3. Módulo Zigbit Introducción

Transcripción

1 3. Módulo Zigbit 3.1. Introducción En este capítulo se hace una introducción al módulo hardware AvrZigbit, dando a conocer su estructura, sus componentes y sus características fundamentales. Esto servirá de referencia para, en el capítulo 5 de esta memoria, construir la implementación software de dicho módulo y de todos sus subsistemas dentro del entorno del simulador Avrora. El objetivo final no es otro que disponer, dentro de Avrora, del tipo de nodo AvrZigbit para que pueda ser seleccionado como tipo de una mota que, a su vez, esté formando parte de una simulación. El módulo ZigBit es una plataforma hardware basada íntegramente en tecnología Atmel. De consumo reducido, pequeñas dimensiones y conforme al estándar 2.4 Ghz IEEE (Zigbee) [18], lo hacen idóneo para redes de sensores inalámbricas y aplicaciones en las que se realicen una monitorización y control de determinados procesos o condiciones. Existen cuatro versiones diferentes de este módulo, organizadas en dos generaciones: Primera generación - ZDM-A1281-B0 [14]: Integra un puerto RF balanceado el cual es útil en aquellas aplicaciones en las que sea ventajoso o necesario utilizar una antena PCB o externa, por ejemplo, donde se necesite una mayor rango de alcance. Figura 3.1.: Vista de ZDM-A1281-B0 - ZDM-A1281-A2 [14]: Incluye una antena chip dual, la cual reduce significativamente el tamaño del módulo, y es de utilidad en aplicaciones en las que las dimensiones del dispositivo sean un parámetro importante. 43

2 Capítulo 3 Módulo Zigbit Figura 3.2.: Vista de ZDM-A1281-A2 Segunda generación - ZDM-A1281-PN [15]: Es una evolución de ZDM-A1281-B0, ya que es posible conectarle una antena externa para cubrir una distancia de transmisión más grande (distancias de hasta 4 km en línea de visión directa). Este integrado posee un conector U.FL donde se puede acoplar una antena. Asimismo ofrece mayor potencia de transmisión que sus antecesores. Figura 3.3.: Vista de ZDM-A1281-PN - ZDM-A1281-PN0 [15]: Proviene también de ZDM-A1281-B0, pero no tiene integrado el conector como en el caso anterior. Ofrece, igualmente, mayor potencia de transmisión. Figura 3.4.: Vista de ZDM-A1281-PN0 44

3 3.2 Aplicaciones 3.2. Aplicaciones El módulo ZigBit es totalmente compatible con la pila IEEE (Zigbee) que soporta la creación de una red de nodos autoconfigurable, optimiza el tráfico que se origina dentro de ella y miniza el consumo de los dispositivos. Permite multipunto y multisalto en un área extensa de cientos de metros cuadrados, evitando que el coste de la instalación se dispare. Los escenarios donde es posible utilizar este tipo de elementos es muy variado. En el capítulo 2 se puede consultar un amplio conjunto de ejemplos de aplicación de los sensores inalámbricos y, en concreto, del módulo AvrZigbit Características básicas del módulo ZigBit Brevemente se van a exponer las características más importantes de este módulo, proporcionándole al lector una idea global de la sencillez, pero a la vez de la versatilidad que presentan estos dispositivos. Pequeño tamaño: 24x13,5mm para módulos ZDM-A1281-A2 y 18,8x13,5mm para módulos ZDM-A1281-B0 y 38.0 x 13.5 x 2.0 mm para ZDM-A1281-PN y ZDM-A1281-PN0. Chip de antena dual balanceada con una ganancia de 0 dbi aproximadamente para la versión ZDM-A1281-A2. Potencia de salida: dbm hasta 3 dbm para los integrados de 1ª generación, de 0 a 20 dbm para los de la 2ª. Sensibilidad en recepción: -101 dbm para los de 1ª generación, -104 dbm para los de 2ª. Consumo muy reducido: 19 ma en recepción, 18 ma en transmisión y <6 µa en modo Sleep para la 1ª generación, 23 ma en recepción, 50 ma en transmisión y <6 µa en modo Sleep para la 2ª. Amplios recursos de memoria: 128 Kb de memoria flash, 8 Kb RAM y 4 Kb EEPROM. Variado número de interfaces: 10 GPIO y 2 IRQ disponibles; 4 líneas ADC; dos UART; I 2 C y UART/SPI; puerto JTAG. Conforme al estándar IEEE Banda 2.4 Ghz. Software incluído: ezeenet, Bootloader y juego de comandos AT, entre otros. 45

