Модули и интегрални схеми за М2М комуникации

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 8, 2013

Стефан Куцаров

Съществуващите повече от половин век автоматизирани системи за контрол и управление използват различен вид електрически връзки между свои обекти, а непрекъснатото усложняване и усъвършенстване на системите доведе до появата в средата на 90-те години на миналия век на М2М комуникациите.

По принцип те могат да са жични или безжични, но с много по-голямо приложение са вторите и то частта им, ползваща електромагнитни вълни. Английският термин Machine-to-Machine Communications (M2M Communications) означава, че се установяват двупосочни връзки не само между индустриални и други машини, но и между сензори, прибори и устройства с възприето тук общо наименование обекти.

Сведения за тези комуникации са дадени в статията "М2М комуникации", публикувана в бр. 6/2013 г., на сп. Инженеринг ревю. Идеята за работата им е осъществяването на връзки между обектите по аналогичен начин на човешкото общуване в Интернет. Това е причината за използването и на термина Internet of Things, IoT (в превод Интернет за обекти).

Практическата реализация изисква добавяне в свързваните обекти на подходящи сензори, интегрални схеми (ИС) и модули заедно с необходимия специализиран софтуер. За нивото на развитие на М2М комуникациите е достатъчно да се спомене, че през 2013 г. броят на свързаните чрез тях обекти (около 5 милиарда) за пръв път надхвърли броя на хората, ползващи Интернет.

Прогнозите за развитието им варират, но всеобщо е мнението, че то ще е бързо. През 2012 г. в световен мащаб са продадени обекти с М2М комуникационни възможности за 4 млрд. USD, очаква се през 2016 г. Сумата да достигне 16 милиарда, а през 2020 г. над 80% от намиращите се в експлоатация обекти (около 200 милиарда) да осъществяват M2M комуникации.

Същност на М2М комуникациите
Връзка на два обекта. Най-простото свързване е дадено на фиг. 1, като масово използваният случай е единият от обектите да събира необходимите данни и ги предава на другия, където те се обработват, записват и визуализират.

В Обект 1 с Si са означени приборите за събиране на данни, които в общия случай представляват сензори за измерване на произволни физични величини, а в зависимост от приложението могат да регистрират броя на преминаващи детайли по производствена линия, на автомобили, да отчитат произведена или консумирана електроенергия, да измерват осветеност за включване и изключване на лампи и др.

Получените аналогови сигнали се преобразуват в цифрови от аналогово-цифрови преобразуватели ADCi, обработват се от микроконтролера uC, и постъпват в комуникационния блок Comm. Той съдържа приемопредавател за осъществяване на връзка по LAN. Както бе отбелязано, обикновено тя е безжична, при което Comm съдържа и антена, но могат да се използват и проводникови мрежи (напр. ISDN и DSL). Връзката между двата обекта може да се осъществи чрез електрическата мрежа (Powerline Communications).

С аналогичен блок данните се приемат в Обект 2, обработват се от uC и се подават на блока за регистриране DR. Двупосочните връзки в схемата са за предаване на данни (обикновено управляващи сигнали или заявка за повторение на предаването) от uC на Обект 2 към този на Обект 1, което е причината Comm да съдържат приемопредаватели.

Свързаните с прекъснати линии блокове в Обект 1 се поставят само в някои случаи за задействане на изпълнителни механизми чрез Act или/и за визуализация на данните чрез Display. От всички блокове на фиг. 1 само Comm и uC могат да са специфични за М2М комуникациите, без това да е задължително, докато останалите са съществуващите в други приложения.

Свързване на множество обекти. Този масово използван случай е не само за обмен на данни с голям брой обекти, но и когато те са разположени на произволно разстояние един от друг. Ползват се съответстващите комуникационни мрежи с помощта на М2М системи от високо ниво (High-Level M2M System) с йерархичната структура на фиг. 2.

