Обзор возможностей ПО «SerialStar»

Общие сведения

Программное обеспечение (ПО) «SerialStar» предназначено для развертывания систем беспроводной передачи данных на основе  RF модулей компании «Системы, модули и компоненты» (СМК), работающих в частотном диапазоне 868 МГц.  В частности, эти продукты можно использовать для решения задач IoT. Сбор данных со счетчиков энергоресурсов, высокоточное беспроводное управление освещением, охранно-пожарная сигнализация, организация беспроводных каналов передачи данных в приложениях промышленной автоматизации – вот далеко не полный перечень  задач, которые можно решить с ПО «SerialStar» и RF модулями компании СМК.

Примечательно, что спроектировать и развернуть широкий круг сетей можно без каких-либо доработок ПО.

Топология

«SerialStar» поддерживает топологии «точка-точка» и «звезда». В рамках одной ячейки сети число узлов может достигать 65535 шт. При использовании подсетей и изменении несущей частоты число узлов практически неограниченно, а время автономной работы узла  от одного элемента АА (по заявлению СМК) может достигать до 10 лет.

Все устройства в сети равнозначны. При условии  нахождения  устройств в зоне радиовидимости каждое из них может напрямую связаться с другим в рамкой одной сети или передать данные на все устройства сети.

ПО  «SerialStar» позволяет организовать независимые сети в зоне общего покрытия, а также создать изолированные логические сегменты в рамках общей сети с присвоением каждому узлу внутри одного логического сегмента уникального идентификационного номера. 

Адресация

Полный адрес устройства состоит из пяти байт (см. Таблицу 1)

Таблица 1. Полный адрес устройства в сети

*Адрес FFFF предназначен для отправки широковещательных сообщений 

ID сети: Старший байт физического адреса. Обеспечивает сосуществование в одной зоне покрытия систем  разного назначения или принадлежности. Назначается оператором системы.

ID системы: Второй и третий байты физического адреса. Идентификатор предназначен для организации логических сегментов в границах одной сети с общим ID сети. Назначается оператором системы.

ID модема (по умолчанию 0х0001): Идентифицирует сетевой узел внутри сети с одним ID сети и ID системы. Назначается оператором системы. 

Ответственность за корректное назначение адресов возлагается на оператора сети во время ее развертывания.

 Режимы работы линии ввода/вывода (I/O) модулей

 Программное обеспечение модулей MBee-868 поддерживает настройку режимов работы линий  I/O и управление их состоянием. Для настройки режимов работы  линий  I/O используются AT-команды или API-фреймы.

При работе в командном режиме с помощью AT-интерфейса все изменения применяются с одновременным сохранением их в энергонезависимой памяти. Если стоит задача динамического локального управления линиями I/O со стороны хоста, подключенного к модулю, оптимально использовать ни AT-команды, а API-фреймы без сохранения изменений и с немедленным их применением. AT-командами удобно пользоваться для настройки состояния выходных линий после включения питания. Это обеспечит безопасное состояние системы.

Внимание! Контроль за присвоением режимов линиям I/O со стороны ПО «SerialStar» не осуществляется. Исключением является запрет повторных назначений для некоторых режимов. Для контроля правильности распределения линий ввода/вывода рекомендуется пользоваться AT-командой HV.

Ниже приведен список режимов, которые можно присвоить только одной линии ввода/вывода:

UART TX, UART RX, UART CTS, UART RTS, SYSTEM LED, SLEEP REQUEST, SLEEP STATUS, RS485 DIRECTION.

Работа линий ввода/вывода в режиме «проброса портов»

Функция позволяет решить целый ряд задач без использования микроконтроллера или компьютера и применима к цифровым и аналоговым линиям  I/O.

Цифровые порты: Состояние цифровых выходов модуля, принимающего сигналы, устанавливается в соответствии с состоянием цифровых входов с аналогичными номерами контактов  удаленного модуля.

Аналоговые порты: Рабочий цикл ШИМ на цифровых выходах принимающего модуля устанавливается пропорционально уровням напряжений на соответствующих аналоговых входах передающего модуля.

Функция «проброса портов» сохраняет установленный сигнал на выходе принимающего модуля до прихода пакета от управляющего модуля с измененными значениями входных линий.

Ограничения времени установки сигналов на выходах управляемого модуля: Реализованы с помощью специального таймера, который автоматически обнуляется при получении каждого пакета от управляющего модуля. При достижении таймером установленного значения все выходы, настроенные на «проброс портов», переводятся в режим входа с подтягивающим к «земле» резистором.