4 Capítulo 3 Módulo Zigbit 3.4. Estructura módulo ZigBit El módulo ZigBit está basado en dos componentes fundamentales que han sido diseñados y fabricados por la empresa Atmel: Microcontrolador ATMega1281V. Chip radio AT86RF230. En la figura 3.5 se puede observar la estructura de la versión ZDM-A1281-B0, con la posibilidad de conexión de una antena externa, en la figura 3.6 se muestra la versión ZDM-A1281-A2 con la antena incorporada en el mismo integrado y en la figura 3.7 ZDM-A1281-PN y ZDM-A1281-PN0, con la opción de conectarle una antena externa. Figura 3.5.: Diagrama de bloques de ZDM-A1281-B0 Figura 3.6.: Diagrama de bloques de ZDM-A1281-A2 Figura 3.7.: Diagrama de bloques de ZDM-A1281-PN y ZDM-A1281-PN0 El módulo tiene perfectamente integrados la MCU y la parte RF, incluyendo todos los componentes pasivos necesarios para su correcto funcionamiento y se puede 46

5 3.4 Estructura módulo ZigBit montar en un circuito impreso sin ninguna dificultad. Además, el diseño de módulo presenta numerosas ventajas frente a los chips por separado, ya que se traduce en un ahorro en el coste del diseño, prototipado y fabricación. Las empresas Atmel y Meshnetics (Next-For) comercializan este producto. Existen varias pilas software (mayoritariamente privativo) para el desarrollo de aplicaciones con este módulo, entre las que cabe destacar BitCloud o ZigbeeNet, las cuales nos permiten, por ejemplo, formar una red, realizar una adquisición de datos y el envío posterior hacia un dispositivo encaminador, que hace de intermediario cuando los nodos están muy alejados o hacia un coordinador que los mande hacia un servidor remoto. En las subsecciones y se ofrece una breve introducción a las características básicas de los dos componentes del módulo, el microcontrolador ATMega1281 y el chip radio AT86RF230, para que el lector tenga una idea más concisa de las capacidades que proporcionan ambos elementos Microcontrolador ATMega1281 El cerebro de la mota AvrZigbit es el microcontrolador ATMega1281 [16]. Este elemento es un microcontrolador de 8 bits de bajo consumo CMOS, basado en la arquitectura AVR (que representa una mejora de la arquitectura RISC 1 ). Ejecutando potentes instrucciones en un único ciclo de reloj, el ATMega1281 alcanza una tasa de rendimiento cercana a 1 MIPS 2 por Mhz (la frecuencia máxima de funcionamiento es de 8 Mhz, por tanto, es posible conseguir una tasa de 8 MIPS). Esto permite al diseñador del sistema optimizar el consumo de corriente frente a la velocidad de procesado. El diagrama de bloques del microcontrolador se presenta en la figura 3.8. El núcleo AVR combina un rico conjunto de instrucciones con 32 registros de propósito general. Estos registros están conectados directamente a la ALU 3 y se permite el acceso a dos registros independientes en una única instrucción en el mismo ciclo de reloj, acelerando así la velocidad de procesado. Esta arquitectura es más eficiente y gracias a ella, se mejora en hasta 10 veces el rendimiento ofrecido por los microcontroladores RISC convencionales. Las características más importantes de este microcontrolador se exponen a continuación: Gran capacidad de almacenamiento. Posee distintos tipos de memorias: 128 Kb de memoria flash, para el almacenamiento de programas de aplicación. Soporta hasta ciclos de escritura/borrado. 1 Conjunto reducido de instrucciones de ordenador (Reduced Instruction Set Computer) 2 Millones de instrucciones por segundo 3 Unidad Aritmético Lógica 47

