Беспроводные интерфейсы умного проSTранства – преимущества и ограничения

При автоматизации больших территорий используются протоколы беспроводной связи ZigBee, BLE/Bluetooth, LoRaWAN, Sigfox, Thread, проприетарные протоколы 433/868 МГц и NFC. Компания STMicroelectronics предлагает для них приемопередающие модули и системы на кристалле, специализированные контроллеры, ИС для создания RFID-меток, а также экосистему из аппаратных и программных продуктов для разработки, отладки и поддержания работоспособности.

Термин «умный дом» прочно вошел в обиход с появлением возможности устанавливать системы автоматики в пределах жилых или коммерческих помещений без существенных территориальных и энергетических затрат, да еще и с сохранением дизайна или эстетического вида. По сути – это стремление людей к автоматизации некоторых рутинных действий, упрощение управления конфигурацией дома или его оборудования, желание достичь определенной степени комфорта. Вариантов построения систем домашней автоматизации достаточно много, все зависит от желания и возможностей конечного потребителя.

«Умное пространство» несколько расширяет понятие умного дома, не ограничивая расположение систем автоматизации рамками конкретного помещения или здания.

Умное пространство можно рассматривать, как совокупность открытых взаимодействующих систем, обслуживающих определенную территорию (территория жилого дома, офисного центра, коммерческого или промышленного предприятия). При этом взаимодействие систем осуществляется как между собой, так и с людьми, находящимися в рамках видимости.

Построение и развитие умного пространства может быть запланированным, когда при строительстве или реконструкции территории изначально предусматривается определенный набор систем автоматики и автоматизации (соответственно, под них заводится базовая инфраструктура в виде кабельных систем, линий питания, кабельных каналов и тп), а может быть и спонтанным, когда системы монтируются уже после сложившейся инфраструктуры. Возможны, конечно и более сложные варианты появления и развития систем и подсистем автоматизации пространства.

В большинстве случаев взаимодействие подсистем умного пространства ведется по нескольким интерфейсам (подсистемы различны по задачам, и в рамках одного физического интерфейса едва ли возможно их относительно комфортное объединение – что, в общем не исключает наличие единого для всей системы протокола, например, того же ModBus), включая беспроводные.

Беспроводные интерфейсы в умном пространстве очень удобны в плане относительной свободы размещения исполнительных и сенсорных устройств, так как в худшем случае для них необходимы только линии питания, да и то с малыми токами. Второй плюс беспроводных интерфейсов заключается в том, что элементы системы не привязаны к какому-либо конкретному месту и могут быть перемещены по необходимости или по желанию пользователей, также это могут быть и перемещаемые устройства.

Как правило, работа беспроводных интерфейсов в системах автоматизации происходит в одном или нескольких безлицензионных диапазонах частот (рисунок 1). В РФ использование радиочастот регламентирует Государственная комиссия по радиочастотам – ГКРЧ. На текущий момент перечень основных разрешенных диапазонов и типов устройств выглядит так – [1] (есть также недавнее дополнение, немного расширяющее его в диапазоне 868 МГц – [2]).

В перечень наиболее часто применяемых в системах умный дом/умное пространство диапазонов можно включить следующие:

• устройства малого радиуса действия:
• 13,56 МГц – NFC-устройства;
• т.н. субгигагерцовый диапазон (устройства сигнализации, беспроводные сенсорные устройства, пульты и тп):
• 433 МГц;
• 868 МГц;
• диапазон 2,4 ГГц – популярные протоколы WiFi, Bluetooth, BLE  и ряд других;
• диапазон 5 ГГц – в основном, WiFi.

Рис. 1. Безлицензионные полосы радиочастот РФ

В организации развитой сети умного пространства участвуют субгигагерцовый диапазон и диапазон 2,4 ГГц – для них есть база в виде аппаратного обеспечения (трансиверы, системы-на-кристалле, однокристальные беспроводные микроконтроллеры), и программного обеспечения (стеки стандартных и проприетарных протоколов).

Субгигагерцовый диапазон при практически сравнимых уровнях энергопотребления обеспечивает большую дальность связи между узлами системы, волны этого диапазона менее чувствительны к наличию препятствий, характерных для помещений, жилых и хозяйственных территорий – мебель, стены, проемы, люди.

