СС3000 - Wi-Fi-модуль для створення «інтернету речей»

1. Технічні параметри та підключення
2. програмне управління
3. Технологія SmartConfig ™
4. засоби розробки
5. Висновок

Для бездротового підключення до мережі Інтернет на сьогоднішній день широко доступні лише два стандарти - GSM і Wi-Fi. Використання GSM (включаючи 3G і LTE) стало де-факто стандартом в M2M-промислових додатках. Використання недорогих Wi-Fi-чіпів, орієнтованих на ринок гаджетів, обмежувалася складністю розробки і небажанням виробників надавати технічну підтримку розробникам M2M-пристроїв. Сьогодні ситуація змінилася - компанія Texas Instruments випустила Wi-Fi-модуль CC3000MOD , Спеціально розроблений для ринку «інтернету речей» і має ціну менше $ 10 (ціна на сайті виробника). У статті розглянуто особливості практичного використання модуля в зв'язці з недорогими процесорними платами MSP430-Launchpad .

Концепція Internet Of Things має на увазі підключення до мережі оточуючих нас речей, таких як побутова техніка, автомобілі, спортивні тренажери, інженерні та охоронні системи будівель - практично будь-яких предметів, з якими має сенс вести обмін інформацією (рисунок 1).

Мал. 1. Побутова техніка як один із сегментів «інтернету речей»

В одному випадку це може бути інформація, генерація якої, власне, і є основною функцією пристрою (датчик температури), в іншому випадку це будуть допоміжні дані, що підвищують зручність користування, наприклад, повідомлення про процес роботи або поломки. Процес підключення предметів до мережі стартував більш десяти років тому. Спочатку це були провідні мережі доступу до обладнання в галузі енергетики і до дорогого технологічного устаткування в промисловості. Протягом останніх п'яти років в світі стрімко зростає число M2M-мереж лічильників енергії, розвиваються навігаційні сервіси стеження за автомобільним транспортом і бездротові системи безпеки. Істотне зростання числа об'єднаних в мережу машин стало можливим завдяки розвитку бездротових технологій. Електронні компоненти для бездротової передачі даних займають чільне місце в лінійках всіх без винятку великих виробників мікросхем, а молоді компанії, що мають оригінальні розробки в цій області, розкуповуються великими гравцями як гарячі пиріжки. Поширення ноутбуків, планшетів і смартфонів забезпечило виходом в мережу велика кількість людей. Мініатюризація і зниження вартості електронних компонентів дозволило підключити до мережі різноманітну побутову техніку (рисунок 1), включаючи речі, які ніколи не претендували на «інтелектуальність», наприклад, окуляри, кросівки або навіть столові прибори (малюнок 2). Ми стоїмо сьогодні на порозі наступного витка розвитку «інтернету речей». Експерти пророкують, що до 2020 року від 30 (Gartner) до 75 (Morgan Stanley) мільярдів речей буде об'єднано в мережі.

Мал. 2. «Розумні» речі »

Технічні параметри та підключення

Модуль SimpleLink Wi-Fi CC3000MOD (Рисунок 3) був вперше представлений компанією Texas Instruments на виставці CES 2012. Модуль побудований на базі перевірених часом Wi-Fi-рішень шостого покоління TI, які вже працюють в мільйонах споживчих пристроїв по всьому світу. CC3000MOD позиціонується виробником як закінчене апаратно-програмне рішення з вбудованими мережевими протоколами, що дозволяє додати бездротової Wi-Fi-доступ в виріб навіть з мікро контролером невеликої потужності. Для інтеграції модуля не потрібно особливих знань в області розробки високочастотних схем. Гарантовані радіотехнічні параметри і, як наслідок, відсутність проблем при сертифікації забезпечуються 100% вихідним контролем при виробництві.

