Основная цель работ, проводимых в данном направлении - освоение современных техник и технологий построения беспроводных систем сбора данных и управления.
На данном этапе идет активное освоение технологии ZigBee - как на уровне стандарта 802.15.4, так и на уровне стандартизованных протоколов и профилей.
Отладочный набор «Тысячелистник»
Отладочный набор тысячелистник предназначен для комплексного интерактивного освоения современных технологий беспроводных сетей сбора данных, управления и автоматизации.
Целевыми приложениями являются:
- комплексная программно-аппаратная платформа для робототехнического творчества;
- освоение стеков протоколов, основанных на стандарте 802.15.4 – ZigBee PRO, 6LoWPAN;
- базовые узлы для построения автоматизированных систем мониторинга и управления по стандартам HomeAutomation, BuildingAutomation, SmartEnergy.
В базовый набор входят:
- ISP программатор контроллеров AVR;
- платы с микроконтроллером ATMEGA128RF1A «ZigBee-USB-Stick»;
- платы с микроконтроллером ATMEGA128RF1A «Leaf»;
- набор антенн (диполь, изотропный диполь, петлевая, направленные антенны);
- плата с силовыми драйверами (набор силовых ключей + пара Н-мостов) «Power-Drives».
Плата «ZigBee-USB-Stick»
Основные характеристики:
• интерфейс с ПК – USB;
• последовательные интерфейсы - I2C, UART, SPI;
• 3 линии ШИМ;
• 4 линии GPIO;
• 4 аналоговых входа АЦП - AIN0-AIN3, 4 линии порта Е;
• светодиодная индикация:
- сброс;
- активность радиоканала;
- прием/передача данных по UART;
- состояние линий GPIO.
Плата рассчитана на подключение дифференциальной антенны:
- четвертьволновой диполь;
- рамочная антенна.
Конфигурация платы совместима с фирменной отладочной платой для megaRF1A - STK600.
Возможен запуск демонстрационных приложений:
- поставляемых со стеком BitCloud;
- поставляемых с расширением стека протокола набором ZigBee профилей HomeAutomation, SmartEnergy, BuildingAutomation - BitCloud Profile Suite;
- приложения типа SerialNet, Runner, WSNdemo.
Предварительные «полевые» испытания на дальность связи (выходная мощность 0 дБм – 1 мВт):
- в пределах здания - по этажу ~65-70 м, между этажами ~15-30.
- открытое пространство (городские условия) ~115 - 130 м.
Возможно питание как от USB интерфейса ПК (или любого источника питания с выходным напряжением 5В), так и подключение батареи на 3 – 3.6 В в случае автономной работы.
Области применения:
- координатор сенсорной сети (особенно при использовании ПК в качестве шлюза прикладного уровня);
- дистанционное управление домашней автоматикой;
- контроллер RGB лент;
- контроллер светодиодных светильников (LED-контроллер).
Модификации:
- внешняя подключаемая плата с «балонным» фильтров и SMA разъемом для подключения несимметричных антенн (например штыревых или керамических).
- модульное исполнение для оптимизации массо-габаритных показателей – три платы – антенная (либо печатная дифференциальная антенна или плата согласования с не симметричной антенной), основная плата с беспроводным контроллером, преобразователь интерфейсов UART<>USB.
Плата «Leaf»
Основные характеристики:
• 4 полных порта ввода-вывода (до 32 GPIO линий), включая аналоговые входы, последовательные интерфейсы, JTAG;
• светодиодная индикация:
- сброс;
- активность радиоканала;
- прием/передача данных по UART0.
• дифференциальная печатная антенна
Питание:
- от источников питания от 6 до 15В;
- напрямую от батарей 3-3.6 В (+ при работе платы в режиме конечного сетей ZigBee).
Области применения:
- базовая плата для учебных микропроцессорных комплектов «Микропроцессорные системы – контролеры AVR», «Беспроводные сенсорные сети – сети 802.15.4, ZigBee PRO, ZigBee profiles»;
- узел беспроводной сенсорной сети (любой тип узла – конечное устройство, маршрутизатор, координатор);
- базовый управляющий узел систем дистанционного управления.