Устройства диапазона 2,4 ГГц несколько проще интегрировать в единую систему за счет более простого взаимодействия с устройствами пользователей (особенно это касается протоколов Bluetooth/BLE). Также благодаря меньшей рабочей длине волны устройства могут иметь миниатюрные габариты за счет уменьшения размеров антенны.

Протоколы 

Вот наиболее популярные и развитые протоколы для систем умного пространства.

• Zigbee – пожалуй, одно из первых семейств стандартов для беспроводных сетей с низким потреблением энергии, формализовавшее многие типы устройств и способы их взаимодействия. Данный стандарт охватывает и субгигагерцовый и 2,4 ГГц диапазоны, одно время даже рассматривались варианты интеграции элементов данного стандарта в смартфоны и мобильные устройства.
• BLE/Bluetooth – наиболее популярное семейство стандартов, получившее практически повсеместное распространение благодаря, в первую очередь, изначальной интеграции интерфейса Bluetooth в носимые мобильные устройства, а затем в смартфоны, ноутбуки, ПК и прочее. Еще популярнее стало с появлением варианта стандарта BLE (Bluetooth Low Energy), фактически сделавшим его мощнейшим конкурентом ZigBee в области сенсорных сетей за счет кардинального снижения энергопотребления устройств сети, а также поддержки различных сетевых топологий.
• LoRaWAN – открытый сетевой протокол (Long Range Wide Area Networks) c возможностью развертывания межмашинных (M2M) коммуникаций. Представляет собой метод модуляции LoRa, который обеспечивает значительно бóльшую дальность связи (зону покрытия), основывается на технологии модуляции с расширенным спектром и вариации линейной частотной модуляции с интегрированной прямой коррекцией ошибок. Ориентирован на сети топологии «звезда» и «звезда из звезд».
• Sigfox – в настоящее время работает в ISM-диапазоне на 868 МГц (а также 902 МГц в США), использует узкополосный протокол LPWAN. Технология разработана в 2009 г. в Тулузе, Франция. Разворачивается с использованием возможностей современных сотовых сетей. Архитектура сети позволяет базовым станциям передавать сигналы на большие расстояния с минимальным влиянием шумов на эти сигналы.
• Thread – протокол основан на стандарте 6LoWPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks) – стандарте взаимодействия по протоколу IPv6 поверх маломощных беспроводных персональных сетей стандарта IEEE802.15.4, ориентирован для использования в системах домашней автоматики с упором на безопасность и малое энергопотребление.
• проприетарные 433/868 МГц – разрабатываются непосредственно компаниями для нужд конкретного класса задач или для конкретных типов сетей. Как правило, менее требовательны к вычислительным ресурсам своих сетевых узлов.
• NFC – технологии связи/передачи данных ближнего радиуса действия – в основном рассчитаны на применение с устройствами, не имеющими собственного источника питания (так называемые радиометки, RFID-метки и тому подобное). Широко применяются в системах контроля и управления доступом, транспортной и товарной логистике, складском учете и прочем.

Решения ST для протоколов Bluetooth/BLE 

В данный момент технология Bluetooth/ BLE присутствует практически на всех мобильных платформах, хорошо поддерживается и надежна в плане организации персональных сетей, ближних коммуникаций, работе с периферийными устройствами. Отдельно стоит упомянуть так называемый «маячковый» режим BLE-устройств (яркий пример – технология iBeacon).

Ключевые  преимущества BLE:

• широкое распространение;
• относительно высокие скорости передачи данных;
• высокая надежность;
• поддержка mesh-сетей (начиная с пятой версии протокола BLE).

Недостатки BLE:

• некоторые проблемы с аутентификацией и приватностью;
• типовые проблемы с дальностью в условиях помещений и города для диапазона 2.4ГГц
• добавление опций локализации устройств в BLE требуют специальных режимов работы и программных конфигураций оборудования.

Из ассортимента беспроводных контроллеров STMicroelectronics для технологии BLE рекомендуются контроллеры серий BlueNRG-2, BlueNRG-LP и STM32WB55.

BlueNRG-2 

BlueNRG-2 – это однорежимная система-на-кристалле стандарта BLE. BlueNRG-2 расширяет возможности своего ставшего весьма популярным предшественника – сетевого процессора BlueNRG, позволяя использовать встроенный микроконтроллер Cortex-M0 для запуска кода пользовательского приложения.

