Заснований на специфікації IEEE802.15.4 для бездротових персональних мереж (WPAN), протокол MiWi виробництва компанії Microchip є гідною альтернативою існуючим стека протоколів для бездротових мереж. Він орієнтований на мережі невеликого розміру з обмеженою кількістю маршрутизаторів, які побудовані на трансиверах MCRF24J40 - IEEE 802.15.4-сумісних прийомопередавача виробництва Microchip.
У статті розглядаються основні поняття і принципи функціонування протоколу MiWi, особливості специфікації IEEE 802.15.4, принципи побудови бездротових мереж.
Мережа, побудована на основі протоколу MiWi, може мати до 1024 вузлів. У мережі можуть працювати до 8 координаторів, кожен з яких підтримує до 127 вузлів. Існує також обмеження на довжину маршруту переданого пакета: максимум чотири хопу (проходу через координатор) для кінцевих вузлів і максимум 2 хопу для PAN-координатора.
Якщо ці обмеження не дозволяють вам застосовувати протокол MiWi, то зверніть увагу на реалізацію протоколу ZigBee: інструкція із застосування AN965 «The Microchip Stack for the ZigBeeTM Protocol». Крім того, розробник має право вносити деякі зміни в існуючу реалізацію MiWi. Обмеження на використання і ліцензія знаходяться в документації на стек.
Протокол MiWi базується на специфікації IEEE 802.15.4 для рівнів MAC і PHY і призначений для побудови простих бездротових мереж діапазону 2,4 ГГц.
В рамках протоколу проводиться формування мережі, підключення нових вузлів, маршрутизація. Протокол не описує специфічні функції, такі, як реєстрація вузла в певній мережі, визначення обриву з'єднання, як часто вузли можуть обмінюватися інформацією і т.д.
Рівні PHY і MAC
Як вже було сказано, MiWi базується на специфікації IEEE 802.15.4 для фізичного (PHY) і канального (MAC) рівнів. В рамках специфікації визначено три частотні діапазони з фіксованою кількістю каналів для кожного (табл. 1).
Частотний діапазон, МГц Кількість каналів Швидкість передачі, кб / с 868 1 20 915 10 40 2400 16 250
Важливо розуміти, що реальна швидкість передачі нижче зазначеної в таблиці, тому що в каналі йде обмін службовою інформацією і існують затримки на обробку пакетів.
Максимальна довжина пакета, включаючи 16-бітну контрольну суму - 127 байт.
Для контролю підтвердження отримання пакета, крім перевірочної контрольної суми, в рамках стандарту на канальному рівні закладено механізм підтверджень. У заголовку пакета передбачений біт ACK: якщо цей біт встановлений, то джерело потребує підтвердження від приймача. Якщо джерело не отримує підтвердження протягом певного часу, він робить кілька спроб повтору передачі, перш ніж повідомляє про помилку.
Отримання підтвердження від приймача говорить тільки про те, що пакет правильно прийнятий на канальному рівні, це зовсім не означає, що він був правильно оброблений верхніми рівнями. Наприклад, якщо при прийомі пакету буде висока завантаженість обчислювальних ресурсів приймального вузла, апаратура канального рівня видасть підтвердження джерела, але пакет не буде оброблений коректно. Для збереження цілісності даних необхідно вживати додаткових заходів на верхніх рівнях (в призначеному для користувача протоколі).
Єдиною умовою використання протоколу MiWi в розробках є застосування мікроконтролерів і приймачів виробництва Microchip. Реалізація протоколу MiWi підтримує застосування як 8-розрядних (PIC12 / PIC16, PIC18), так і 16-розрядних (dsPIC, PIC24) мікроконтролерів. Структурна схема трансивера дана на малюнку 1.
Мал. 1. Структурна схема трансивера
Як приймача, сумісного зі стандартом IEEE 802.15.4, застосовується трансивер MRF24J40.