6 Capítulo 3 Módulo Zigbit Figura 3.8.: Diagrama de bloques del ATMega Kb de memoria EEPROM para almacenar datos de forma permanente. Soporta hasta ciclos de escritura/borrado. 8 Kb de memoria SRAM, para el almacenamiento de variables y datos volátiles utilizados en la ejecución del programa de aplicación. 54 líneas de I/O de propósito general. 32 registros de propósito general. RTC 4. Seis temporizadores/contadores divididos en: Dos de 8 bits con modos de comparación, soporte PWM 5 y preescalado. Cuatro de 16 bits con modos de comparación, soporte PWM, preescalado y modo captura de entrada. Dos USART s para la comunicación serie. 4 Reloj en Tiempo Real 5 Modulación por ancho de pulsos 48

7 3.4 Estructura módulo ZigBit Un interfaz serie de dos hilos (TWI) orientado a octetos, para comunicaciones serie más complejas. Interfaz serie SPI maestro/esclavo. Interfaz JTAG para la programación del dispositivo, escritura de la memoria Flash, EEPROM, modificación de los fuses o depuración. ADC de 10 bits para realizar conversiones analógicas-digitales. Temporizador Watchdog programable con oscilador independiente para un funcionamiento autónomo. Comparador analógico integrado. Fuentes de interrupción externas (captura mediante determinados pines del microcontrolador) o internas. Oscilador interno calibrado. Seis modos de reducción de consumo: Idle, Power-save, ADC Noise Reduction, Power-down, Standby y Extended Standby. Consumo muy reducido: en modo activo, a 1 Mhz y alimentado a 1.8 V el consumo se sitúa alrededor de 500 ua; en modo Power-Down, a 1.8 V, se reduce hasta los 0.1 ua. Rango de frecuencia de funcionamiento: 0-8 Mhz alimentado a V. Soportado por una serie herramientas de desarrollo utilizadas para la implementación de aplicaciones tales como: compiladores de C, simuladores/depuradores, emuladores y kits de evaluación. En definitiva, el ATMega1281 es un potente microcontrolador que proporciona una solución altamente flexible y de coste reducido para su uso en aplicaciones de control embebidas Dispositivo radio AT86RF230 El AT86RF230 [17] es un transceptor radio de 2.4 Ghz de bajo consumo diseñado especialmente para aplicaciones Zigbee/ Dicho elemento se suele utilizar conjuntamente con un microcontrolador externo como puedan ser la gama AVR de Atmel (es el caso del módulo Zigbit). Este integrado constituye un completo interfaz radio entre el microcontrolador y la antena. Abarca el transceptor radio analógico y la demodulación digital, incluyendo sincronización en tiempo y en frecuencia, y almacenamiento de los datos. El número de elementos externos al chip que se necesitan es mínimo. Solo son necesarios la antena, un cristal y cuatro condensadores de desacoplo. El circuito de antena permite transmitir y recibir, por lo que no se necesita un conmutador externo. El diagrama de bloques del AT86RF230 se presenta en la figura 3.9. Las principales características del dispositivo son las siguientes: 49

8 Capítulo 3 Módulo Zigbit Figura 3.9.: Diagrama de bloques del AT86RF230 Mejor link budget 6 de todo el mercado: Potencia de salida programable desde -17 dbm hasta 3 dbm. Sensibilidad del receptor: -101 dbm. Consumo de corriente reducido: En el estado Sleep: 20 na. En recepción: 15.5 ma. En transmisión: 16.5 ma (a la potencia de transmisión máxima de 3 dbm). Tensión de alimentación reducida, en el rango 1.8 V V. Posee un búffer de 128 bytes de memoria RAM para el almacenamiento de las tramas a transmitir o recibidas. 46 registros internos que controlan su funcionamiento. Interfaz SPI para la comunicación entre el AT86RF230 y el exterior (normalmente el microcontrolador). Ofrece una señal de reloj a través del pin CLKM, que puede ser usada como fuente de sincronismo en el microcontrolador. Conmutador entre transmisión y recepción integrado. PLL integrado. Monitor de la batería. 6 Balance de potencias del enlace transmisor-medio-receptor 50

