу) без необхідності пробудження основного ядра Cortex-M4F. Як процесор для контролера датчиків виступає 16-розрядний RISC-ядро, що використовує до 4 кбайт ОЗУ для програм і даних і працює на частотах 2 МГц і 24 МГц.

Мал. 4. Блок-схема CC2652 з вбудованим контролером датчиків

Наявність спеціалізованого контролера забезпечує швидке пробудження і обробку показань датчиків, а також зниження загального енергоспоживання за рахунок мінімального власного питомого споживання, що становить 11 мкА / МГц. Наприклад, проведення вимірювань за допомогою 12-бітного АЦП з частотою 1 виб / с збільшить загальне споживання менш ніж на 1 мкА.

Контролер датчиків може виконувати і більш складні завдання, наприклад, забезпечувати вимірювання витрати води або газу з споживаним струмом менше 2 мкА при частоті вибірок 16 Гц. Аналогічні показники вдається отримати при зчитуванні і обробці показань цифрового SPI-датчика з частотою 100 Гц.

Контролер датчиків програмується за допомогою утиліти з графічним призначеним для користувача інтерфейсом SimpleLink Sensor Controller Studio. Ця програма дозволяє розробникам не тільки налаштовувати контролер датчиків, а й генерувати файли драйверів, які можуть бути скомпільовані для основного ядра Cortex-M4F.

Висновок

Технології Thread і Zigbee використовуються як в приладах з батарейним харчуванням, так і в пристроях з живленням від мережі. Вони виявляються затребуваними в освітлювальних приладах, системах безпеки, системах клімат-контролю та інше.

В активному режимі бездротові пристрої обмінюються даними по радіоканалах, обробляють вхідні сигнали, що надходять від зовнішніх датчиків і периферійних блоків. Перебуваючи в режимі сну, вони очікують настання зовнішніх подій для пробудження. Мікроконтролери SimpleLink CC2652 дозволяють створювати унікальні малопотребляющіе пристрої Zigbee і Thread, які забезпечують найкращі показники споживання при виконанні найрізноманітніших завдань у всіх режимах роботи протягом життєвого циклу. В кінцевому підсумку контролери SimpleLink CC2652 забезпечують економію коштів, простоту обслуговування і розробку більш екологічних рішень.

Реалізації стеків Thread і Zigbee для мікроконтролерів SimpleLink широко використовують можливості програмних інструментів і бібліотек, зокрема - операційної системи реального часу TI-RTOS і драйверів периферійних блоків.

Платформа SimpleLink CC2652 пропонує для розробників закінчене рішення. При цьому багато питань щодо оптимізації споживання виявляються вже вирішеними. У таблиці 3 представлені особливості CC2652 і ті переваги, які отримують пристрої Thread і Zigbee, побудовані на базі CC2652.

Таблиця 3. Показники споживання і переваги при використанні мікроконтролерів CC2652 SimpleLink ™

Варіант застосування Особливості CC2652 SimpleLink ™ Переваги Датчик температури Zigbee і Thread Споживання радиомодуля Робота протягом багатьох років при помірному обсязі трафіку Споживання процесорного ядра Швидке пробудження Інструменти TI-RTOS для управління живленням і режимами зниженого споживання Освітлення з Zigbee і Thread Споживання в режимі прийому Всього 5 % від бюджету потужності, визначеного ENERGY STAR Інструменти TI-RTOS для управління живленням і режимами зниженого споживання Аналоговий датчик з використанням контролера датчиків Контролер атчик Проведення вимірювань за допомогою 12-бітного АЦП з частотою 1 виб / с, що вимагає менше 1 мкА

До складу SDK SimpleLink входять приклади реалізації комунікаційних стеків, що використовують сплячі режими і можливості TI-RTOS з управління живленням.

Додаткові інструменти, такі як Sensor Controller Studio і ENERGY TRACE (з підтримкою TI LaunchPad ™ Development Kit і TI Code Composer Studio ™ IDE), дозволяють розробникам проводити гнучкий аналіз і настройку додатків, тим самим забезпечуючи мінімальний рівень споживання.

Споживання енергії і парникові гази є основними глобальними проблемами для сегмента IoT-додатків. З цієї причини розробники шукають технології і платформи, які допоможуть досягти кращих показників енергоефективності. За співвідношенням таких показників як мінімальне споживання, продуктивність, повнота і гнучкість платформа TI SimpleLink не має аналогів.

исходник статті

Про компанію Texas Instruments

У середіні 2001 р компании Texas Instruments и КОМПЕЛ постелили офіційну ДИСТРИБ'ЮТОРСЬКА догоду, Пожалуйста стало результатом трівалої и успішної роботи КОМПЕЛ в якості офіційного дистриб'ютор фірми Burr-Brown. (Як відомо, Burr-Brown увійшла до складу TI так само, як и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). З цього часу компанія КОМПЕЛ получила доступ до постачання всієї номенклатури Вироблення компанією TI компонентів, технологій та НАЛАГОДЖУВАЛЬНА ЗАСОБІВ, а також ... читати далі