Мал. 3. Wi-Fi-модуль SimpleLink CC3000MOD

Технічні параметри модуля наведені в таблиці 1, для роботи модуля потрібно мінімум зовнішніх компонентів (рисунок 4). Модуль містить керований стабілізатор для вбудованого процесора і може працювати як від мережевого джерела живлення, так і безпосередньо від літій-іонної батареї. Для відключення живлення можна використовувати вбудований ключ, який управляється по лінії VBAT_SW_EN від GPIO-порту хоста. Окреме напруга ліній введення-виведення полегшує узгодження рівнів для підключення керуючого мікроконтролера з будь-яким напругою живлення в межах 1,8 ... 3,6 В. Модуль не вимагає кварцу або зовнішнього тактирования, але сам може видавати сигнал 32,768 кГц на лінію EXT_32K.

Мал. 4. Схема підключення CC3000MOD

Таблиця 1. Технічні характеристики СС3000MOD

802.11 b / g, BSS Station Вихідна потужність TX power: +18,0 dBm at 11 Mbps, CCK Чутливість RX sensitivity: -88 dBm, 8% PER, 11 Mbps Режими безпеки WEP, WPA / WPA2 (AES і TKIP - Personal ) Вбудовані стеки протоколів TCP / IP stack (IPv4 - DHCP client, DNS, mDNS, ARP), Wi-Fi driver, security supplicant, Auto-calibrated radio Програмний інтерфейс BSD-sockets (~ 35 APIs) Обсяг FLASH і RAM на зовнішньому микроконтроллере , Кбайт 5 (Flash) і 3 (RAM) Інтерфейс зовнішнього управління SPI 16 MГц Пропускна здатність (TCP), Mbps ~ 4 * Число одночасно відкритих з'єднань 4 сокета (UDP або TCP) Режими енергоспоживання Активний режим (92 мА, тип. ток RX ); вимкненому стані (Shutdown Mode) <5 мкА Напруга живлення, В 2,7 ... 4,8 Робоча напруга для ліній введення-виведення (I / O Voltage), В 1,8 ... 3,6 Розміри, мм 16,3 × 13 , 5 × 2 Температурний діапазон, ° C -20 ... 70 Оновлення прошивки Через завантаження Patch в EEPROM Допоміжні інтерфейси I2C для прямого доступу до EEPROM UART для тестування родючості Сертифікація FCC, IC, CE (для варіанту з ЧІП-антеною)

* - виміряно при роботі разом з мікро контролером MSP430FR5739.

Головне управління здійснюється за п'ятьма лініях інтерфейсу SPI (малюнок 5). CC3000MOD виступає в якості підлеглого Slave-пристрої. Частота тактирования 0 ... 16 МГц. Передача даних здійснюється блоками по 16 біт, першим йде старший біт. Читання даних відбувається по спаду сигналу CLK (CPHA = 1). Якщо довжина блоку виходить непарній, то в кінці потрібно додати опціональний вирівнюючий байт. Спеціальна лінія IRQ (від СС3000MOD до хосту) повідомляє Master (керуючий мікроконтролер) про те, що СС3000MOD має деякі дані, які необхідно віднімати. Ця ж лінія повідомляє про готовність CC3000MOD до обміну даними по SPI.

Мал. 5. Керуючі лінії SPI

Структура SPI-пакета приведена на малюнку 6. Першим йде байт «Команда», який включає в себе ознака записи або читання даних. Далі в двох байтах вказується довжина блоку з урахуванням вирівнюючого байта. Завершують заголовок пакета два байта «Зайнято» (Busy). Використовуваний формат SPI-протоколу є розширенням стандартного SPI. При відправці найпершого SPI-пакета необхідно вставити дві паузи по 50 мкс після виставлення сигналу CSn і між 4 і 5 байтами (між байтами Busy).

Мал. 6. Формат SPI-блоку даних

Приклад SPI-пакета HCI_CMND_SIMPLE_LINK_START, який повинен бути відправлений першим з боку хоста після подачі живлення на СС3000 , Наведено на малюнку 7. Для виконання всіх операцій з передачі даних через Wi-Fi-мережу виробником надається набір API у вигляді переносних незалежного вихідного C-коду драйвера хоста, тому розробнику не обов'язково вивчати формат передачі даних на рівні HCI.