BlueNRG-2 (рисунок 2) включает в себя 256 кбайт программируемой флэш-памяти, 24 кбайт статической оперативной памяти с сохранением (два банка по 12 кбайт), набор стандартных периферийных интерфейсов связи SPI, UART, I2C. Он также оснащен многофункциональными таймерами, сторожевым таймером (WDT), контроллером часов реального времени (RTC) и контроллером прямого доступа в память (DMA).

Для взаимодействия с аналоговыми датчиками и считывания результатов измерения встроенного датчика напряжения батареи BlueNRG-2 оснащен многоканальным АЦП. Для обработки звукового потока в формате PDM доступен встроенный цифровой фильтр.

Рис. 2. Блок-схема BlueNRG-2

BlueNRG-2 обеспечивает те же отличные радиочастотные характеристики, что и радио BlueNRG, а встроенный высокоэффективный преобразователь постоянного тока в постоянный сохраняет те же характеристики сверхнизкой мощности. BlueNRG-2 имеет меньшие значения потребление тока в режиме ожидания, что позволяет еще больше увеличить срок службы батареи для устройств с автономным питанием.

BlueNRG-LP 

BlueNRG-LP (рисунок 3) – это программируемая Bluetooth-система-на-кристалле со сверхнизким энергопотреблением. В ее основе – новейшие радиочастотные IP-ядра STMicroelectronics диапазона 2.4ГГц, сочетающие высокую производительность с чрезвычайно низким потреблением (как следствие – длительным сроком автономной работы).

BlueNRG-LP совместим со спецификацией BLE SIG версии 5.2, может строить сети типа «точка-точка», «звезда» и ячеистые сети Bluetooth mesh, позволяет создавать надежные крупномасштабные сети устройств. BlueNRG-LP построен на ядре Cortex-M0+, которое может работать с частотой до 64 МГц, а также содержит сопроцессор BlueNRG core (на базе DMA) для выполнения критически важных операций синхронизации  протокола BLE.

Основные поддерживаемые функции спецификации BLE 5.2:

• скорость передачи данных 2 Мбит/с;
• большая дальность (режим LongRange, кодированный PHY);
• расширения adv-пакетов;
• улучшенный алгоритм выбора канала;
• кэширование GATT;
• аппаратная поддержка одновременного подключения «ведущий/ведомый» и несколько ролей одновременно;
• поддержка расширенной длины пакетов.

Кроме того, BlueNRG-LP обеспечивает расширенную аппаратную поддержку безопасности за счет специальных аппаратных функций:

• генератор истинных случайных чисел (RNG);
• шифрование AES, максимальный 128-разрядный сопроцессор безопасности;
• ускоритель открытых ключей (PKA);
• блок вычисления CRC;
• 64-разрядный уникальный идентификатор;
• защита от чтения и записи флэш-памяти.

Рис. 3. Блок-схема BlueNRG-LP

BlueNRG-LP может быть сконфигурирован для поддержки автономных или сетевых процессорных приложений. В первой конфигурации BlueNRG-LP работает как единое устройство в приложении для управления – как кодом приложения, так и стеком Bluetooth с низким энергопотреблением. Во втором случае взаимодействует с хост-контроллером, обеспечивая ему взаимодействие с BLE, сама логика прикладной задачи реализуется на хост-контроллере.

Приятно радуют объемы встроенной памяти: флэш-память 256 кбайт, оперативная память 64 кбайт, область однократно программируемой памяти (OTP) 1 кбайт, память ROM 7 кбайт. Традиционно в контроллере развитая система прямой передачи данных между памятью и периферийными устройствами и из памяти в память реализуется восемью каналами DMA, управляемыми модулем DMAMUX.

BlueNRG-LP оснащен также 12-разрядным АЦП, позволяющим обрабатывать сигналы  восьми внешних источников и до трех внутренних источников, включая мониторинг батареи и датчик температуры.

Также в состав BlueNRG-LP входят маломощный таймер часов реального времени (RTC) и один усовершенствованный 16-разрядный таймер.

