Produkty anglické společnosti Jennic, která je v České republice zastoupena pražskou společností MES Praha, a která se zabývá vývojem bezdrátových řešení na bázi IEEE802.15.4 a ZigBee, patří ve své oblasti mezi špičku. Je to hlavně dáno širkou paletou produktů pro různé úrovně návrhu a vestavby, od základního návrhu a vývoje aplikace na úrovni součástek na desce plošných spojů, tak na úrovni vestavby kompletní modulů se sériovým rozhraním.

Možná řešení pro bezdrátovou konektivitu od společnosti Jennic jsou následující:

• jednočipová řešení (complete system-on-chip) – všechny základní prostředky jsou integrovány v jedné součástce / MCU
• vestavné bezdrátové moduly - deska s povrchovou montáží s konektorem pro napájení a připojení antény apod.
• vývojové kity - moduly, zkušební desky a softwarové nástroje pro jednoduchý vývoj konkrétních aplikací
• softwarové vývojové prostředky - kompletní IDE nebo překladač ve stylu Linux.

Jednočipová řešení

V sekci jednočipových řešení (system-on-chip) nabízí Jennic bezdrátové mikrokontroléry JN5121 a JN5139. Výhodou jednočipového řešení je snadné zahrnutí bezdrátové komunikace standardu IEEE802.15.4 / ZigBee do zařízení při jeho návrhu, kde vyvojář nemusí sami navrhovat vlastní řešení pro nějaký univerzální mikrokontrolér, ale prostě jen použijí jeden se zde uvedených zástupců. Jako typické aplikace jednočipových bezdrátových mikrokontrolérů lze například jmenovat bezdrátové senzory a čidla, domací a komerční prvky pro automatizace budov, různé hračky a herní zařízení, různé průmyslové systémy řízení výrobních linek, měření a regulace, světelné a dopravní systémy, kontrola výrobních procesů apod. To podporuje i průmyslový rozsah pracovních teplot -40°C až +85°C.

Integrovaný SoC obvod JN5121

SoC obvod JN5121 je prvním v řadě nízkopříkonových, levných IEEE802.15.4 kompatibilních bezdrátových mikrokontrolérů. Díky kombinací 32bitového jádra RISC, plně kompatibilního 2.4 GHz IEEE802.15.4 transceiveru, 64 kB ROM a 96 kByt RAM paměti poskytuje univerzální levné řešení pro aplikace bezdrátové senzorové sítě. Vysoký stupeň integrace napomáhá redukovat celkové náklady na konečné řešení. Paměť ROM pak v sobě obsahuje Stacky protokolů pro konektivitu typu bod-bod a sítě typu mesh, paměť RAM pak poskytuje podporu pro routovací a řídící funkce bez nutnosti použití externí paměti.

JN5121 používá hardwarový MAC a AES šifrovací akcelerátor, s nízkým proudovým odběrem, pro snížení zátěže jádra procesoru. Integrovány jsou i režimy pro sníženou spotřebu (sleep mód aj.). Součástí tohoto jednočipového řešení je široký rozsah digitálních a analogových periférií pro připojení do výsledných aplikací.

Integrovaný SoC obvod JN5139

Jako JN5139 je označována druhá generace SoC obvodů, která se proti předchozímu zástupci například liší zejména třikrát větší pamětí ROM (192kByte), volitelnou velikostí paměti RAM (v rozsahu 8 kB až 96 kB), rychlejším jádrem (ten má stejně jako JN5121 architekturu RISC) a 48bajtovou jednou programovatelnou pamětí (např. pro MAC adresu ID produktu, elektronické pojistky atd.). Přesto je tento typ vývodově kompatibilní se svým předchůdcem, a tak je přechod na tento MCU velice snadný.