Мал. 7. HCI-пакет HCI_CMND_SIMPLE_LINK_START

Наявна на борту EEPROM-пам'ять використовується для збереження конфігурації мережі, MAC-адреси і оновлення прошивки, яке реалізовано у вигляді завантаження невеликих виправляються шматків коду (Patch). Оновлення прошивки (патчі) випускаються виробником. Доступ до EEPROM можливий як безпосередньо, через окремий службовий інтерфейс I2C, так і через основний інтерфейс управління SPI c допомогою спеціального API. У EEPROM є вільна область об'ємом близько 5 Кбайт, де можна зберігати призначені для користувача дані.

Інтерфейс UART (лінії WL_RS232_RX і WL_RS232_TX) призначені для прямого управління радіочіпи з метою тестування радіочастотних параметрів при виробництві модуля. Спеціальна Windows-утиліта СС3000 Radio Tool дозволяє ініціювати безперервний прийом або передачу для калібрування радіо. В принципі, в розробляється виробі ці лінії можна нікуди не підключати.

Для вирішення складних проблем з Wi-Fi-протоколом є можливість отримати зневадження (logging information) з внутрішніх регістрів чіпсета CC3000. Отладочная інформація існує у вигляді двох шарів - рівень драйвера (Driver level from pin NS_UART_DBG) і рівень внутрішньої прошивки (Firmware level from pin WL_UART_DBG). Кожен рівень виводиться через спеціально виділений для цих цілей висновок модуля СС3000MOD - NS_UART_DBG присутній на виводі 2, в той час як WL_UART_DBG розлучений на висновок 4. Дані видаються по послідовному інтерфейсу UART c робочою напругою 1,8 В в форматі 921600/8 / n / 1. Для знімання інформації на ПК необхідно запустити будь-яку термінальну програму і зберегти дані, що надходять в бінарному форматі (НЕ текстовому!). Аналізом даних займається технічна підтримка виробника - документація по формату налагоджувальних даних розробнику недоступна.

Для розведення модуля досить двох шарів друкованої плати, хоча референсний дизайн розлучений в чотирьох шарах. Не рекомендується проводити сигнальні лінії під модулем на тому шарі, де монтується сам модуль. При використанні чотирьох шарів рекомендується шар 2 робити суцільним земляним полігоном для відводу тепла. Підключення антени необхідно виконати за допомогою узгодженої 50-омной лінії, при використанні керамічних антен потрібно строго слідувати рекомендаціям виробника по відстанях від антени до ліній землі і меж друкованої плати. Лінії SPI потрібно робити мінімально можливої ​​довжини. Лінія харчування VBAT повинна бути не менше 40 mils, лінія VIO_HOST не менше 18 mils. Лінію VBAT слід, по можливості, оточувати земляними полігонами з усіх боків.

програмне управління

Програмне забезпечення для розпорядника майна мікроконтролера (хост-драйвер) дозволяє організувати взаємодію користувача додатки з CC3000MOD через невеликий (~ 35) набір API-функцій. Вихідний код хост-драйвера може бути портовано на будь-який мікроконтролер. Для реалізації API на зовнішньому микроконтроллере необхідно мати вільні ресурси обсягом близько 7 Кбайт FLASH і 3 Кбайт RAM, що в 100 разів менше в порівнянні з Wi-Fi-модулем, що працюють під управлінням ОС Linux, Windows або Android. Готові приклади додатків від TI існують для мікроконтролерів MSP430 і TIVA (Ядро Cortex-M4), в мережі можна знайти посилання на успішну роботу бібліотек CC3000MOD на мікроконтролерах STM32 (Cortex-M3) .

Структура хост-драйвера приведена на малюнку 8.

Мал. 8. Структура хост-драйвера

Хост-драйвер має модульну структуру, що дозволяє адаптувати його навіть до мікроконтролерів з обмеженими ресурсами - для цього можна відключити необов'язкові програмні блоки. Драйвер добре документований і не прив'язаний до конкретного типу мікроконтролера або будь-якої операційної системи. Сам виробник використовує цей драйвер в прикладах для мікроконтролерів з абсолютно різною внутрішньою структурою - MSP430 і CORTEX-M4 (TIVA). При компіляції в мінімальному режимі (Tiny Compilation Option) драйвер може працювати на мікроконтролері з 2 Кбайт FLASH і 251 байтами вільного ОЗУ. Зрозуміло, такий мінімалізм призводить до обмеження розміру відправляється по Wi-Fi пакета даних до 8 байт. При компіляції з усіма включеними опціями результуючий код для мікроконтролера MSP430FR5739 виходить приблизно 7,2 Кбайт для компілятора IAR.