Режимы работы модема

Командный режим. Режим разработан для управления и настройки модуля MBee-868. Управление осуществляется с помощью AT-команд.

Прозрачный режим. Все полученные по UART данные от хоста сразу передаются по радиоканалу модему, адрес которого указан в настройках модема в поле получателя. Все данные, полученные по радиоканалу и предназначенные данному модему или широковещательные (адрес получателя 0xFFFF), сразу отправляются в UART. Таким образом, можно организовать беспроводной удлинитель UART. Преимущество режима – отсутствие служебной информации в передаваемых данных, что увеличивает пропускную способность канала. 

Пакетный режим. Расширяет возможности взаимодействия хоста с модемом. Передаваемые данные размещаются в одном пакете со служебной информацией (Адрес получателя, Тип передаваемого пакета, Контрольная сумма). Пакетный режим может быть дуплексным и симплексным. Т.е. симплексный – в одну сторону пакетный, в другую – прозрачный. Таким образом, данные могут передаваться:

• От хоста к модему и от модема к хосту
• От хоста к модему
• От модема к хосту

Пакетный режим с escape-символами. Упрощает процедуру разбора данных, принятых хостом от модуля. Включение пакетного режима с escape-символами гарантирует, что парсер хоста сможет всегда найти начало фрейма. В пакетном режиме с escape-символами программное обеспечение модема проверяет каждый байт исходящего сообщения, за исключением первого, всегда равного 0x7E. В случае совпадения байта с одним из нижеследующих специальных символов 0x11(XON), 0x13 (XOF), 0x7D (ESCAPE), 0x7E (START DELIMITER), он заменяется в соответствии со специальным алгоритмом. Замена специальных символов escape-последовательностями распространяется на все поля исходного пакета, включая контрольную сумму. Значения полей, обозначающих длину пакета и контрольную сумму, соответствуют параметрам исходного пакета.

Режим пониженного энергопотребления. Для обеспечения пониженного энергопотребления модема предусмотрено несколько вариантов режима сна. В этих вариантах отключается вычислительное ядро модема, радиоядро и неиспользуемая периферия, в результате чего потребление модема сокращается до 2-4 мкА, что позволяет обеспечить длительный срок службы от автономного источника питания. Имеется выход модема с сигналом статуса энергосбережение, который может быть использован для управления питанием внешних устройств (датчиков) при организации периодического опроса. 

• Внешнее управление режимом сна. Переход из активного режима в режим сна и обратно реализуется с помощью сигнала, подаваемого на вывод SLEEP REQUEST (по умолчанию №7) модуля MBee-868. Высокий уровень переводит модуль в режим сна, низкий – в активный режим. После снятия сигнала SLEEP REQUEST, модем переходит в спящий режим после выполнения всех задач и паузы, длительность которой задается специальной командой SP. При возникновении события во время паузы таймер обнуляется, событие обрабатывается, после чего таймер запускается снова.

• Циклический режим сна. Модем циклически переходит в активный режим. Параметры цикла задаются командами SP, DS и ST. 
  
  Параметр SP(sleep period) определяет время сна модема.
  
  Параметр DS определяет длительности задержки между выходом модема из режима сна и измерением аналоговых датчиков. Задержка обеспечивает компенсацию переходных процессов в аналоговых датчиках после подачи на них питания.
  
  Параметр ST управляет временем нахождения модема в активном режиме после обработки им события, вызвавшего выход из режима сна и событий, произошедших непосредственно после этого. 

• Комбинированный режим сна. Аналогичен циклическому режиму, но с возможностью выхода из сна при переходе сигнала SLEEP REQUEST на соответствующем входе модуля MBee-868 из высокого уровня в низкий. После завершения всех операций, снятия сигнала SLEEP REQUEST и по истечении времени, определяемого параметром ST, модем автоматически возвращается в режим сна.

Командный интерфейс

С целью обеспечения управления и настройки модулей MBee в ПО «SerialStar» реализован командный интерфейс. Управление осуществляется АТ-командами. Переход в командный режим можно осуществить в любом режиме несколькими способами:

1. Нажатием системной кнопки. Выход осуществляется нажатием либо системной кнопки, либо кнопки Reset.
2. Передачей трех символов «+» в течение 2 секунд с интервалом между символами не менее двух символов. Выход осуществляется передачей трех символов «+» или нажатием кнопки «System», или «Reset».

