Snart sagt alla utrustningar förväntas idag kunna kommunicera trådlöst. Utmaningen som utvecklaren står inför består i första hand av att välja lämpligt protokoll från olika erbjudanden i den ”trådlösa djungeln” och att integrera detta på ett kostnadseffektivt sätt.

Det är då som den öppna trådlösa nätstandarden Zigbee erbjuder ett intressant alternativ. Protokollet är anpassat för batteridrivna och underhållsfria omkopplare och sensorer i svåråtkomliga områden där byte av batteri skulle innebära mycket tidsspillan och besvär.

Zigbee representerar en protokollstack som använder sig av PHY- och MAC-delnivåer som definieras av standarden IEEE 802.14.4 enligt OSI-modellen.

PHY- och MAC-nivåerna bygger på IEEE 802.15.4 standarden. Zigbee möjliggör förbindelserna mellan olika noder – som hushållsapparater eller sensorer – på avstånd från 10 upp till 100 meter.

Standarden har utvecklats av ZigBee Alliance, grundad 2002. Sedan dess har mer än 200 företag anslutit sig till Zigbee- gruppen för att driva fram utvecklingen världen över. De första Zigbeeprodukterna introducerades på marknaden redan i början på 2005.
Den som vill använda Zigbee-proto-kollet måste först bli betalande medlem i ZigBee Alliance. Produkten måste dessutom genomgå en licensiering där en avgift skall erläggas varje år.

Protokollet ger utvecklarna tillgång till tre olika Zigbee-funktioner som nätverket bygger på. Dessa har olika roller:
Nod (End device): Enkla produkter, såsom strömbrytare och givare, innehåller endast en del av Zigbee-protokollet och är därför kända som RFD (Reduced Function Devices). Dessa skickar och tar emot signaler från routrar.
Router: FFD-produkter (Full Function Devices) kommunicerar med andra aktiva routrar och noder.
Koordinator: En router i ett nätverk har även rollen som koordinator. Den sätter upp parametrarna för nätverket och har kontrollen över detsamma. Det krävs en koordinator för varje nätverk.

IEEE 802.15.4 definierar tre olika frekvensband: 2,4 GHz, 915 MHz och 868 MHz. I varje frekvensband finns ett fast antal kanaler och den maximala överföringshastigheten skiljer sig mellan de olika frekvensbanden, se tabell ovan. Den aktuella hastigheten på dataöverföringen är lägre än den maximala då inte bara data utan även en hel del annan information ingår i datapaketet.

Miwi - Zigbees lillebror.

Eftersom det kompletta Zigbee-protokollet har blivit för omfångsrikt och komplicerat för många applikationer använder numera ett stort antal IEEE 802.15.4-kompatibla trådlösa nätverk istället alternativa protokoll. Då behövs inte heller den dyra och tidskrävande Zigbee-certifieringen.

Ett sådant enklare protokoll för lågkostnadsnät är Miwi från Microchip. Protokollet har lägre datatakt, är tänkt för kortare distanser på 2,4 GHz-bandet och kan användas överallt i världen. Det går inte att utveckla produkter för 868 MHz-bandet eller 915 MHz-bandet med Miwi.

Precis som Zigbee bygger Miwi i princip på IEEE.802.15.4-standarden för trådlösa personliga nätverk (WPAN) och är lätt att installera i trådlösa kommunikationssystem. Miwi-protokollet lämpar sig framförallt för kunder som inte behöver interoperabiliteten hos Zigbee, men vill använda IEEE 802.15.4-transceivrar i billigare punkt-till-punktnät, stjärnnät och blandade nät.

Miwi-system kräver ingen certifiering och protokollstacken levereras under en fri licens, så länge den används med Microchips styrkretsar och transceivern MRF24J40. Naturligtvis är dessa kompatibla med ZigBees protokollsystem.

Miwi bygger på MAC- och PHY-plattformar och sträcker sig inte längre än till nätverksnivån. Det ger därför avsevärt mer spelutrymme för vidareutvecklingar, dock som nämnt på bekostnad av kompabilitet och prestanda.
Det innebär även att den maximala nätverksstorleken är lite mindre. Samtidigt kräver Miwi mindre minne, programvaran är mindre komplicerad och kräver mindre processorkraft. En liten microcontroller är således tillräcklig. Därtill erbjuder Miwi möjligheten till mindre och strömsnålare produkter.

Protokollet innehåller funktioner att bygga, ansluta till ett nätverk och att hitta nätverksnoder samt att ansluta till dessa. Det löser dock inga specifika applikationsproblem, exempelvis hur man väljer ett nätverk som man vill ansluta till, när man vill ha en anslutning bortkopplad, eller hur ofta produkterna skall kommunicera med varandra. Det lämpar sig därför för isolerade trådlösa applikationer som sammankoppling av sensorer i ett hus eller isolerade styrningar.

Med PICDEM Z erbjuder Microchip en uppsättning utvecklingsverktyg (development kit) för Zigbee och Miwi som ett startpaket för trådlös kommunikation baserat på IEEE 802.15.4. Oavsett vilket protokoll utvecklaren föredrar så ger Microchips lösning ett alternativ för snabb utvärdering och bidrar till en snabb start av utvecklingsarbetet. Kittet innehåller komplett hårdvara och källkod för snabb utveckling av trådlösa applikationsprototyper:

• 2 PICDEM Z moderkort med PIC 18F4620 controller
• 2 RF-transceiver dotterkort med MRF24J40
• Nätverksanalysverktyget Zena, inklusive programvara
• CD med Zigbee- och Miwi-stackar samt användarmanualer
• Layoutfiler för kretskortet

Mer detaljerad applikationsinformation finns därtill på Microchips webbsida.