Хост-драйвер забезпечує доступ до всіх можливостей вбудованого в CC3000MOD стека протоколів:

• IPv4 TCP / IP-стек з BSD socket APIs;
• підтримка одночасної роботи TCP або UDP-сокетів;
• мережеві протоколи: ARP, ICMP, DHCP-клієнт, DNS-клієнт.

Набір для користувача API-функцій ділиться на чотири категорії:

• WLAN APIs. Набір функцій, які пов'язані з роботою протоколу 802.11. Сюди входять, наприклад, такі дії, як завдання SSID і пароля, сканування ефіру для отримання списку доступних мереж і т.п.
• Network Stack APIs. Взаємодія з вбудованим стеком TCP / IP - завдання портів, створення і відкриття сокетов, прийом-передача даних. Структура API відповідає широко відомому набору BSD (Berkeley socket APIs).
• Network Application APIs. Допоміжні мережеві операції, які може задіяти додаток користувача. Наприклад, утиліта PING або DNS.
• NVNEM APIs. Взаємодія з вбудованою в CC3000MOD енергонезалежною пам'яттю (EEPROM 32 Кбайт). Оновлення прошивок, збереження мережевих налаштувань (профілів), запис-читання призначених для користувача даних (до 5,5 Кбайт).

Кожна група API працює з командами (CMDs) і подіями (Events). Обробка подій проводиться через зареєстровані Call-back-функції. Події можуть бути двох типів - формуються як результат виконання команд і так звані незапитуваної події. Незапитуваної події (unsolicited events) не пов'язані з діями користувача, це може бути, наприклад, повідомлення хосту про відключення від мережі в силу втрати сигналу. У зв'язку з тим, що хост-драйвер не використовує механізм черг, обробник незапрошуваних подій повинен викликатися не рідше ніж кожні 500 мс.

У таблиці 2 наведені приклади асинхронних подій, які генеруються CC3000.

Таблиця 2. Перелік асинхронних подій

HCI_EVNT_WLAN_ASYNC_SIMPLE_CONFIG_DONE

Повідомлення про те, що процес первинної конфігурації завершено HCI_EVNT_WLAN_KEEPALIVE Періодичність події, що підтверджує нормальну роботу стека протоколів усередині CC3000 (keep-alive event) HCI_EVNT_WLAN_UNSOL_CONNECT Інформування про успішне підключення до мережі WLAN HCI_EVNT_WLAN_UNSOL_DISCONNECT Повідомлення про те, що CC3000MOD був відключений від точки доступу (AP- access point) HCI_EVNT_WLAN_UNSOL_DHCP Повідомлення про зміну статусу в процесі роботи DHCP HCI_EVNT_WLAN_UNSOL_INIT Повідомлення про закінчення процесу ініціалізації CC3000MOD HCI_EVNT_WLAN_ASYNC_PING_REPORT Повідомлення про результати команди PING

Для підключення до заздалегідь відомим мереж в незалежній пам'яті можна зберегти до семи профілів. Кожен профіль включає в себе ім'я точки доступу, що використовується тип шифрування і пароль.

Політика підключення (WLAN Policy) визначає дії CC3000MOD при подачі живлення. Можливі три алгоритму підключення до мережі Wi-Fi:

• режим автоматичного підключення (Auto Connect) - підключення до будь-якої доступної Wi-Fi-мережі в процесі сканування;
• режим швидкого підключення (Fast Connect) - підключення до останньої доступної мережі, в якій проводилася робота попереднього сеансу;
• режим використання профілю (Use Profiles) - підключення до Wi-Fi-мережі, параметри якої прописані в незалежній пам'яті.

