Funkübertragung mit IEEE 802.15.4 Transceivern - nicht nur für Profis

Im Artikel wird ein Überblick über die IEEE-802.15.4 Funktechnik gegeben und die derzeit verfügbaren Atmel-Transceiver werden vorgestellt. In einem Beispielprojekt wird mit Hilfe von zwei Radio-Boards und der µracoli-Library gezeigt, wie ein einfacher Temperatur-Webserver in Python programmiert wird.

Der Funkstandard IEEE-802.15.4 [ieee154] wurde speziell für batteriebetriebene Sensoranwendungen mit niedrigen Datenraten im Bereich von 20 bis 250 kbit/s spezifiziert, wodurch mit diesen Funkknoten eine Batterielebensdauer von mehreren Jahren erreicht werden kann [clt2011]. Im Standard sind die physikalische Datenübertragung (PHY-Layer) und der Zugriff auf den Funkkanal (MAC-Layer) beschrieben. Das Zigbee-Protokoll setzt auf dem 802.15.4-MAC-Layer auf und erlaubt es, Daten über mehrere Knoten zu routen. Charakteristisch für IEEE-802.15.4 basierte Anwendungen ist, dass es einen zentralen Koordinator-Knoten gibt, an dem sich die Sensor-Knoten anmelden.

Bereits an dieser Stelle fragt man sich, ob der Einarbeitungsaufwand in diese Funktechnologie für den Laien nicht zu aufwändig ist und das Projekt für eine einfache drahtlose Sensoranwendung nicht doch besser mit RFM12-Bauteilen aufgebaut wird. In den folgenden Abschnitten wird beschrieben, wie mit geringem Aufwand, basierend auf der µracoli-Library, ein einfacher Temperaturserver mit IEEE-802.15.4-Modulen realisiert werden kann.

Die Transceiver der Firma Atmel zeichnen sich durch geringen Stromverbrauch und ein großes Linkbudget und damit eine große Reichweite aus. Sie bieten eine einfache und flexible Programmierschnittstelle auf Registerebene und implementieren Teile des IEEE-802.15.4-Standards bereits in Hardware. Derzeit sind Transceiver für den Frequenzbereich 700/800/900 MHz und für das 2,4 GHz Band verfügbar. Eine Sonderstellung nimmt der IC ATmega128RFA1 ein, bei dem Mikrocontroller und Transceiver in einem Bauteil integriert sind. In [tab_transceiver] sind die derzeit verfügbaren Transceiver aufgezählt.

Die Transceiver-Bausteine sind SMD-Bauteile mit geringen Pinabständen, so dass das Selbstlöten in aller Regel ausscheidet. Zusätzlich wird einige Erfahrung beim UHF-Design der Leiterplatten vorausgesetzt. Für ein Hobbyprojekt greift man deshalb besser auf fertige Module zurück. Dass die Eigenentwicklung einer Leiterplatte für diese Transceiver in der Hobbywerkstatt dennoch möglich ist, wird in [clt2012] und [tiny230] gezeigt.

Für die Integration von IEEE-802.15.4-Funk in eine eigene Schaltung bieten sich komplett bestückte und zertifizierte Module an. Auf diesen Modulen befinden sich der Transceiver und ein Mikrocontroller. Ein sehr populärer Vertreter ist das Zigbit-Modul von Atmel (ehemals Meshnetics). Eine ausführliche Analyse dieses Moduls findet man in [zigbit]. In [tab_module] sind Module weiterer Hersteller aufgeführt.

Das Radiofaro-Board [radiofaro] entstand aus der Idee heraus, das Arduino-Diecimila-Design [arduino] mit einen modernen Prozessor mit Funkschnittstelle auszustatten. Um die Notwendigkeit einer kostenintensiven Funkzulassung zu umgehen, fiel die Wahl auf das damals verfügbare Modul derfmega128 [derfmega] der Firma dresden elektronik ingenieurtechnik gmbh. Das Modul ist FCC und ETSI zertifiziert und kann daher ohne Bedenken in eigene Schaltungen integriert werden.