Данните от n-те обекта Oi, всеки с блоковете на Обект 1 от фиг. 1, се обменят чрез събирателния възел (Aggregation Point) AP1 и локалната мрежа LAN1 с маршрутизатора Gateway. Аналогичният процес е и за другата група от k обекта, възелът АР2 и LAN2, като броят на групите може и да е по-голям.

Самият маршрутизатор, специално разработен за М2М комуникации, не само събира и обработва данните от отделните АР, но и управлява работата им. Използва се при разположени на неголямо разстояние от него и помежду им обекти и когато те са със сравнително ниска цена и малка постояннотокова консумация. Мрежите LAN работят със сравнително прости протоколи за безжични връзки като IEEE802.11 и IEEE802.15, но могат да се ползват и комуникации по електрическата мрежа.

Освен показаните връзки не са редки случаите на необходимост от използване на множество свързани помежду си маршрутизатори, както и известната разпределена мрежова архитектура (Peer-to-Peer) P2P. Тя е показана с прекъсната линия на фиг. 2, като връзката на всеки от маршрутизаторите с “неговите” обекти се осъществява с персонални мрежи PAN, които може да са Zigbee, WiFi или Bluetooth. Съществена особеност на тази разновидност е възможността за визуализация на данните от всеки обект и неговото управление чрез блока Contr.

С MobOp (от Mobile Operator System Interface) е отбелязан М2М сървърът, свързан с маршрутизаторите чрез широколентова мрежа WAN, която освен клетъчна безжична може да е проводникова. Използват се и обекти, свързани непосредствено със сървъра отново чрез WAN. От своя страна, чрез съществуващите комуникационни мрежи сървърът може да се свързва с друг или други, включително с ползване на “облачна” технология (Cloud на фиг. 2), т. е. М2М комуникациите ползват всички възможности на световната мрежа.

Добър пример за това е софтуерът AirVantage на Sierra Wireless за двупосочна връзка на обекти (напр. транспортни средства) с централен офис. Той е разработен специално за cloud връзки на М2М системи, като позволява формиране на структурата им, контрол на работата и конфигуриране. Същността на действието му е събиране на данни от произволен брой обекти и предаването им чрез произволен мрежов оператор.

Специфични особености. Първата е необходимостта от практически едновременен достъп до сървъра на данните от голям брой обекти - например охранителни системи, отчитане на показанията на електромери и в здравеопазването за контрол на пациенти. Това може да наложи промени и подобрения в устройствата на мрежата, в адресирането и в протоколите за работата й.

Пример за последното е въвеждането на команда за автоматично повтаряне на предадените данни (Automatic Repeat Request) ARQ и оформянето им като пакети (Frame Structure). Твърде често последните трябва да са достатъчно малки (Small Burst Transmission). Важно е осигуряването на достатъчно голяма надеждност на предаваните данни независимо от вида на установената връзка (например от движеща се кола в планински терен).

Съществено е и гарантирането на защитата на данните, например при контрол на състоянието на пациенти и на банкови операции. Не по-малко важна е и защитата на специфични обекти, например банкомати, от опит за посегателство. Всичко това може да наложи използването на по-сложни технически средства и/или програмни защити.

Следваща особеност е организацията на обмена на данни (трафика), което изисква промени в програмното осигуряване. Той може да се извършва в предварително определени интервали от време (Time-Controlled Traffic), да осигурява определено време на изчакване между предаването и приемането от обекта (Time-Tolerant Traffic), както и еднопосочно предаване (One-Way Traffic). Друга особеност е въвеждането на приоритети в предаваните данни, което също може да наложи споменатите промени.

Немалка част от обектите се захранват с батерии или необходимата им енергия се получава например от околната топлина или вибрации. В тези случаи е задължителна малката постояннотокова консумация, един от начините за чието осигуряване е изпращане на команди за преминаване в режим “Очакване” (Sleep Mode). Към това се прибавя и изискването самите обекти да консумират колкото е възможно по-малка енергия.