Все настройки, сделанные в  командном режиме, применяются только после передачи специальной АТ-команды. Для  сохранения их во flash-памяти необходима передача отдельной команды, иначе после перезагрузки программного обеспечения все настройки вернутся к ранее установленным значениям.

4-кратное нажатие в течение 2 секунд на системную кнопку восстанавливает заводские настройки.

Формат AT-команды  

AT – префикс; ASCII – код команды; Parameter – данные; Carriage Return – возврат каретки.

Код команды всегда имеет длину 2 символа. Допускаются как большие, так и маленькие буквы. Код команды может быть отделен от символов “AT” пробелами (необязательно). Максимально допустимое число пробелов – 3.

Количество байт данных зависит от команды. Данные могут быть отделены от команды пробелами (необязательно). Количество пробелов не более трех. Представление данных: либо шестнадцатиричное с префиксом 0х, либо десятичное без  ведущих нулей.

Для чтения установленного значения необходимо отправить соответствующую команду без параметра, за которой следует <CR>. Модем возвращает текущее установленное значение в десятичном виде. При отправке команды без параметра с префиксом «0x» и с последующим <CR>, модем возвращает текущее установленное значение в шестнадцатеричном виде. После успешного выполнения большинства команд, не вызывающих рестарт модуля, выдается сообщение «OK».

Список поддерживаемых AT-команд представлен в Техническом описании программного обеспечения «SerialStar».

Работа в пакетном режиме 

Общий формат фрейма в пакетном режиме 

При работе в пакетном режиме все данные передаются в определенном формате. При передаче API-фрейма по UART от хоста к модему не допускаются таймауты между символами фрейма более, чем удвоенное время передачи одного символа. Общий вид API фрейма приведен в Таблице 2.

Таблица 2. Общий вид API фрейма

 Первый байт фрейма (стартовый байт) 0x7E идентифицирует начало кадра.

Второй и третий байты (длина API-фрейма) указывают количество байт в поле данных фрейма, которое не включает в себя первый (стартовый) байт, второй и третий (длина API-фрейма) и последний байт (контрольная сумма).

MSB (второй байт фрейма) - старший байт длины поля фрейма.

LSB (третий байт фрейма) – младший байт длины поля фрейма.

Type (четвертый байт фрейма) – идентифицирует тип фрейма (Таблица 3).

Таблица 3. Типы API-фреймов

*С развитием ПО «SerialStar» возможно дополнение новых типов фреймов.

Широкое разнообразие форматов API-фреймов, примеры, вопросы целостности и буферизации данных подробно рассмотрены в Техническом описании программного обеспечения «SerialStar».

Ретрансляция пакетов 

Использование ретрансляторов позволяет существенно расширить возможности сети за счет использования более сложных, чем звезда, топологий, а также за счет организации ретрансляции между сетями, что, практически неограниченно расширяет емкость сети. Каждый узел сети может работать в качестве ретранслятора.

Для активации режима ретрансляции достаточно с помощью АТ-команды DM (Device Mode) установить второй бит в «1».

Для организации межсетевой ретрансляции с помощью АТ-команды DM необходимо установить шестой бит в «1», что активирует включение в пакет полей <Frame ID>  и <Previous Hop ID>.

Ретрансляционный узел всегда должен находиться в состоянии приема, для чего режим сна необходимо выключить, установив параметр AT-команды SM в ноль.

Установка режима ретрансляции не оказывает влияния на остальные функции узла: сохраняется поддержка цифровых и аналоговых линий IO, UART  и пр.

Все ретрансляторы используют статическую маршрутизацию, т. е. маршруты определяются и записываются на этапе развертывания сети.

Самая распространенная сетевая архитектура – «звезда», при использовании которой данные от конечных устройств передаются на единый концентратор. При использовании ретрансляторов концентратор всегда имеет адрес 0х01. Для остальных узлов адрес можно назначать произвольно.

Маршрутизация сети с ретрансляторами определяется двумя параметрами – адресами «вышестоящего ретранслятора» и «нижестоящего ретранслятора» (Рис. 1).

Рис. 1. Маршрутизация сети с ретрансляторами

С помощью AT-команды «UR» (Uplink Repeater) записывается адрес ретранслятора, расположенного ближе к концентратору. Устройству с данным адресом будут ретранслироваться все предназначенные концентратору пакеты, полученные от конечных устройств и от более удаленных ретрансляторов. Если настраиваемый ретранслятор передает данные от конечных узлов сразу концентратору, то адрес Uplink Repeater не изменяется и остается равным 0x01. Запись адреса ретранслятора, предназначенного для передачи команд конечным устройствам, осуществляется с помощью AT-команды «DR» (Downlink Repeater). Если настраиваемый ретранслятор является последним (или единственным) в сети, то адрес Downlink Repeater не изменяется и остается равным 0x01.