Warum wurde das derfmega128 und nicht das Zigbit-Modul verwendet? Gegenüber einem ATmega1281 mit 8KByte SRAM verfügt der ATmega128RFA1 über die doppelte Menge SRAM. Weiterhin erfolgt der Zugriff auf den Transceiver beim ATmega128RFA1 direkt über interne Register anstatt über einen SPI-Link wie beim ZigBit Modul. Außerdem wurde ein Transceiver der zweiten Generation integriert, der zusätzliche Möglichkeiten bietet, u.a. ist ein asynchroner MAC-Symbol-Counter verfügbar, mit dem sehr lange Sleep-Intervalle realisiert werden können. Neben dem für ATmega-Controller untypischen AES-Block kommt im Beispielprojekt der integrierte Temperatursensor zur Anwendung.

Das Radiofaro-Board sieht auf den ersten Blick zwar aus wie ein Arduino-Board, ist aber leider nur mechanisch mit seinem italienischen Verwandten kompatibel. Das liegt u.a. daran, dass der ATmega128RFA1 nur Spannungen bis maximal 3.8V an den Port-Pins erlaubt. Die Port-Pins wurden daher durch Vorwiderstände geschützt. Allerdings kann man die Funktion mancher Shields damit nicht sicherstellen. Eine weitere Inkompatibilität betrifft den "falsch platzierten" ISP Header, der bei allen offiziellen Arduino-Boards an der Vorderseite, gegenüber der USB-Buchse zu finden ist und den manche Shields verwenden. Dieser digitale Anschluss würde sich aber im Antennenbereich des PCB befinden und hätte somit Einfluss auf die HF-Eigenschaften.

Es gibt aber auch eine ganze Reihe von Vorteilen:

Das eigentliche Ziel des Radiofaro-Projektes ist es, die Firmware mit der Arduino-IDE zu programmieren, um Einsteigern die ersten Schritte im Bereich der Funktechnik zu erleichtern. Leider ist in den aktuellen IDE-Paketen eine Toolchain vom Jahr 2008 enthalten, in der der ATmega128RFA1 noch nicht unterstützt wird. In einem der nächsten Artikel wird daher das Update der Arduino-IDE beschrieben. Für das nachfolgend vorgestellte Beispielprojekt wird eine reguläre AVR-Toolchain, bestehend aus avr-gcc, avr-binutils, avr-libc und avrdude (alternativ auch Atmel Studio unter Windows) und die µracoli-Library verwendet.

Die Installation der AVR-Toolchain unter den verschiedenen Betriebssystemen würde allein schon einen eigenen Artikel füllen, daher sei an dieser Stelle auf folgende Quellen verwiesen:

Eine weitere Kurzanleitung für Windows und Linux in englischer Sprache findet man in [avrtools].

Für die Implementierung des Webservers wird Python2.x [python] und das Modul pyserial [pyserial] verwendet. Unter Windows muss zusätzlich noch das Modul win32com installiert werden.

Die µracoli-Library beinhaltet Funktionen zur Ansteuerung des Transceivers sowie verschiedene Hilfsfunktionen zur Timer-, UART-, LED- und Tasteransteuerung. Da es sich um eine Bibliothek handelt, kann man die zur Verfügung gestellten Hilfsfunktionen verwenden, muss es aber nicht tun. Es werden derzeit ca. 80 verschiedene Boards und Module von der Library unterstützt. Für das Beispielprojekt wird das aktuelle Paket uracoli-src-0.3.0.zip von http://uracoli.nongnu.org/download.html verwendet und in einem Arbeitsverzeichnis entpackt. Man erhält damit die folgende Verzeichnisstruktur:

Es soll ein einfacher Temperatur-Webserver realisiert werden. Als Hardware werden zwei oder mehr Transceiver-Boards benötigt, eine Gateway-Board und ein oder mehrere Sensor-Boards. Das Gateway-Board wird über eine serielle oder USB Schnittstelle mit dem PC verbunden. Als Sensor-Knoten kommen Radiofaro-Boards oder andere Boards mit ATmega128RFA1 zum Einsatz, da der integrierte Temperatursensor verwendet werden soll. Als Sensor-Knoten kann aber prinzipiell jedes von µracoli unterstützte Board verwendet werden, wenn es mit einem Temperatursensor bestückt ist oder nachgerüstet wird.