Některé další vlastnosti mikrokrokontroléru JN5139 jsou:

• Kompatibilní se standardem IEEE802.15.4 2.4GHz.
• Obsahuje hardwarový šifrovací akcelerátor (128bitový AES).
• MAC akcelerátor s funkcemi formátování paketů, kontrolního součtu, kontroly adres a časovači.
• Integrovaná správa napájení a Sleep oscilátor pro režim se sníženou spotřebou.
• Napěťová regulace na čipu od 2.2 V do 3.6 V pro aplikace napájené z baterií.
• 32bitové jádro RISC optimalizované pro nízkou spotřebu a efektivní zápis programového kódu.
• 96 kB RAM sdílená mezi program, data a směrovací tabulky.
• 4x 12bitový A/D převodník, 2x 11bitový D/A převodník, teplotní senzor.
• 2x univerzální čítač/časovač.
• 3x systémový časovač.
• 2x UART (jeden je použit pro odlaďování v aplikaci).
• SPI rozhraní.
• dvoudrátové sériové rozhraní (2-wire serial interface).
• 21x univerzálních vstupů/výstupů (I/O) pro všeobecné použití.

MCU JN5139 lze je zakoupit jednak s podporou síťového protokolu ZigBee (Jennic je aktivním členem ZigBee aliance) nebo síťového protokolu JenNet, který je plně kompatibilní s rodinou mikrokontrolérů JN5139 a je k dispozici zcela zdarma a bez dalších certifikací na webových stránkách Jennic.

Komunikační protokol 6LoWPAN pro JN5139

Z pohledu softwaru pro zde uvedené 32bitové MCU Jennic a na nich postavených modulech je poslední novinkou komunikační protokol 6LoWPAN. Ten umožňuje v rámci standardu IEEE802.15.4 (ZigBee) využít výhod IP sítí při zachování všech jeho pozitiv. Rozšířením široce používaného IP protokolu do oblasti bezdrátového spojení s nízkou spotřebou se otevírají nové možnosti pro embedded systémy podporující IP bezdrátové připojení (např. nová generace domácích spotřebičů). Spotřeba a cena řešení s protokolem 6LoWPAN je jen zlomkem v porovnání s WIFI technologií, díky čemuž mohou zařízení pro ovládání topení, bezpečnostní senzory, monitorování, apod. nahlédnout do světa IP sítí a zůstat konkurenceschopné oproti kabelovému připojení.

Protokol 6LoWPAN implementovaný do 32bitového mikrokontroléru od společnosti Jennic, který nabízí velký zdroj paměti pro IEEE802.15.4 MAC, JenNet, 6LoWPAN i zákaznickou aplikaci, podporuje 100 dB spojení pro komunikaci na vzdálenost až 50m v uzavřeném prostoru a 128bitové hardwarové šifrování AES.

Vestavné bezdrátové moduly

Moduly jsou koncipovány jako miniaturní desky se součástkami napájenými z jedné strany s pájecími kontakty po stranách. Tak jsou ideálně připraveny pro povrchovou montáž do cílových aplikací. Více či méně se liší použitým druhem připojení antény (integrovaná anténa, SMA nebo uFI konektor) a maximálním dosahem (400 m - 4 km).

Na desce modulu jsou připájeny všechny důležité obvody, což je samozřejmě bezdrátový mikrokontrolér (JN5121 či JN513x), krystal, externí paměť Flash (128kB), Balun obvody, obvody anténních zesilovačů (jedná-li se o výkonnější verze modulů) a nakonec samotné anténní konektory či integrovaná anténa.

Vysoká integrace všech potřebných součástí umožňuje velmi rychlý vývoj konečných řešení. Stačí připojit pouze napájení a rozhraní potřebných periférií. Moduly splňují normy FCC, ETSI, ETS 300-328 a ARIB STD-T66.

Vývojové kity a prostředí pro PC

Pro vývoj bezdrátových aplikací jsou k dispozici tři typy vývojových kitů, které se odlišují použitým protokolem – ZigBee/JenNet a velikostí kitu. Programování probíhá pomocí Jennic API založené na jazyce „C“. Vývojáři mají přístup k plnému softwaru (SDK), který využívá IDE s GNU kompilerem a linkerem. Veškerý software je volně ke stažení z webových stránek výrobce, včetně protokolů JenNet a 6LoWPAN.