Набор интерфейсов связи BlueNRG-LP:

• 1x SPI,
• 2x SPI/I2S,
• 1x LPUART,
• 1x USART, поддерживающий ISO 7816 (режим смарт-карты), режим IrDA и Modbus,
• 2x I2C, поддерживающий SMBus/PMBus,
• 1x канал PDM.

BlueNRG-LP работает в диапазоне температур от -40 до 105°C от источника питания 1,7…3,6 В. Полный набор режимов энергосбережения позволяет разрабатывать приложения с низким энергопотреблением.

В схему BlueNRG-LP интегрированы высокоэффективный понижающий преобразователь SMPS и схема PDR с фиксированным порогом, который генерирует сброс устройства, когда VDD падает ниже 1,65 В.

BlueNRG-LP поставляется в различных версиях корпусов, поддерживающих до:

• 32 линий ввода-вывода QFN48;
• 20 линий ввода-вывода QFN32;
• 30 линий WCSP49.

BlueNRG-M2

Для относительно малых серий продукции, а также для проектов, в которых позволяют габаритные возможности, доступны готовые миниатюрные модули на базе BlueNRG-2 – BlueNRG-M2SA и BlueNRG-M2SP (рисунок 4). Модули поддерживают несколько ролей и могут одновременно работать в качестве ведущего и ведомого устройства Bluetooth, практически законченной радиочастотной платформой, содержащей, в том числе, антенну.

Модули позволяют создать законченный продукт интернета вещей без глубоких знаний в области разработки высокочастотных устройств и значительно сокращают время вывода нового продукта на рынок. Среди областей применения этих изделий – устройства управления зданием, автоматизация производственных процессов, управление освещением, медицинское оборудование и системы безопасности.

Питание BlueNRG-M2 может осуществляться непосредственно от пары батарей типа AAA или от любого источника питания 1,7…3,6 В. BlueNRG-M2 поставляется в двух вариантах: BlueNRG-M2SA и BlueNRG-M2SP. Их конфигурации отличаются программной инициализацией.

Модуль BlueNRG-M2SP не включает в себя кварцевый резонатор 32768 Гц и индуктивность для работы внутреннего преобразователя питания SMPS.

Рис. 4. Блок-схема модуля BlueNRG-M2

STM32WB55 

STM32WB55 (рисунок 5) – двухъядерные беспроводные микроконтроллеры, поддерживающие стандарты Bluetooth™5 и IEEE 802.15.4. В составе STM32WB55 – два 32-разрядных процессорных ядра архитектуры ARM:

• ядро ARM Cortex-M4 с тактовой частотой 64 МГц – процессор приложений, на котором исполняются верхние уровни сетевых протоколов и прикладные задачи;
• ядро ARM Cortex-M0+ на тактовой частоте 32 МГц, предназначенное для управления радиотрактом и выполнения нижних уровней сетевых стеков.

Построенный на базе популярного малопотребляющего ядра STM32 Cortex-M4F (50 мкА/МГц), STM32WB показывает отличные результаты по энергопотреблению – в режиме приема ток потребления составляет лишь 4,5 мА. От существующих на рынке решений STM32WB55 отличается также встроенным драйвером пассивного ЖКИ-дисплея, поддержкой USB2.0 FS и большим объемом памяти.

Общие характеристики микроконтроллеров STM32WB:

• Тактовая частота: 64 МГц;
• потребление в режиме RUN: 53 мкА/МГц;
• рабочая частота: 2,4 ГГц;
• стандарт передачи данных: BLE, 802.15.4/ZigBee/Thread;
• встроенная постоянная память – до 1024 Кб Flash;
• оперативная память до 256 кбайт SRAM;
• USB 2.0 FS, LCD-драйвер;
• интерфейсы связи – USART/UART, SPI, I²C;
• высокоскоростной 12-битный АЦП 4.26 MSPS;
• AES256, генератор случайных чисел (TRNG), PKA, RSA;
• широкий диапазон напряжения питания: 1,71…3,6 В;
• диапазон рабочих температур: -40…105°С;
• корпуса: VFQFPN, UFBGA, WLCSP.