Немалка част от обектите с М2М комуникации са стационарни (измервателни прибори, касови апарати), което позволява опростяване на функционирането им с основен ефект отново намаляване на консумацията. Не по-малко важно е, че съществуват приложения, например споменатият контрол на болни, където е необходимо минимално време за достъп до обекта и за предаване на данните от него (Extremely Low Latency).

Работата на М2М комуникациите в съответствие с фиг. 2 може да изисква връзки с географски области, където се ползват различни честотни обхвати и това трябва да се взима предвид при избора на маршрутизатор. Оптимално решение е той да съдържа модем за обхватите на GSM, универсалната телекомуникационна система UMTS, комбинирана с протокола HSDPA и означение UMTS/HSPA и Long Term Evolution (LTE), известна още като 4G LTE. Също полезна може да е и системата за спътникови връзки GNSS.

Специфична и важна особеност е необходимата честотна лента за осъществяване на телекомуникациите. Значителна част от обектите (не по-малко от 70%), например със сензори за контрол на физически параметри, изпращат сравнително рядко данни с малък обем (например до 1 Mb месечно), нуждаят се съответно от тясна честотна лента и позволяват връзките да се осъществяват чрез системата за пакетна радиовръзка за общо ползване GPRS или чрез варианта 2G на GSM.

За предаване на изображения с неголяма разрешаваща способност (системи за видеонаблюдение) е необходима по-широка честотна лента и може да се използва UMTS/HSPA, докато в системите за наблюдение на болни е подходяща широколентовата LTE. Тези съображения са важни при избора на модема в блока Comm на фиг. 1, но трябва да се вземат предвид и прогнозите за развитието на М2М комуникациите през следващите години заедно с възможностите за надграждане на модемите.

Интегрални схеми
Представляват приемопредаватели (Transceiver) за осъществяване на безжични връзки в нелицензирани обхвати и съответно възможност за използване в М2М комуникациите, като участват в реализацията на блока Comm на фиг. 1.

Производителят Qualcomm Atheros предлага AR4100, която реално представлява система в корпус на ИС (System-In-Package, SIP) и е предвидена за създадения през 2009 г. протокол IEEE 802.11n за обхватите 2,4 и 5 GHz с максимална честота на обмен на данни 300 Mbps и типично разстояние на връзките в сграда и на открито съответно до 70 m и до 250 m. Структурата й е показана на фиг. 3, а предаването и приемането се осъществяват в обхвата 2.412-2.484 GHz с външна 50-омова антена.

В режим на предаване блокът EPA, Balun, T/R Switch осигурява типична изходна мощност 19 dBm (приблизително 80 mW), а при приемане мощността, постъпваща от антената, трябва да е не по-малка от -92 dBm (около 0,6 pW). Предназначението на блока 802.11b/g/n… е да осигури работата със споменатия протокол и използване на една от модулациите BPSK, QPSK, 16QAM и 64QAM.

Предаваните и приемани данни се обменят чрез външен микропроцесор през шините SPI Slave и SPI Master и се кодират, декодират и обработват допълнително от блока Host I/F. Необходимите данни за калибровка се записват в паметта NVRAM I/F и съответно не се налага използването на външна EEPROM. За проверка на работата служат блокът Debug Ports и шината UART. Шината I/O и свързания към нея блок I/O Management са за допълнителен обмен на цифрови данни.

За управление на нормалната работа на блоковете е предвиден System Clock с голяма тактова честота (вграден кварцов резонатор на 26 MHz), при която в режим “приемане” ИС консумира 5 mA, а в “предаване” – между 150 mA и 230 mA в зависимост от модулацията. В режим “очакване” (ИС чака управляващ сигнал, за да започне работа) управлението се извършва от тактовия генератор 32 kHz Sleep Clock и консумацията е 5 uA.