9 3.5 Características eléctricas y de radiofrecuencia Soporte hardware de determinadas funciones del estándar tales como cómputo del FCS 7, CCA (comprobación de canal libre), detección de energía/cómputo del RSSI 8, ejecución automática del algoritmo CSMA-CA 9, retransmisión automática de la trama, asentimiento automático de la trama y filtrado de direcciones. Facilidad de uso: Acceso al búffer de tramas y a los registros a través del interfaz SPI del que dispone. Solo necesita dos pines GPIO 10 del microcontrolador para su funcionamiento. Un pin de interrupción del transceptor, que se unirá a una entrada de interrupción del microcontrolador para que sea gestionada correctamente. Por tanto, el AT86RF230 es un potente y, a la vez, flexible transceptor de uso sencillo que permite llevar a cabo comunicaciones por radiofrecuencia de acuerdo al estándar y que encaja perfectamente para su utilización en aplicaciones para WSN Características eléctricas y de radiofrecuencia Condiciones de funcionamiento del módulo Dependiendo de la versión que se considere, las características de consumo de corriente o alimentación cambian significativamente. Haciendo una comparación entre los datos proporcionados en el cuadro 1.1, en el caso de los dos integrados iniciales (ZDM-A1281-B0 ZDM-A1281-A2), la tensión de alimentación es menor que en los integrados de segunda generación (ZDM-A1281-PN ZDM-A1281-PN0). De igual modo, la corriente que precisa el dispositivo en transmisión o recepción es menor en el primer caso y como consecuencia de ello, si el módulo se alimenta con una batería, que es lo más usual, el tiempo que tarda en agotarse es mayor que para el primer caso, por lo que se pasará más tiempo entre cambios de batería y se ahorran recursos en este mantenimiento. 7 Frame Check Sequence (Secuencia de chequeo de la trama). 8 Received Signal Strength Indicator (Indicador de la intensidad de la señal recibida) 9 Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (Acceso múltiple por detección de portadora con prevención de colisión) 10 Pin de entrada/salida de propósito general 51

10 Capítulo 3 Módulo Zigbit Cuadro 3.1.: Comparación entre los parámetros de consumo y tensión de alimentación de los módulos ZDM-A1281-B0/ZDM-A1281-A2 ZDM-A1281-PN/ZDM-A1281-PN0 PARÁMETRO RANGO Tensión alimentación V V Consumo corriente Rx 19 ma 23 ma Consumo corriente Tx 18 ma 50 ma Consumo Modo Ahorro 6 µa < 6 µa Nota: Los datos de la tabla anterior han sido obtenidos en las siguientes condiciones: Vcc = 3V, f = 2.45 Ghz y T = 25 ºC Características RF En el cuadro 1.2 se pueden observar los principales parámetros de radiofrecuencia de las dos versiones en estudio. La principal diferencia estriba en la potencia de transmisión, la sensibilidad en recepción y la impedancia de la antena de transmisión. Como se comentó en la sección 3.1, la gama ZDM-A1281-PN/ZDM-A1281-PN0 tiene una mayor potencia de transmisión para lograr un mayor alcance, adecuado para aquellas situaciones en las que transmisor y receptor estén muy distanciados. De la misma manera, la sensibilidad del transceptor está aumentada para mejorar la recepción de la señal. Por lo demás, el número de canales, frecuencias de transmisión/recepción, tasa, etc. no varían. Cuadro 3.2.: Comparación entre las características de RF de los módulos ZDM-A1281-B0/ZDM-A1281-A2 ZDM-A1281-PN/ZDM-A1281-PN0 PARÁMETRO RANGO Banda de Frecuencias to to Número de Canales Separación de canales 5 Mhz 5 Mhz Potencia Tx dbm 0-20 dbm Sensibilidad Rx dbm -104 dbm Tasa de datos 250 Kbps 250 Kbps Impedancia nominal 100 Ohms 50 Ohms 52