Технологія SmartConfig ™

Модуль CC3000MOD призначений для вбудовування в пристрої, які часом не мають звичних для користувача інтерфейсів вводу-виводу, таких як дисплей і клавіатура. Для підключення до Wi-Fi-мережі пристрою необхідно повідомити ім'я мережі (SSID) і ключ шифрування (KEY). Як передати ці текстові рядки, наприклад, в настільну лампу, у якій призначений для користувача інтерфейс полягає в єдиній кнопці включення? Для пристроїв, оснащених модулем CC3000MOD, TI пропонує оригінальну технологію SmartConfig. Ця технологія дозволяє швидко конфігурувати бездротове Wi-Fi-пристрій за допомогою допоміжного мобільного гаджета, який працює в тій же мережі, до якої нам потрібно підключити нашу лампу. На смартфоні, планшеті або на ноутбуці (iOs, Android, Windows) розташовується спеціальне безкоштовний додаток, що дозволяє передати параметри настройки в пристрій, що підключається. Додаток SmartConfig ™ може одночасно підключати безліч пристроїв, при цьому передача параметрів по ефіру можлива в опціонально безпечному режимі (AES-128).

Запуск підключення на пристрої може ініціюватися за допомогою однієї кнопки. Технологія SmartConfig може працювати з SSID і KEY довжиною до 32 символів. Приклад програми для iPhone наведено на малюнку 9.

Мал. 9. Додаток SmartConfig для iPhone

З технічної точки зору процедура SmartConfig відбувається наступним чином:

• CC3000MOD переходить в стан SmartConfig і починає відстежувати UDP-пакети, які містять інформацію про SSID і ключі точки доступу, до якої CC3000MOD буде підключатися;
• після того, як CC3000MOD отримує всю інформацію для підключення, модуль генерує асинхронна подія SIMPLE_CONFIG_DONE до хосту і зберігає інформацію в незалежній пам'яті (EEPROM файлу ID 13);
• процедура SmartConfig може бути виконана з опціональним шифруванням AES-128. Це визначається на етапі компіляції драйвера хоста за допомогою відповідного прапора середовища розробки (прапор CC3000_UNENCRYPTED_SMART_CONFIG);
• при виборі шифрування AES-128 допоміжний пристрій конфігурації (смартфон) буде шифрувати інформацію за допомогою певного ключа, занесеного заздалегідь в пристрій з CC3000MOD;
• при виборі шифрування AES-128 хост спочатку розшифровує інформацію про параметри доступу, потім зберігає її в якості профілю;
• якщо шифрування AES-128 не входить, CC3000MOD відразу зберігає інформацію про параметри доступу у вигляді профілю;
• як тільки процес SmartConfig завершений і профіль збережений, CC3000MOD виробляє скидання і підключається до потрібної точки доступу. Пакет mDNS відправляється до пристрою зміни (смартфону) для того, щоб повідомити про закінчення процесу конфігурації.

Процедура SmartConfig в більшості випадків відбувається протягом перших 10 секунд після старту. Однак в разі великої кількості точок доступу слід очікувати результату не менше хвилини.

засоби розробки

Модуль CC3000MOD має хорошу документацію и підтрімується великим набором ЗАСОБІВ розробки TI. Для тестування модуля підійдуть Прості плати Серії Launchpad на базі мікроконтролерів MSP430G2553 , MSP430FR5739 и багатофункціональні засоби розробки на базі процесорів MSP430F5438 , MSP430FG4618 , TM4C123GH6PGE , LM3S9D96 . Для роботи з цими платами можна використовувати швидкоз'ємні оціночні модулі на роз'ємах (мезонінні плати), які представляють собою невеликі перехідні плати з запаяним модулем CC3000MOD, антеною і мінімально необхідної обв'язкою (рисунок 10).

Мал. 10. Мезонинні плати на базі CC3000MOD для засобів розробки TI

* - ці плати побудовані на модулях від третіх компаній (з чіпсетом CC3000). Дані мезонінні плати продаються в інтернет-магазині TiStore і входять до складу деяких демонстраційних наборів TI. Для заміни рекомендується використовувати сумісну з роз'ємів мезоніном плату CC3000EM на базі модуля CC3000MOD.

Виробник надає кілька прикладів додатків, які реалізують типові операції з обміну даними через мережу Wi-Fi. У таблиці 3 наведено перелік демонстраційних додатків.