Цялото действие се управлява от вграден специализиран микроконтролер (System Controller). Чрез изводите DC In се подават постоянните захранващи напрежения, работният температурен обхват е от -30 до +85 °С, а размерите на корпуса са 9,2x8,3x1 mm.

За обмен на данни със скорости между 50 bps и 32,8 kbps и използване на канали с честотна лента между 3,9 kHz и 13,2 kHz е предназначена ADF7021 на фирмата Analog Devices. При работата й в каналите 431-475 MHz и 862-950 MHz се използва вграден трептящ кръг, докато за 80-650 MHz той изисква външна бобина.

Чрез 3-проводен интерфейс се програмира желаната средна честота на канала, широчината на неговата лента и разстоянието между каналите. Също чрез програмиране се установява една от 63-те стойности на изходната мощност в обхвата от -16 dBm до + 13 dBm (25 uW - 20 mW). Данните за предаване и приетите се обменят с външен микроконтролер (uC на фиг. 1) чрез двупроводна линия (за данни и тактови импулси).

Минимално допустимата входна мощност нараства с увеличаване на скоростта на обмен на данните, като при 9,6 kbps е -115 dBm (около 3 fW). Чрез вграден АЦП се следи температурата на кристала на ИС и захранващото напрежение. Последното може да е между 2,3 V и 3,6 V, а консумираният от него ток е 20-30 mA в зависимост от режима на работа. Работният температурен обхват на ИС е -40 ё +85 °С, а размерите на корпуса й са 7x7x0,8 mm.

Модули
В края на 2013 г. те са с много по-голямо приложение от ИС, но с развитието на технологиите вероятно относителният дял на последните ще нараства. Първият пуснат на пазара през 2000 г. модул е бил предназначен за работа с GSM мрежи. През 2002 г. се появяват модули за GPRS, комбинирани за GSM/GPS през 2004 г. и за EDGE през 2005 г., за да се достигне до модули за UMTS&HSPA+ през 2010 г. и специализирани за автомобили с HSPA+ през 2011 г., които отговарят на изискванията на стандарта AEC Q100.

В зависимост от вида на връзките, които устройства с М2М комуникации трябва да установят, съществуват три основни групи модули. Първата включва тези за свързване на обекти с произволно разположение и на произволно разстояние, (Wide Area Networking). Модулите използват съществуващата Интернет мрежа и са известни като Cellular M2M Module.

Втората група (Short Range Module) са за връзки на близко разположени обекти (Short Range RF Communications), например сензорите на една метеорологична станция и такива за наблюдаване на жизнените функции на пациенти. Използват се и за осъществяване на връзки по по-прост и евтин начин в сравнение с първата група, например за контрол на показанията на електромерите в една жилищна сграда.

Последната група (GNSS Module) са за установяване на местоположението на даден обект в система за позициониране (Positioning System). Освен за подвижни обекти (транспортни средства) тези модули се използват и за неподвижни обекти, например без такъв модул при прекъсване на мрежовия кабел на банкомат неговото местоположение престава да е известно.

В зависимост от функционалните възможности съществуват 3 групи модули.
Приемопредаватели (Transceiver, RF Transceiver). Те са блок Comm на фиг. 1, като за изясняване на структурата и действието им на фиг. 4а е дадена блоковата схема на модула MRF24J40MC на Microchip Technology, предназначен за обхвата 2.405-2.475 GHz. Обменът на данни с микроконтролери с общо предназначение (например сериите PIC16, PIC18 и PIC24) или цифрови сигнални процесори (например dsPIC33) се извършва чрез интерфейса SPI, който освен изводи 5-7 на корпуса (фиг. 4б) ползва и извод 8 за разрешаване на работата му.

Максималната скорост на данните е 250 kbps и посредством блока Interface те се обменят с ядрото на модула (блокове MAC и Physical заедно с вградения кварцов резонатор), като същевременно се кодират или декодират в съответствие със стандарта AES-128. Усилвателят на мощност РА осигурява максимална мощност в антената +19 dBm, която е параметърът TX Power (Po).