Конфигурация платы совместима с фирменной отладочной платой для megaRF1A - STK600.
Возможен запуск демонстрационных приложений:
- поставляемых со стеком BitCloud;
- поставляемых с расширением стека протокола набором ZigBee профилей HomeAutomation, SmartEnergy, BuildingAutomation - BitCloud Profile Suite;
- приложения типа SerialNet, Runner, WSNdemo.
Предварительные «полевые» испытания на дальность связи (выходная мощность 0 дБм – 1 мВт):
- в пределах здания - по этажу ~65-70 м, между этажами ~15-30.
- открытое пространство (городские условия) ~115 - 130 м.
Модификации:
- для приложений, носящих экспериментальный характер – исполнение с подключаемой внешней антенной.
Антенный набор
Конечно, представленный антенный набор несколько беднее, чем аналогичный, скажем от Texas Instruments, и представлен в основном пока дифференциальными симметричными антеннами
Четвертьволновой диполь - классическое решение для дифференциальной антенны, отличающееся возможностью аналитического расчета, простотой изготовления и достаточно высокой повторяемостью параметров.
U-образный диполь
Данная антенна интересна тем, что имеет практически изотропную диаграмму направленности в свободном пространстве. Для конфигурации, представленной на рисунке волновое сопротивление антенны не оптимально для подключения напрямую к дифференциальным выводам приемопередатчиков. Лучшим вариантом () является U-образный диполь с ближе расположенными плечами, длины, несколько большей, чем 0.25λ.
Петлевая антенна (создана по чертежам Texas Instruments)
Дифференциальная антенна для приемопередатчиков серий AT86 (копия с чертежей антенны для приемопередатчиков 2.4 ГГц)
Модификация антенны, представленной выше – добавлен отражатель, что дает примерно +3 дБм к коэффициенту усиления
Плата «LiteZB»
Плата LiteZB предназначена для макетирования устройств и систем на базе стека протоколов BitCloud фирмы Atmel и содержит в себе модуль ZigBitAmp (ATZB-A24-UFL/U0). Представляет собой двухстороннюю печатную плату размерами 45х56 мм для мезонинного монтажа с штыревыми контактами (шаг 2.54 мм).
На плате установлено минимум дополнительных элементов – только необходимая для запуска и работы модуля «обвязка». Но, несмотря на это, для работы доступны практически все внешние выводы модуля:
- последовательные интерфейсы (I2C, UART, SPI);
- до 8 аналоговых входов (4 стандартно + 4 при отключенном JTAG интерфейсе);
- 2 линии прерываний;
- JTAG интерфейс отладки;
- программирование через обычный COM порт.
Питание осуществляется либо через внешний блок питания с напряжением 3,3В, либо от аккумулятора на 3,6В или литиевой батареи.
В качестве первого примера рассмотрена задача дистанционного управления объектом (на базе платы LiteZB) – для простоты и наглядности будет использована дистанционно управляемая модель автомобиля.
Модель автомобиля имеет следующее оборудование:
– два двигателя постоянного тока, один из которых используется для движения модели, второй для приведения в действие поворотного механизма;
- светодиоды, имитирующие фары ближнего/дальнего света;
- светодиодные стоп сигналы;
- светодиодные указатели поворотов;
- светодиодная подсветка-«моддинг».
Управление моделью осуществляется человеком при помощи пульта управления (может быть использован и персональный компьютер) в пределах визуального контакта - т.е. обратной связи, помимо подтверждения принятия команды не предусматривается. Аппаратная часть, используемая для взаимодействия с силовыми частями автомодели присутствует. Таким образом, необходимо передавать команды для управления направлением движения (вперед/назад, повороты, регулировка скорости) и включением/выключением светодиодов (ближний/дальний свет, стоп сигналы, повороты, подсветка).
Внешний вид модели
_________________________________________________
Команда разработчиков
Александр Калачев - Алтайский государственный университет, к.ф.-м.н., доцент -проект, монтаж, отладка;
Михаил Усольцев - Алтайский государственный университет, студент 4 курс, проект, монтаж, отладка;
Максим Виноградов - Алтайский государственный университет, студент 4 курс, монтаж, отладка.