При ретрансляции поле данных исходного пакета и его идентификатор не изменяются. Идентификатор обеспечивается возможность получения подтверждения доставки.

Использование ретрансляторов имеет некоторые особенности и налагает определенные ограничения, которые подробно рассмотрены в Техническом описании программного обеспечения «SerialStar». Там же рассмотрены особенности использования ретрансляторов для организации сетей с топологией «точка-точка», «Backbone», «Звезда».

Сетевая маска

Сетевая маска предназначена для блокировки приема пакетов от отдельных групп узлов сети с целью исключения избыточного трафика. Такая ситуация может возникнуть, например, если в зоне покрытия одного источника сообщения имеется несколько ретрансляторов. Если маска не используется, т.е. равна 0х0000 (значение по умолчанию), пакет от источника сообщения будет принят всеми ретрансляторами и передан адресату одновременно. В такой ситуации адресату самому придется исключать дублированные пакеты. Пример настроек сетевой маски для исключения такой ситуации показан на Рис. 2. Для реализации фильтрации необходимо выполнение ряда условий, подробно изложенных в Техническом описании «SerialStar».

Рис. 2. Пример настроек сетевой маски для исключения приема сообщения всеми ретрансляторами и передачи их адресату одновременно

Шифрование

Предназначено для предотвращения несанкционированного перехвата данных и/или управления. Шифрование трафика реализовано в «SerialStar» с помощью интегрированного аппаратного ускорителя с использованием алгоритма шифрования AES-128.

В прозрачном и пакетном режиме с использованием фрейма 0х0F шифрование осуществляется путем установки в пятом бите единицы с помощью команды AT DM. Поле данных всех эфирных пакетов будет зашифровано с помощью 16-байтного ключа. Изменить ключ, установленный «по умолчанию», можно только с помощью AT-команды «AT KY». Доступ к ключу шифрования с помощью API-фрейма запрещен. Считывание ключа шифрования невозможно. В пакетном режиме с фреймами 0x01, 0x10, 0x17 установленное значение в 5-м бите регистра DM игнорируется. Данные шифруются или не шифруются в зависимости от установки 5-го бита в поле Options передаваемого пакета. Если входящий пакет зашифрован, то его расшифровка будет осуществляться независимо от установки соответствующего бита в регистре DM. Если принятые данные были зашифрованы отличным от установленного в принимающем модеме ключа, то они будут автоматически отброшены.

Модули MBee-868 с ПО «SerialStar» 

Для записи/обновления ПО модем MBee-868 должен быть подключен к ПК с помощью доступного трансивера последовательного интерфейса, например, MB-USBridge. Предварительно на ПК должна быть установлена интуитивно понятная программа SysmcBootLoader. С помощью нее можно выбрать требуемую скорость последовательного интерфейса, включить или выключить аппаратное управление потоком. При выборе скорости передачи данных необходимо учитывать максимальную пропускную способность радиоканала, которая зависит от битовой скорости эфирного протокола, расстояние между модулями, типов антенн, наличия помех и т. д., т. е., выбор высокой скорости передачи данных V не означает, что вы получите такую же пропускную способность канала при эфирной скорости U < V.

Дальность связи 

В Таблице 4 приведен оценочный расчет по формуле Фрииса дальности устойчивой связи в зоне прямой видимости для конкретной битовой скорости при мощности передатчиков MBee-868-2.0 14 дБм, MBee-868-3.0 10 дБм, коэффициенте усиления антенн 2 дБм и рабочей частоте 868.75 МГц.

Таблица 4. Дальность связи модулей MBee-868 в зоне прямой видимости

В Таблице 5 приведены коды, устанавливающие выходную мощность передатчиков MBee-868-x.0.

Таблица 5. Коды, устанавливающие выходную мощность передатчиков MBee-868-x.0

Примечание: Красным цветом указаны значения, выходящие за рамки требований ГКРЧ от 07.05.2007 г. (№ 07-20-03-001) и изменений в них от 11.09.2018 г.

Весь спектр продукции компании СМК вы можете приобрести непосредственно на сайте компании Терраэлектроника.

Источник: Техническом описании программного обеспечения «SerialStar»

Производители: СМК

Разделы: Демонстрационные платы, Приемо-передатчики

Опубликовано: 04.03.2020