Тя позволява да се осигури обхват до 1,2 km, а връзката с външната антена се осъществява чрез вградения куплунг U.FL. Малошумящият усилвател LNA е за работа на модула в режим приемане при входна мощност между -23 и -108 dBm, т.е. 5 uW - 16 fW, което поради 50-омовата антена означава входно напрежение 15,8 mV - 0,9 uV. Минималните стойности на мощността и напрежението са параметърът чувствителност на приемника (Receiver Sensitivity, RX Sensitivity) RS.

Захранващият блок Power Management осигурява стабилизирано постоянно напрежение на модула при входно напрежение VS от 2,7 до 3,6 V, като консумацията в режим предаване (Power Consumption Transmit) IST и приемане (Power Consumption Receive) ISR е съответно 120 mA и 25 mA. Чрез изход INT на модула може да се прекъсва работата на микроконтролера, а входове RESET и WAKE са съответно за изключване на модула и поставянето му в режим “очакване” (консумация 12 uA). Работният температурен обхват е от -40 до +85 °С, а размерите на корпуса са 25x23,9x3,4 mm.

За обхвата 863-870 MHz е модулът MRF89XAM8A на същия производител със скорост на обмен на данните 40 kbps при използване на FSK модулация. Изходната му мощност се регулира между -11 dBm и +10 dBm (80 uW – 10 mW), чувствителността е -107 dBm (2 pW) и съответно 32 uV. Работният температурен обхват е както в предния модул, а размерите са 27,9x17,8x1,9 mm.

Процесори (Network Processor). Приложенията им значително надхвърлят М2М комуникациите с характерни примери в областта на индустриалната и сградна автоматизация, медицината (Medical Telemetry Systems) и енергетиката (Smart Energy).
По своята същност те представляват съчетание на микроконтролер или процесор (Proc на фиг. 5) с памети (Memory) и приемопредавател Tr, като данните DIN се обменят чрез някой от масово разпространените интерфейси.

В случаите на ползване на процесора и в безжични сензорни мрежи той съдържа блок DA (Data Acquisition) за събиране на данните от тях. Типичен пример за такъв процесор е даденият в ред 1 на табл. 1, който има 6 аналогови входа с напрежения, обработвани от 12-битов АЦП. В процесора е вграден сензор за температура, а работата му се осигурява от вграден генератор на 16 MHz.

За улеснение стойностите на Ро са дадени в mW, докато в каталозите те са в dBm. Връзките са Po[mW] = 100,1Pо[dBm] и Ро[dBm] = 10lgPo[mW]. Аналогично е положението с RS - в таблиците е в uV, а в каталозите – в dBm. Тъй като ползваните в приемопредавателите и модулите антени практически винаги са с импеданс 50 ома за преобразуване на RS от dBm в напрежение се използва изразът RS[V] = Ц(0,05x100,1RS[dBm]). Например на RS  =  -109 dBm съответства напрежение 0,793 uV.

Модулът на ред 3 е част от серия от 16 модула с различни обеми на паметта и стойности на Ро и има подобен АЦП, както този в ред 1, но с 16 входа. Той основно е предназначен за събиране на данни от електромери, поради което има и вграден драйвер за LCD 32x4. За разширяване на приложенията модулът е с 53 В/И извода за цифрови данни и има вграден програмируем източник на ток (до ±0,5 mA). Подобна е серията Si101x от 5 модула на същия производител с VS = 0,9 - 3,6 V.

Модулът от ред 4 е предназначен за работа с протоколите IEEE 802.11 b/g и IPv4 TCP/IP и е с вградена антена, което е причината за сравнително малката му RS. Тя намалява с увеличаване на скоростта на обмен на данни и дадените в таблицата стойности са съответно при 1 Mbps и 54 Mbps.