Основні особливості мікросхеми:
- повну відповідність специфікації IEEE 802.15.4;
- можливість реалізації MiWiTM, ZigBeeTM і власних протоколів;
- діапазон частот: 2,405 ... 2,48 ГГц;
- чутливість приймача -95 dBm, потужність передавача 0 dBm (з можливістю програмного регулювання);
- вбудований перемикач RX / TX, балансний вхід і вихід;
- інтегрований малошумящий ГУН, синтезатор і PLL;
- автоматичне калібрування ГУН і цифрового фільтра;
- апаратна підтримка CSMA-CA, автоматичне квитирование;
- 4-провідний послідовний інтерфейс SPI;
- режим зниженого споживання - 2 мкА;
- низькі струми споживання в робочих режимах - 22 мА при передачі, 18 мА при прийомі;
- апаратний модуль шифрування AES-128;
- роздільні FIFO буфери приймача і передавача;
- 40-вивідний корпус QFN (6 × 6 мм).
Важливими особливостями мікросхеми є мінімальна кількість зовнішніх елементів і проста топологія друкованої плати. На малюнку 2 показана схема узгодження антени з опором 50 Ом, на малюнку 3 - приклад друкованої антени.
Мал. 2. Схема узгодження антени для MRF24J40
Мал. 3. Друкована антена 50 Ом
Повністю доступна розводка модуля приймача для матеріалу FR4 (4-шаровий мідний текстоліт), що значно спрощує застосування трансивера в нових розробках.
Для дослідження протоколу і початку розробки власних мережевих пристроїв MiWi Microchip пропонує оцінний комплект DM163027-4. До складу комплекту входить два повнофункціональних вузла на основі мікроконтролера PIC18LF4620-I / P і трансивера MRF24J40, а також аналізатор бездротових протоколів Zena.
Налагоджувальний набір дозволяє:
- Оцінити дальність роботи трансивера укупі з друкованою антеною;
- Вивчити особливості початкової реєстрації вузлів в рамках стандарту IEEE 802.15.4;
- Дослідити протокол MiWi і реалізацію Microchip ZigBee;
- Розробити і дослідити власний комунікаційний протокол.
Програмно-апаратний комплекс Zena дозволяє досліджувати всі протоколи, сумісні зі стандартом IEEE 802.15.4. Зовнішній вигляд для користувача інтерфейсу представлений на малюнку 4.
Мал. 4. Інтерфейс Zena
Вся інформація про протокол, інструкція із застосування, вихідні коди доступна на сайті www.microchip.com/miwi.
Розглянемо більш докладно реалізацію протоколу MiWi. Спочатку в стандарті описано два типи пристроїв. Протокол MiWi визначає три типи пристроїв з різною функціональністю: PAN-координатор, координатор і кінцеве пристрій.
конфігурація мережі
У мережі MiWi головним вузлом завжди є PAN-координатор - утворює вузол мережі.
Топологія «Зірка»
Мережева топологія Зірка показана на малюнку 5.
Мал. 5. Топологія «Зірка»
До її складу входить один PAN-координатор і одне або кілька кінцевих пристроїв. Весь обмін даними між вузлами ведеться тільки через PAN-координатор.
Топологія «Дерево»
Як вже було сказано, в мережі MiWi обов'язково є один PAN-координатор, який є головним вузлом в мережі.
Решта координатори обмінюються даними за допомогою PAN-координатора, а кінцеві пристрої - за допомогою свого координатора. У підсумку виходить деревоподібна структура (рис. 6).
Мал. 6. Топологія «Дерево»
Топологія «Мережа»
Така структура (рис. 7) дуже схожа на «Дерево» за деяким винятком: повнофункціональні пристрої (координатори) можуть обмінюватися інформацією один з одним без участі PAN-координатора. Це підвищує живучість мережі і знижує затримки доставки повідомлень.
Мал. 7. Топологія «Мережа»
Обмін «Точка-точка»
У такій конфігурації два вузла обмінюються інформацією безпосередньо один з одним, без використання мережі. Це найбільш простий спосіб обміну.
Мережі з множинним доступом
IEEE 802.15.4 описує мережі з множинним доступом, тобто такі мережі, в яких будь-який вузол має однаковий спосіб доступу до несучої мережі в будь-який момент часу. Для управління використанням несучої існують два механізми: маркерний і немаркерний.
У маркерне мережі вузли можуть передавати дані по несучої тільки в строго відведений момент часу. Періодично PAN-координатор розсилає суперкадр, званий маркером, за яким синхронізуються всі вузли мережі. Кожен вузол отримує свій квант часу на передачу.