Det krävs ingen licensavgift om man vill prova kitet eller använda det för utvärdering. Programstacken är en av de minsta tillgängliga och ger utvecklare ett källkodformat som gör det möjligt att göra kundspecifika ändringar på produkter med ett stort antal PIC-styrkretsar.

Utvecklingsplattformen baseras på Microchips högeffektiva PIC 18-styrkretsar, med upp till 128 kbyte flashprogramminne i en kapsel med 28 till 100 ben. Till exempel har PIC18F4620 tre programmerbara interrupt, fyra interrupt beroende på ändringar på ingångarna och två capture-compare PWM moduler, en synkron serieport (SPI, I2C), USART modul (RS-458, RS-232, LIN 1.2),
10-bitars AD-omvandlare med upp till 13 kanaler och ett utvidgat kommandoset för C18-kompilatorn.

MRF24J40 är Microchips första HF-transceiver för Zigbee/Miwi. Det är en IEEE 802.15.4-kompatibel 2.4 GHz transceiver som kan användas i applikationer med låg effektförbrukning och som ger bästa HF-kvalitet med ett fåtal externa komponenter. Komponenten överträffar alla standardiserade IEEE 802.15.4 specifikationer och erbjuder komplett support för Media Access Controller (MAC) och Advanced Encryption Standard (AES) med kryptering i maskinvaran.

Transceivern hjälper också till att spara värdefull plats på moderkortet. Den ger också möjligheten att använda transceiverns oscillator till styrkretsen, vilket innebär en oscillator mindre på kortet. Den ryms en 40-bens QFN-kapsel (6 x 6 mm). Kommunikationen sker genom ett SPI-gränssnitt.

Den trådlösa nätverksanalysatorn Zena använder ett enkelt grafiskt gränssnitt för att konfigurera Microchips protokollstackar för Zigbee och Miwi. Detta kan reducera kodens storlek genom oanvända egenskaper kan tas bort, och därtill kan utvecklingstiden kortas genom att förenkla växelverkan mellan funktionerna i stackarna och i vissa situationer, hjälpa till att anpassa stacken.

Verktyget innehåller hårdvara och programvara som kan avkoda alla IEEE 802.15.4-kompatibla Zigbee- och Miwi.protokollpaket – från den lägsta till den högsta nivån, inklusive säkerhetsmodulerna. I fönstret för nätverkskonfiguration visas datatrafiken i realtid när den rör sig från en nätverksnod till en annan. En session kan också sparas i en fil så att man senare kan analysera datatrafiken i nätet.

Paketet lämpar sig för flera olika typer av trådlösa applikationer, särkilt i den blomstrande automatiseringsbranschen. Dessa omfattar ljusinstallationer, passersystem, industriell övervakning och styrsystem i byggnader.

När det handlar om styrsystem i byggnader kan ZigBee teoretiskt ersätta seriella gränssnittskablar med lägre dataöverföringshastighet. Ett intressant område för Zigbee och Miwi är sensoranalysen i en nod som skickar ett status/
värdemeddelande till en huvudstation inom en bestämd tid. Ju större krav på kompatibilitet desto självklarare är valet för Zigbee.

Precis så förhåller det sig i fallet styrsystem i byggnader där olika applikationer – till exempel ljussystem, rullgardin- och värmestyrsystem är förbundna med varandra i ett nätverk. Men även ZigBee har sina gränser – dock enbart i bandbredden. Bluetooth rekommenderas för dataöverföring med bandbredd över 250 kbit/s.

Som varje teknologi har Zigbee och Miwi både förespråkare och kritiker. Det är alltid viktigt att överväga de tekniska för- och nackdelarna och kostnadsfaktorerna. Men utan tvivel väger fördelarna över när det handlar om svåråtkomliga applikationer eller där efterföljande kabeldragning skulle orsaka extra utgifter, som vid renovering av gamla byggnader.

Vilket protokoll är då det rätta? ZigBee, MiWi eller kanske någonting helt annorlunda? Hur kan jag utveckla min rf-design på ett korrekt vis? Detta och mycket mer är funderingar hos företag som är involverade i utvecklingen av trådlösa applikationer.

Kunderna brukar vara tveksamma, särskilt när det handlar om trådlösa nätverk med sensorer och ställdon. Frågor om licenser, kompabilitet samt produktspecifik programvara är vanliga. Vi rekommenderar att inhämta råd från experter för trådlösa system, exempelvis från distributören Rutronik.

Med sin kunskap och sitt utvecklingscenter Wireless Development Centre har Rutronik ambitionen att utgöra ett gränssnitt för konsultering och kunskapsförmedling mellan tillverkare och kunder. Centret hjälper kunder vid problemlösning med programkoder, med kretsteknologin, med layouten för högfrekventa signaler och med val av produkter. Om kunden inte själv vill genomföra rf-utvecklingen kan Rutronik även hjälpa till genom sina teknologipartner.