От своя страна, максимално допустимото входно напрежение в режим на приемане зависи от това с кой протокол се работи – за разновидността "b" то е 70 mV, а за "g" е 22 mV. Мощността Ро също зависи от скоростта, като намалява с увеличаването й – дадените в таблицата стойности отново са за двете й гранични скорости.

Комплектни модули. В основата им е структурата на фиг. 5, към която в зависимост от модела се прибавят други блокове. Като пример на фиг. 6 е дадена блоковата схема на модула от ред 5 на табл. 2, чийто приемопредавател е вече разгледаната ИС AR4100. За осигуряване на работата на последната модулът съдържа отделна памет Flash.

На блоковата схема са отбелязани неговите три разновидности за работа с вградена и външна антена. Като специализиран процесор (Application Processor) се използва микроконтролер на Energy Micro с памети Flash и RAM, който е свързан с приемопредавателя чрез интерфейса SPI. Обменът на данни на модула с други устройства се осъществява чрез входно-изходните изводи I/O, които позволяват връзки с интерфейси, таймери, аналогови компаратори, АЦП, ЦАП, кварцови генератори и др.

Чрез входа RESETn микроконтролерът се включва и изключва. Линейният стабилизатор LDO 3.0 V захранва не само микроконтролера, но и устройствата към изводи I/O чрез изхода VIO. Другите два стабилизатора са за приемопредавателя и работата им се управлява от микроконтролера.

В табл. 2 са дадени основните особености и параметри на комплектни модули. Обикновено те могат да работят с няколко мрежи и всяка от тях има определена скорост на обмен на данните. Поради това в таблицата са дадени само двете й гранични стойности. Същото се отнася и за Ро, а с DPo е отбелязан нейният допустим толеранс. Добре е да се има предвид, че част от модулите се предлагат в две или повече разновидности главно заради различните мрежи, с които работят. Например даденият в ред 2 е за ползване в Европа, а EHS5-US е за САЩ.

Модулът в ред 1 може да работи и с 10/100 Ethernet, има възможност за надграждане с цел работа в 4G мрежи и в него могат да се поставят две SIM карти. Обменът на данни чрез USB 2.0 в този от ред 2 може да се извършва със скорост 480 Mbps, а модулът съдържа и цифров аудиоинтерфейс (DAI). Модулът в ред 4 е с вградена антена и куплунг за външна, има вграден сензор за температура и при скорост на обмен на данните 1,2 kbps осигурява обхват 850 m. С възможност за работа със SIM карти за 1,8 и 3,3 V и с вграден аудиоусилвател 800 mW е модулът в ред 5.

Даденият в ред 7 е разработен специално за М2М комуникации, позволява свързване на клавиатура и има две разновидности – WP6200 и WP6300, като втората е с два входа за I2S интерфейс. Отново за SIM карти 1,8 и 3,3 V са модулите в редове 9 и 10, като последният може да работи с аналогов и цифров звук и да обменя SMS. Модулът в последния ред на табл. 2 има 4 разновидности със и без предварително програмиране и позволява обмен на данни със сензори, а чрез Ethernet – реализация на свързването на фиг. 2.

Така наречените идентификационни модули за машини (Machine Identification Module) MIM са въведени от производителя Gemalto, като терминът е по аналогия на SIM, т. е. те представляват карти за осигуряване на връзка на устройство към М2М мрежа. Геометричните им размери са в съответствие със стандарта PCI Express Mini Card и засега се произвеждат в разновидности за битови и индустриални приложения.

Типичен пример е EHS5 miniPCIe на същия производител с дебелина 4,7 mm при тегло 7,5 g. Той има възможност за осъществяване на връзки в съответствие с фиг. 2, работи в мрежи GSM (900 и 1800 MHz), UMTS (900/1800MHz) и GPRS и обменя данни чрез с интерфейса USB 2.0HS. Захранва се с напрежение 3 V - 3,6 V и има гнездо за SIM карта 1,8 V/3.0 V.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top