Таблиця 3. Засоби розробки і демонстраційні програми

Додаток дозволяє відправити повідомлення електронної пошти через сервер SMTP (Simple Mail Transfer Protocol). Взаємодія з користувачем відбувається через будь-яку термінальну програму

MSP-EXP430FR5739

Бездротові датчики (Wi-Fi Sensors).

Ця програма відправляє на ПК дані з MEMS-акселерометра і температурного датчика. Температура, IP-адреса і нахил плати відображаються на ПК у вигляді літаючої по орбіті планети Домашня автоматизація (Home Automation). Додаток показує, як модуль CC3000MOD може керувати побутовими приладами через Wi-Fi. Як пульта управління використовується будь-який смартфон на базі ОС Android Підключення до хмарного сервера (Cloud Service). Додаток показує віддалений збір даних і управління M2M-об'єктом за допомогою хмарного сервісу Exosite. Плата відправляє дані з датчика температури і шести каналів АЦП. Через WEB-інтерфейс можна переглядати дані у вигляді графіків, приладових панелей і діаграм. За допомогою кнопки на сторінці сайту можна управляти світлодіодом на платі. Базове Wi-Fi додаток * (Basic Wi-Fi Application). Найпростіше додаток, що дозволяє підключатися до точки доступу, відправляти і приймати дані через UDP. Взаємодія з користувачем відбувається через будь-яку термінальну програму.

* - Доступні версії для наступних мікроконтролерів: MSP430G2553, MSP430FR5739, MSP430F5529, TM4C123GH6PGE, LM4F120H5QR, MSP430FG4618, TM4C123G

MSP-EXP430G2

Простий мережевий протокол синхронізації часу (Simple Network Time Protocol).

Додаток дозволяє отримати точний час за допомогою UDP-запитів. Запити відправляються на один з дев'яти визначених NTP-серверів. Функція реалізована в рамках програми Basic Wi-Fi Application як додаткова команда 0С

EK-TM4C123GXL

Багатопотоковий обмін даними (Multithread - TI).

Додаток показує можливість одночасної роботи декількох TCP-сокетів (1 Tx, 2 Rx). Демонстрація функціоналу відбувається через відладчик середовища розробки CSS Debug Простий HTTP-сервер (Simple HTTP Server). Додаток показує, як можна реалізувати найпростіший HTTP WEB-сервер зі статичними і динамічними сторінками на базі модуля CC3000MOD. За допомогою будь-якого браузера можна управляти світлодіодами на платі і зчитувати стан роторного джойстика

MSP-EXP430F5529

WEB-сервер підтримує кілька статичних сторінок і демонструє роботу з динамічними сторінками у форматі HTML на базі сервера погоди. Динамічні сторінки використовуються для відображення місця розташування. WEB-клієнт отримує дані про погоду в форматі XML за допомогою сервісу Google weather

DK-LM3S9B96

Приклади додатків від TI надаються разом з вихідним кодом у вигляді готових проектів для середовищ розробки CSS і IAR. Для любителів платформи Arduino ряд сторонніх компаній пропонує сумісні плати на базі CC3000MOD (рисунок 11).

Мал. 11. Плати з модулем CC3000 для платформи Arduino

Для тих розробників, хто не готовий встановлювати середу розробки, виробник надає тестові програми для CC3000MOD у вигляді виконуваного exe-файлу, який включає в себе програматор і, власне, прошивку. При запуску дане додаток знаходить підключену до ПК плату Launchpad і завантажує додаток «в один клік».

Висновок

Модуль CC3000MOD є бездротової мережевий процесор Wi-Fi, який істотно спрощує інтернет-з'єднання для будь-якого пристрою, навіть зі слабким мікро контролером на борту. Невисокі вимоги до продуктивності і обсягом пам'яті хост-контролера дозволяють вбудовувати CC3000 в досить прості і недорогі вироби - побутову техніку, медичне і вимірювальне обладнання. Відкритий програмний код і велика кількість недорогих налагоджувальних засобів, готових до роботи практично «з коробки», істотно прискорюють і полегшують процес реалізації інженерних ідей розробника.

Отримання технічної інформації, замовлення зразків, поставка - e-mail: [email protected]