У звичайних мережах з множинним доступом будь-який вузол може почати передачу в момент, коли несуча вільна. У поточній версії MiWi реалізований саме такий спосіб доступу.
Протокол MiWi використовує адресацію відповідно до IEEE 802.15.4 з трьох складових:
1. Розширений унікальний ідентифікатор (EUI) - 8-байтний глобальний ідентифікатор; кожне вироблене в світі пристрій, сумісне зі стандартом, має мати унікальний EUI. Старші три байта, які присвоює IEEE, є ідентифікатором організації. Молодші п'ять байт користувач заповнює сам, враховуючи унікальність пристроїв;
2. Ідентифікатор PAN (PANID) - 16-бітову адресу, що визначає групу пристроїв. Всі вузли однієї мережі мають один PANID, що і говорить про їх належність до конкретної мережі;
3. Короткий адреса - адреса пристрою, що видається йому при реєстрації в поточній мережі. 16 біт короткого адреси спільно з PANID є унікальною комбінацією і використовуються для адресації в конкретній мережі. PAN-координатор завжди має адресу 0000h.
У мережах MiWi використовуються короткі адреси довжиною 16 біт (рис. 8).
Мал. 8. Структура короткого адреси
В бітах 8 ... 10 вказується номер координатора, унікальний для конкретної мережі. Так як під номер координатора відведено 3 біта, це накладає обмеження на кількість координаторів в мережі - 8 штук максимум.
В бітах 0 ... 6 вказується номер вузла. Для координаторів цей номер 0. Біт 7 (RxOffWhenIdle) є інверсним по відношенню до описаного в стандарті RxOnWhenIdle. Встановлений біт говорить про те, що вузол відключає свій трансивер при переході в режим очікування. Всі пакети, адресовані цьому пристрою, будуть зберігатися на батьківському вузлі до тих пір, поки вузол не прокинеться і не почне працювати.
Біти 11 ... 15 не використовуються і завжди заповнюються 0.
Основний і найбільш важливою функцією утвореною бездротової мережі є передача повідомлень. Для обміну по мережі пристрої використовують короткі адреси. Приклад розподілу коротких адрес показаний на малюнку 9.
Мал. 9. Розподіл коротких адрес
Для прямого обміну «точка-точка» використовуються довгі адреси.
Мал. 10. Формат пакета MiWi
Протокол MiWi використовує формат пакетів MAC, описаний стандартом IEEE 802.15.4. (Див. Рис. 10). Вузли мережі використовують режим короткої адресації, також визначений у стандарті. На мережевому рівні в пакети додаються службові заголовки протоколу MiWi, необхідні для маршрутизації і обробки пакетів:
1. Кількість дозволених пересилань (хопов);
2. Управління кадром;
3. Ідентифікатор PAN приймача;
4. Короткий адреса приймача;
5. Ідентифікатор PAN джерела;
6. Короткий адреса джерела;
7. Номер посилки;
8. Тип пакета. Службові пакети мають тип 00h, призначені для користувача пакети 01h..FFh;
9. Ідентифікатор пакету.
Маршрутизація в бездротових мережах є складним завданням. У протоколі MiWi використовується звернення до батьківських вузлів приймача інформації та вбудовані механізми стандарту IEEE.
Однією з основних функцій алгоритму маршрутизації є трансляція вихідного пакета на потрібний координатор.
Для підключення вузла до мережі MiWi використовується стандартна процедура IEEE: новий вузол посилає в ефір спеціальний запит. У відповідь на нього все координатори, які його чують, посилають відповідь з інформацією про своє оточення.
У цій відповіді використовуються три додаткових байта:
1. Ідентифікатор протоколу (1 байт) - для MiWi це 4Dh;
2. Номер версії (1 байт) - зараз 10h;
3. Локальні координатори (1 байт) - вказується список координаторів, з якими конкретний координатор має зв'язок. Кожен біт вказує на зв'язок з одним з восьми можливих координаторів. Біт 0 - зв'язок з PAN-координатором і т.д.
Це дозволяє вузлам дізнаватися всі можливі маршрути в мережі.
Подальший обмін по мережі відбувається відповідно до алгоритму (рис. 11).