Рис. 5. Блок-схема STM32WB55

STM32WB55 – еще и с ZigBee

Микроконтроллеры STM32WB55 позволяют разработчикам задействовать для проектов интернета вещей функциональную совместимость и энергосберегающие возможности сети Zigbee. Предлагаемый STMicroelectronics набор программного обеспечения сертифицирован как ZigBee PRO 2017 (revision 22) и включает опции ZigBee 3.0 – функционал базового ZigBee-устройства (BDB), порядка 50 кластеров из ZigBee Claster Library (ZCL) и работу с протоколом управления освещением ZigBee Green Power.

STM32WB55 с программным обеспечением ZigBee 3.0 позволяют создавать mesh-сети из сотен устройств и использовать микроконтроллеры в системах сбора данных со счетчиков энергии, в устройствах автоматизации зданий и в индустриальных сетях сбора телеметрической информации.

Набор программного обеспечения  ZigBee 3.0 включает в себя набор готовых примеров, которые можно запускать на отладочных платах P-NUCLEO-WB55. В исходном коде доступны такие приложения как сбор данных с датчиков температуры и влажности, управление дверным замком, реализация On/Off-выключателя, управление электросчетчиком и другие.

Стек ZigBee доступен в двух вариантах – для полнофункционального ZigBee-узла (так называемое Full Featured Device – FFD) и для узла с ограниченным набором функций (Reduce Functions Device – RFD). Такое деление позволяет уменьшить объем используемой flash с 300 до 254 кбайт для узлов, работающих только в режиме конечного устройства, то есть без ретрансляции пакетов.

Решения ST для протоколов передачи данных на максимальные расстояния LoRa и SigFox

STM32WL 

Система-на-кристалле STM32WL для субгигагерцового диапазона (рисунок 6, 7) сочетает в себе ядро микроконтроллера общего назначения (ядра ARM Cortex‐M4 и Cortex-M0+ – в серии доступны одно- и двухъядерные архитектуры) и радиотрансивер на базе Semtech SX126x.

STM32WL поддерживают несколько типов модуляций радиосигнала – LoRa, (G)FSK, (G)MSK, BPSK, что позволяет применять их в беспроводных приложениях стандартов LoRaWAN, Sigfox, W-MBUS, mioty или любого другого подходящего протокола.

Благодаря глубокой интеграции инновационная и открытая архитектура оптимизирована для LoRaWAN legacy, Sigfox и проприетарных протоколов, имеет достаточно гибкую систему распределения ресурсов, управления питанием.

Разработанная с использованием той же технологии, что и технология, реализованная в микроконтроллерах STM32L4 со сверхнизким энергопотреблением, серия STM32WL имеет аналогичные цифровые и аналоговые периферийные устройства для базовых или комплексных приложений, требующих длительного времени автономной работы и большого радиочастотного диапазона через приемопередатчик с частотой ниже ГГц.

Микроконтроллеры STM32WL имеют широкий диапазон выходной мощности радиосигнала и широкий линейный диапазон частот, подходящий для любого нелицензированного радиочастотного спектра (непрерывный охват частот от 150 до 960 МГц).

Линейки контроллеров серий STM32WLEx (одноядерный M4) и STM32WL5x (двухъядерный M4 и M0+) включают в себя широкий спектр интерфейсной периферии и линий ввода-вывода (до 43 GPIO), встроенный импульсный преобразователь (SMPS) для оптимизации энергопотребления, несколько режимов с низким энергопотреблением.

Рис. 6. Блок-схема одноядерного STM32WL

Рис. 7. Блок-схема двухъядерного STM32WL

В контроллерах реализованы встроенные функции аппаратного обеспечения безопасности, такие как 128-/256-битное аппаратное шифрование (AES), защита от чтения/записи содержимого памяти (PCROP), аппаратный ускоритель шифрования с открытым ключом (криптографический механизм эллиптической кривой).

В дополнение к перечисленному двухъядерная линейка STM32WL5x обладает расширенными функциями безопасности, такими как службы безопасного управления ключами (SKM), аппаратная изоляция защищенных областей, безопасная загрузка и безопасное обновление встроенного ПО.

Непосредственно стеки LoRaWAN и Sigfox доступны разработчикам в среде STM32CubeWL.

В качестве основных средств разработки и отладки выступают отладочная плата STM32WL55 Nucleo и экосистема STM32Cube, которые в связке образуют единый набор аппаратных и программных средств, позволяющих быстро и легко приступить к разработке приложений.