Vývojové kity jsou dostupné s 5 až 100 uzly. Základní Evaluation kit pro vývoj aplikací EEE 802.15.4 a ZigBee obsahuje 5 uzlů (desky vybavené RF modulem, senzory tlačítky atd.). Jedna deska je provedena jako "základní" a je vybavena grafickým LCD displejem 128x64 pixelů, ostatní jsou tzv. senzorové, které poskytují teplotní senzor, senzor intenzity světla, 2 uživatelské přepínače a světelné LED, rozšiřující konektor pro připojení dalších senzorů a SMA konektor pro anténu.

Pro vývoj náročnějších aplikací je pak v nabídce produkt ZigBee Large Network Evaluation kit, což je komplexní vývojové prostředí pro návrh a výstavbu velkých datových sítí a senzorových polí pro domácí a průmyslovou automatizaci a další projekty. Dodává se ve dvou verzích, a to s 25 nebo se 100 uzly. Součástí jsou samozřejmě kompletní softwarové nástroje pro návrh, odlaďování, programování a testování. Za další množství softwarových knihoven, příruček, ukázkových programů, aplikačních návodů atd. Softwarové vývojové nástroje nejsou ničím limitované.

Jako sofwarových vývojových PC nástrojů lze použít buď program Code Blocks IDE, což je integrované vývojové prostředí pro operační systém MS Windows, nebo program Cygwin Command Line, což je virtuální linuxová konzola pracující také pod OS Windows (obsahuje kompilátor, linker atd.). Samotný vývoj aplikací, díky Jennic SDK, probíhá velmi jednoduše, a to v programovacím jazyku Ansi C. Oba zmiňované nástroje lze stáhnout ze stránek výrobce (www.jennic.com).

Závěr

Parametry samotných bezdrátových mikrokontrolérů jsou opravdu velmi dobré. Kompletní integrace všech potřebných součástí je v této cenové hladině také nevídaná. Velkým plusem je použití hardwarové MAC jednotky a šifrovacího akcelerátoru, díky čemuž nemusí jejich úlohy přebírat CPU, a tak může být použit relativně méně výkonný s mnohem menším proudovým odběrem. Integrovaný modem a vysokofrekvenční část má také dobré parametry a to ovšem nesmíme zapomenout na velmi slušnou vybavenost perifériemi, jako jsou čítače, časovače, komparátory AD, DA převodníky aj., které výrazným způsobem zvyšují použitelnost samotného MCU. Moduly pak skýtají možnost velmi rychlého vývoje cílových aplikací a, také díky svému designu, jejich snadnou výrobu. Výběr vývojových prostředků jak hardwarových, tak i softwarových a velké množství podpůrného materiálu, tak kvality této firmy, a zejména jejich výrobků, podtrhuje.

Pokud budete chtít získat více informací, neváhejte a navšivte domovské stránky výrobce na www.jennic.com nebo obraťte se na společnost MES Praha (www.mespraha.cz), která tyto produkty v ČR distribuuje. Unikátní příležitost jak se dozvědět o produktech společnosti Jennic skýtají také webové semináře pořádané firmou Scantec.

Výrobky Jennic v nabídce MES Praha nejsou jediné produkty pro bezdrátovou komunikaci. Jak další 2.4GHz RF ZigBee moduly u MES Praha najdete produkty X-Bee™ & X-BeePro™ od společnosti MaxStream (www.maxstream.net).

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovská stránka společnosti MES Praha, prodávající výrobky Jennic v ČR - www.mespraha.cz
• Domovská stránka společnosti Jennic - www.jennic.com
• Stránky konsorcia ZigBee Alliance - www.zigbee.org

• Obecné články o ZigBee na HW serveru:
  • ZigBee moduly a nástroje MeshNetics se představují
  • ZigBee - novinka na poli bezdrátové komunikace
  • Snížení spotřeby domácností - podle Freescale
  • ZigBee PRO - nová vylepšená verze bezdrátové komunikace ZigBee
  • ZigBit Development Tools
  • ZSTAR3 - referenční návrh pro práci s akcelerometry přes ZigBee® 2.4 GHz
  • JENNIC – nahlédněte s ZigBee moduly do světa IP
  • Bezdrátová komunikace ve zdravotnictví