Мал. 11. Алгоритм маршрутизації
Широкомовний пакет пересилається координаторами своїм сусідам до тих пір, поки лічильник кількості дозволених пересилань НЕ обнулится, при цьому, такі пакети не передаються кінцевим вузлам. Біт запиту підтвердження доставки ACK в них повинен бути скинутий.
Для передачі даних між вузлами протокол MiWi використовує спеціальні пакети. Всього існує 256 типів пакетів і 256 ідентифікаторів пакета для кожного типу.
Тип 00h зарезервований для обміну службовою інформацією, інші типи доступні користувачеві (таблиця 2). Обсяг переданих даних в пакеті залежить від його типу.
Таблиця 2. Залежність переданих даних від типу пакета
Тип пакета Ідентифікатор Назва 00h 10h OPEN_CLUSTER_SOCKET_REQUEST 11h OPEN_CLUSTER_SOCKET_RESPONSE 12h OPEN_P2P_SOCKET_REQUEST 13h OPEN_P2P_SOCKET_RESPONSE 20h EUI_ADDRESS_SEARCH_REQUEST 21h EUI_ADDRESS_SEARCH_RESPONSE 30 ACK_REPORT_TYPE 01h..FFh 00h..FFh Доступно користувачеві
Інші можливості протоколу MiWi
Адресація і маршрутизація є базовими сервісами будь-якого мережевого протоколу, в тому числі і MiWi. Крім них, в протоколі MiWi передбачені деякі додаткові сервіси, що дозволяють розробникам значно скоротити час виходу готового рішення. Йдеться про встановлення віртуального прямого з'єднання між двома вузлами (механізм сокетів) і пошук пристроїв з потрібним ідентифікатором EUI.
У стандартному режимі обміну з мережі MiWi використовуються короткі адреси. Але в разі реконфігурації мережі коротку адресу конкретного вузла може помінятися, тому що короткі адреси розподіляються батьківськими координаторами. Для відновлення з'єднання з цим вузлом необхідно знати його повний глобальний адреса, який присвоюється пристрою при виробництві і не змінюється.
Для пошуку вузла з необхідним EUI в протоколі MiWi зарезервовані два службових пакету: EUI_ADDRESS_SEARCH_REQUEST і EUI_ADDRESS_SEARCH_RESPONSE. Механізм пошуку EUI показаний на малюнку 12.
Мал. 12. Механізм пошуку EUI
Пакет запиту відправляється вузлом своєму координатору і далі розсилається між координаторами.
Якщо один з координаторів має в складі своїх вузлів вузол з необхідним EUI, він посилає пакет відповіді з коротким адресою шуканого вузла. Ця відповідь надсилається в адресному режимі з використанням адреси джерела з пакету запиту.
У протоколі MiWi також є можливість створення двох типів сокетів: кластерного і прямого.
Прикладом використання кластерного сокета є система управління освітленням. Необхідно зв'язати потрібний вимикач і потрібну лампочку. Для цього на лампочці і на вимикачі передбачаються службові кнопки, натискання на які говорить про те, що пристрій готовий відкрити з'єднання. Натискання цих кнопок на вимикачі і на лампочці настроювачем скаже системі про те, що конкретний вимикач управляє конкретної лампочкою.
Такий тип віртуального з'єднання актуальний для мереж зі стабільною структурою і використовує короткі адреси (рис. 13).
Мал. 13. Відкриття кластерного сокета
Для відкриття кластерного сокета вузол (наприклад, після натискання службової кнопки) посилає пакет OPEN_CLUSTER_SOCKET_REQUEST PAN координатору мережі. З прийому такого запиту PAN-координатор переходить в режим очікування аналогічного запиту від іншого вузла на певний проміжок часу. Якщо протягом цього проміжку PAN координатор отримує другий запит, він відсилає відповідь OPEN_CLUSTER_SOCKET_RESPONSE обом вузлів і вузли встановлюють з'єднання.
Якщо запит від другого вузла ми отримали, режим очікування скидається, і відповідь не надсилається.
Прямі сокети мають інший алгоритм, ніж кластерні.
Коли вузол хоче відкрити прямий сокет, він посилає широкомовний пакет OPEN_P2P_SOCKET_REQUEST, в якому вказує свій глобальний EUI. Будь-вузол, який отримав такий пакет і бажаючий встановити з'єднання, відправляє у відповідь пакет OPEN_P2P_SOCKET_RESPONSE зі своїм EUI.