Программный пакет MCU STM32CubeWL представляет собой универсальное решение для встраиваемых программных ресурсов и включает периферийные драйверы HAL и LL, полный набор промежуточного программного обеспечения и стеков радиосвязи (LoRaWAN и Sigfox) вместе с различными предварительно настроенными примерами программного обеспечения для нескольких популярных IDE, таких как Keil MDK-ARM, STM32CubeIDE и IAR.

Серия STM32WL поддерживается инструментом инициализации, настройки и генерации кода STM32CubeMX, а также программным обеспечением STM32CubeMonitor для тестирования и проверки производительности радиотракта.

В дополнение к встроенному отладчику, который помогает разрабатывать и тестировать приложения на основе существующих примеров, плата STM32WL55 Nucleo предлагает множество вариантов внутреннего питания, включая USB-разъем ST-LINK.

Решения ST для передачи данных в диапазонах 433/868 МГц

Для реализации специализированных проприетарных протоколов обмена, для применения в беспроводных устройствах с повышенными требованиями к устойчивости канала связи, от распределенных бытовых и промышленных датчиков до сложных систем безопасности, STMicroelectronics предлагает узкополосный приемопередатчик S2-LP, способный работать в диапазонах 433/868 МГц.

S2-LP поддерживает различные схемы модуляции: 2(G) FSK, 4(G) FSK, OOK и ASK. Скорость передачи данных в эфире программируется от 0,1 до 500 кбит/с. S2-LP может использоваться в системах с расстоянием между каналами до 1 кГц, что позволяет работать в условиях плотнозаселенного частотного диапазона.

Из основных характеристик:

• четырехпроводной интерфейс SPI с хост-контроллером;
• энергопотребление:
• 7 мА в режиме приема;
• 10 мА в режиме передачи (при выходной мощности +10 дБм);
• чувствительность приемника: до -130 дБм;
• высокая избирательность приемника и блокировка частот;
• программируемая выходная мощность до +16 дБм;
• программируемый цифровой фильтр приемника;
• программируемое расстояние между частотными каналами;
• быстрый запуск и время настройки синтезатора частот
• автоматическая компенсация смещения частоты, восстановление времени AGC и символа;
• бюджет канала связи более 145 дБ;
• индикатор заряда батареи и детектор низкого заряда батареи
• буферы FIFO RX и TX 128 байт
• автоматическое подтверждение и повторная передача пакетов
• встроенный механизм протокола тайм-аута
• поддержка пакетов с динамической длиной полезной нагрузки;
• программируемая преамбула и фильтрация и обнаружение качества синхронизируемых слов;
• встроенный механизм CSMA/CA;
• поддержка IEEE 802.15.4 g, Wireless M-bus, SIGFOX.

Для того чтобы максимально упростить знакомство с новым узкополосным приемопередатчиком S2-LP, компания ST предлагает недорогую плату STEVAL-FKI868V1 и программный пакет STSW-S2LP-DK, с помощью которых можно буквально за считанные часы запустить беспроводную передачу данных в диапазоне 868 МГц.

Решения ST для NFC

NFC 

Коммуникационная технология ближнего радиуса действия (Near-Field Communication или NFC) разработана для двухстороннего беспроводного взаимодействия между электронными устройствами на очень близком расстоянии.

Одними из новейших и наиболее интересных решений STMicroelectronics для этой технологии являются микросхемы серий ST25DV, ST25R3911/ ST25R3916.

ST25DV

ST25DV – серия микросхем конечных RFID-устройств, ориентированная на реализацию так называемых динамических меток.

В серии ST25DV представлены EEPROM объемом 4, 16 и 64 Кбит (ST25DV04K, ST25DV16K и ST25DV64K соответственно).

Со стороны хост-системы ST25DV предоставляет I²C-интерфейс с тактовой частотой до 1 МГц, широкий диапазон рабочих напряжений – от 1,8 до 5,5 В, позволяющий работать практически с любым типом источников питания и микроконтроллером. Поддерживается одновременная запись нескольких байт (до 256).

Беспроводной интерфейс поддерживает все типы модуляций и скорости передачи данных, предусмотренные в стандарте ISO/IEC 15693. Максимальная скорость чтения данных – до 53 Кбит/с.