Auf dem Gateway-Board wird die Wireless-UART Firmware (WUART) installiert. Der Transceiver des Gateways ist ständig auf Empfang (Zustand RX_ON). Da das Gateway-Board über USB mit Strom versorgt wird, ist der permanente Stromverbrauch von ca. 14mA akzeptabel.

Die Firmware wird wie folgt gebaut und installiert:

Eine Liste von Boards, die als Gateway-Knoten eingesetzt werden können, erhält man mit dem Befehl:

Die Firmware für ein alternatives Gateway-Board wird entsprechend dem obigen Beispiel gebaut und auf dem Mikrocontroller installiert.

Auf den Sensor-Boards läuft eine spezielle Firmware zur Temperaturerfassung und Messwertübertragung. Da die Sensor-Knoten autark arbeiten und von einer Batterie versorgt werden, muss in der Firmware Powermanagement implementiert sein um eine lange Laufzeit zu erreichen. In [clt2011] werden verschiedene Temperatur- und Feuchtesensoren vorgestellt und miteinander verglichen. Der Source-Code zur Ansteuerung dieser Sensoren befindet sich im Paket uracoli-sensorlogger-1.0.zip.

Wenn mehrere Sensor-Knoten verwendet werden sollen, müssen diese durch Adressen unterschieden werden. Die Adressen können entweder im Flash-Speicher oder im EEPROM des Mikrocontrollers abgelegt werden. In der µracoli-Library gibt es Methoden um einen Konfigurationsdatensatz zu erzeugen und auszuwerten. Dieser Datensatz beinhaltet u.a. eine 16-Bit-Adresse und die 16-Bit-PAN-ID (Netzwerkadresse) des Knotens. Mit dem folgenden Befehl kann der Konfigurationsdatensatz erzeugt und in das EEPROM der MCU programmiert werden.

Im Beispiel-Projekt sendet der Sensor-Knoten die Messwerte als Textstrings, die in der Payload von IEEE-802.15.4-Datenrahmen eingebettet sind. Es wurde die redundantere ASCII-Übertragung gegenüber der einem effizienteren binären Format gewählt, da damit die WUART-Firmware im Gateway-Knoten eingesetzt werden konnte.

Der Temperatur-Webserver ist in Python implementiert und damit unter Linux, Windows oder auch MacOS lauffähig. Ein Thread des Webservers liest die ASCII-Daten von der seriellen Schnittstelle und parst die Werte. Die Adressen werden auf Strings gemappt und die lokale Uhrzeit des Server-PCs wird hinzugefügt. Anschließend werden diese Daten als HTML-Tabelle aufbereitet und über einen HTTP-Socket an anfragende Web-Browser ausgeliefert. In [clt2011] wurde dieser einfache Webserver-Ansatz weiter ausgebaut, u.a. wurden die Daten in einer Round-Robin-Database [rrdtool] gespeichert und das Python-Script kann als Server-Dienst unter Linux vom Init-Prozeß gestartet werden.

Das vorgestellte Beispiel-Projekt zeigt, wie mit geringem Aufwand eine einfache Sensor-Webanwendung realisiert werden kann. Durch den Einsatz von Funkmodulen reduziert sich der Aufwand bei der Hardware-Entwicklung. Das vorgestellte Radiofaro-Board wird in kommenden Beiträgen als IEEE-802.15.4-Sniffer verwendet und über die Arduino-IDE programmiert. Die Software zum Artikel findet man unter http://uracoli.nongnu.org/download.html in den Paketen uracoli-src-0.3.0.zip und uracoli-epj00-1.0.zip.