У поточній реалізації протоколу підтверджувати відкриття сокетов можуть тільки координатори (рис. 14).
Мал. 14. Відкриття прямого сокета
Протокол MiWi підтримує всі сім механізмів безпеки даних рівня MAC, описаних у стандарті IEEE 802.15.4.
Механізми діляться на три групи:
1. AES - CTR - шифрування даних в пакеті. У разі атаки зломщик не зможе отримати вихідну інформацію, не маючи ключа. Цей механізм не контролює цілісність пакета і не захищає адресу джерела, який передається у відкритому вигляді
2. AES - CBC - MAC - підтримка цілісності пакету. У пакет додається поле контролю цілісності (MIC), яке захищає пакет, включаючи заголовок і дані, від модифікацій під час пересилань. Розмір поля MIC задається при розробці; великий розмір збільшує ступінь захисту.
3. AES -CCM - поєднує попередні механізми: підтримує цілісність і шифрує вміст.
Режими шифрування вказані в таблиці 3.
Таблиця 3. Режими шифрування
Режим шифрування Механізми Розмір MIC Ідентифікатор Назва Контроль
доступу Шифрування Цілісність Свіжість
посилки 01h AES-CTR * * * 0 02h AES-CCM-128 * * * * 16 03h AES-CCM-64 * * * * 8 04h AES-CCM-32 * * * * 4 05h AES-CBC-MAC-128 * * 16 06h AES-CBC-MAC-64 * * 8 07h AES-CBC-MAC-32 * * 4
Будь-який з механізмів додає в заголовок пакета три поля:
- лічильник пакетів;
- повна адреса джерела;
- послідовний номер.
В результаті розмір пакета збільшується на 13 ... 29 байт в залежності від застосовуваного механізму (рис. 15).
Мал. 15. Формат пакета MiWi з шифруванням
Більш докладно про механізми шифрування можна дізнатися з опису протоколу.
Протокол MiWi реалізований для мікроконтролерів PIC18 і PIC24 і, що поставляється в вихідних кодах, може бути портовано для PIC12 / PIC16.
Мінімальні вимоги до продуктивності ядра і можливість переходу в режим очікування дають можливість створення дешевих батарейних вузлів для роботи в бездротових мережах MiWi.
Розробнику слід звернути увагу на описаний раніше оцінний комплект DM163027-4 - цього достатньо для початку роботи і дослідження основних параметрів радіоканалу і протоколу. Причому, в комплекті поставляється програмне забезпечення як для MiWi, так і для ZigBee.
Важливим приводом для початку розробки радіопристроїв з діапазоном 2,4 ГГц є рішення Державної комісії з радіочастот про виділення вказаного діапазону для розробки, виробництва та модернізації пристроїв малого радіусу дії без отримання додаткових дозволів.
Для внутріофісного застосування яку випромінює потужність обмежена 100 мВт, для всіх інших застосувань - 10 мВт. Детальну інформацію про використання радіочастотного 2,4 ГГц можна знайти на офіційному сайті www.minsvyaz.ru .
Отримання технічної інформації, замовлення зразків, поставка -
e-mail: [email protected]
Новий LDO-стабілізатор
Компанія Microchip Technology Inc. анонсувала новий мікропотребляющій компенсаційний (LDO) стабілізатор MCP1703.
Основні характеристики:
- діапазон вхідних напруг: 2,7 ... 16 В,
- власний струм споживання: 2,0 мкА,
- вихідний струм: до 250 мА при вихідному напрузі і2,5 В,
- вихідний струм: до 200 мА при вихідному напрузі Ј2,5 В.
- падіння напруги вхід-вихід: 650 мВ @ 250 мА, V = 2,8 B,
- точність виставлення вихідної напруги: 0,4%,
- ряд вихідних напруг 1.2, 1.5, 1.8, 2.5, 2.8, 3.0, 3.3, 4.0, 5.0 В;
- захист від короткого замикання і перегріву;
- стабільна робота з конденсаторами номіналом від 1,0 мкФ до 22 мкФ.
- розширений температурний діапазон: -40 ... 125 ° С,
- 3-вивідні мініатюрні корпусу: SOT-23A, SOT-89, SOT223.
про компанію
... Читати далі
<