Ключевые возможности серии ST25DVxxx:

1) Режим быстрого обмена (fast transfer mode – FTM) предназначен для бесконтактной передачи данных между внешним устройством и встроенной системой (хост-контроллером) посредством 256-байтного буфера, называемого «почтовым ящиком». Данный буфер доступен по чтению и записи как со стороны радиоканала, так и со стороны хост-контроллера по I²C. При активном режиме быстрого обмена ST25DVxxx работает практически как специфический беспроводной приемопередатчик.

2) Настраиваемый вывод индикации прерывания – GPO, который в зависимости от текущей конфигурации может показывать наличие радиополя, активность беспроводного канала, окончание операций чтения-записи, появление данных в буфере «почтовый ящик».

3) Вывод сборщика энергии, позволяющий питать микромощные устройства за счет собранной энергии внешнего радиополя, если такое возможно.

4) Система управления сообщениями радиоканала, позволяющая в ряде случаев их игнорировать.

Управление данными и другими опциями микросхемы осуществляется установкой соответствующих значений в набор статических (значение сохранится по выключению питания) и динамических (значение не сохраняется при отключении питания) регистров.

Не так давно серия динамических меток NFC/RFID ST25DV  была расширена микросхемами ST25DV-PWM диапазона 13,56 МГц с ШИМ (PWM) для систем управления светом, моторами и тому подобным. В серию входят чипы ST25DV02K-W1/W2, которые отличаются числом выходов ШИМ (PWM).

Два ШИМ-выхода ST25DV02K-W2 могут быть запрограммированы независимо, что позволяет использовать NFC-чип в устройствах, где требуется плавное изменение аналоговых параметров. Микросхема обеспечивает обновление параметров ШИМ в реальном времени с помощью бесконтактного интерфейса, например, через обычный смартфон.

RFID-ридеры ST25R3911B/ ST25R3916

Микросхема RFID-ридера ST25R3911B от STMicroelectronics работает на частоте 13,56 МГц и отличается увеличенной дальностью считывания благодаря высокой выходной мощности до 1,4 Вт. Ридер поддерживает работу со множеством протоколов, включая ISO18092 (NFCIP-1) Active P2P; ISO14443A/B, ISO15693 и FeliCa™. Для скоростного обмена с NFC-устройствами ридер может работать в режиме VHBR, когда скорость модуляции достигает 3,4…6,8 Мбит/с.

Микросхема ST25R3911B может с успехом работать в батарейных устройствах. Встроенный малопотребляющий RC-генератор и режим периодического сна 10…800 мс позволяют снизить потребляемый ток. Отдельный блок емкостного сенсора позволяет обнаруживать приближение метки без включения излучающего поля ридера. Выходная мощность передатчика может регулироваться в широких пределах.

ST25R3911B содержит схему автоматической подстройки антенны, что позволяет сохранять дистанцию считывания даже в присутствии влияющих на антенну предметов. Для реализации проприетарных протоколов, например  MIFARE™ Classic, микросхема может переводиться в режим Stream/Transparent Mode c обработкой данных на внешнем микроконтроллере.

ST25R3916 – высокопроизводительный RFID-ридер, поддерживающий все NFC-спецификации. Он может выступать в роли RFID-метки, устанавливать соединение P2P (двухсторонний обмен) и использоваться в устройствах с батарейным питанием.

Благодаря выходной мощности до 1,6 Вт и встроенному механизму подстройки антенны к изменяющимся внешним условиям обеспечивается большая дальность считывания. Для реализации режима малого потребления ST25R3916 может использовать встроенный RC-генератор и таймер пробуждения. Емкостной или индуктивный сенсор позволяют обнаруживать факт приближения метки до включения поля ридера. Новый приемный тракт с функцией подавления шума позволяет использовать ST25R3916 в конечных изделиях под дисплеями.

Заключение

Решения STMicroelectronics для организации беспроводных каналов обмена данными и сигналов управления умным пространством покрывают практически весь спектр возможных задач – от организации разветвленной сети и управления доступом до простейших выключателей. Разработчику доступен бесплатный программный инструментарий для настройки беспроводных микроконтроллеров, разработки и отладки встроенных приложений, включая такие популярные стеки сетевых протоколов, как BLE, ZigBee, SigFox, LoRaWAN.

Александр Калачев (г. Барнаул)

Источник