Fakulta elektrotechnick

ˇ ´ vysoke ´ uc ˇen´ı technicke ´ v Praze Cesk e ´ Fakulta elektrotechnicka

´ RSK ˇ ´ PRACE ´ BAKALA A Programov´ e vybaven´ı pro s´ıt’ ZigBee

Praha, 2010

Autor: Ivan Fridrich

Prohl´ aˇ sen´ı Prohlaˇsuji, ˇze jsem svou bakaláˇrskou práci vypracoval samostatnˇe a pouˇzil jsem pouze podklady ( literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v pˇriloˇzeném seznamu.

V Praze dne podpis

i

Podˇ ekov´ an´ı Velmi rád bych podˇekoval a vyslovil uznán´ı vˇsem, kteˇr´ı mi pomáhali pˇri vzniku této práce. Dˇekuji pˇredevˇs´ım vedouc´ımu práce Ing. Jiˇr´ımu Novákovi, Ph.D.

ii

Abstrakt Tato práce spoˇc´ıvá v implementaci softwarového vybaven´ı k ˇr´ızen´ı bezdrátové senzorové s´ıtˇe s protokolem ZigBee, která je ˇr´ızená pomoc´ı aplikace na PC, které je pˇripojeno ke koordinátorovi s´ıtˇe pomoc´ı USB sbˇernice. Softwarové vybaven´ı zahrnuje moˇznost volby senzoru, nastaven´ı jeho vzorkovac´ı frekvence, pˇripojen´ı ˇc´ıslicového filtru, kter´ y si uˇzivatel sám vybere a nadefinuje, a logován´ı pˇrijat´ ych dat s moˇznost´ı uloˇzen´ı do souboru ve formátu XML. Programové vybaven´ı je navrˇzené tak, aby se dalo pouˇz´ıt i pro zcela obecn´ y pˇrenos dat.

iii

Abstract This work is about software equipment for control wireless sensors network with ZigBee protocol. This network is controlled by an application in a PC, which is written in C# and uses USB bus to control the coordinator of the sensors network. The software gives us choice which sensors (or sensors) do we wont to use, we can set the sampling period of the current sensor and also we can set a type of a filter which will the current sensor use. PC application logs all data incoming to the coordinator and can save it to a file in XML format.

iv

Obsah Seznam obr´ azk˚ u

vii

Seznam tabulek

viii

´ 1 Uvod

1

2 ZigBee

2

3 .NET Framework

5

3.1

Historie v´ yvojov´ ych prostˇredk˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

3.2

Architektura .NET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

4 V´ yvojov´ e prostˇ redky

9

5 Pouˇ zit´ y hardware

12

5.1

MSP430FG4618 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

5.2

CC2420 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

5.3

FT232RL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

6 Implementace

15

6.1

Koordinátor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

6.2

Koncové zaˇr´ızen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

6.3

PC aplikace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

6.4

Problémy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

7 R´ adiov´ e moduly od TI

23

7.1

CC2430 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

7.2

CC2431 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

7.3

CC2480 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

v

7.4

CC2520 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

7.5

CC2530 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

ˇ ıslicov´ 8 C´ e filtry ´ 8.1 Uvod do ˇc´ıslicov´ ych filtr˚ u. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27 27

8.2

Rozdˇelen´ı ˇc´ıslicov´ ych filtr˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

8.3

Filtry s koneˇcnou impulsn´ı odezvou - FIR . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

8.3.1

Matematick´ y popis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

8.3.2

Charakteristické vlastnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

8.3.3

Realizace filtru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

8.3.4

Klouzav´ y pr˚ umˇer (moving average) . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

Filtry s nekoneˇcnou impulsn´ı odezvou - IIR . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

8.4.1

Popis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

8.4.2

Charakteristické vlastnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

8.4.3

Realizace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

8.5

Nelineárn´ı filtry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

8.6

Porovnán´ı filtr˚ u s filtry z prostˇred´ı MATLAB . . . . . . . . . . . . . . .

42

8.4

9 Z´ avˇ er

44

Literatura

47

vi

Seznam obr´ azk˚ u 2.1

Logo ZigBee Alliance

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

2.2

Topologie ZigBee s´ıt´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

3.1

Blokové schéma architektury .NET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

4.1

MSP-FET430UIF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

5.1

Koncové zaˇr´ızen´ı, bez USB modulu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

5.2

Moduly s ˇcipem CC2420EMK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

5.3

Modul s ˇcipem FT232RL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

6.1

Vlastn´ı aplikace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

6.2

Sekvenˇcn´ı diagram komunikace mezi zaˇr´ızen´ımi . . . . . . . . . . . . . .

21

7.1

Schéma pˇripojen´ı antény . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

7.2

Maska ploˇsného spoje pro pˇripojen´ı antény . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

8.1

Impulsn´ı odezva FIR filtru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

8.2

Impulsn´ı odezva IIR filtru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

8.3

Blokové schéma algoritmu filtru typu FIR . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

8.4

Frekvenˇcn´ı charakteristika filtru typu plovouc´ı pr˚ umˇer . . . . . . . . . . .

33

8.5

Blokové schéma IIR filtru v prvn´ı pˇr´ımé formˇe . . . . . . . . . . . . . . .

36

8.6

Blokové schéma IIR filtru v druhé pˇr´ımé formˇe . . . . . . . . . . . . . . .

36

8.7

Vliv nepˇresnosti aritmetiky na funkci IIR filtru . . . . . . . . . . . . . . .

39

8.8

Aplikace mediánového filtru pro odstranˇen´ı ruˇsiv´ ych impuls˚ u ze signálu .

40

8.9

Porovnán´ı FIR filtr˚ u (Doln´ı propust ˇrádu 20)) . . . . . . . . . . . . . . .

42

8.10 Porovnán´ı IIR filtr˚ u (Doln´ı propust, Butterworth ˇrádu 4)) . . . . . . . .

43

vii

Seznam tabulek 6.1

Tabulka ˇcasové nároˇcnosti filtr˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

8.1

Tabulka IIR filtr˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

viii

Kapitola 1 ´ Uvod Tato aplikace pˇredstavuje konfigurovatelnou senzorovou s´ıt’ postavenou na bezdrátovém protokolu ZigBee. Práce se skládá ze tˇr´ı ˇcást´ı. Prvn´ı ˇcást´ı je koordinátor. Koordinátor je v celém systému vˇzdy jenom jeden a je to centráln´ı uzel celé s´ıtˇe. Má za u ´ kol komunikovat s PC aplikac´ı, nastavovat koncová zaˇr´ızen´ı a sb´ırat od nich data. Koncové zaˇr´ızen´ı pˇredstavuje vlastn´ı senzor. Má za u ´kol pravidelnˇe dˇelat odmˇery dané veliˇciny a data pos´ılat koordinátorovi, kter´ y je následnˇe pˇrepoˇsle do PC. Tato zaˇr´ızen´ı jsou vybavená digitáln´ımi filtry, které je moˇzno vyuˇz´ıt k real-time filtraci namˇeˇrené veliˇciny. PC aplikace realizuje rozhran´ı mezi uˇzivatelem a s´ıt´ı. Pomoc´ı n´ı se vyb´ıraj´ı zaˇr´ızen´ı, se kter´ ymi chceme komunikovat, a nastavuj´ı se filtry. PC aplikace nav´ıc umoˇzn ˇuje uloˇzen´ı namˇeˇren´ ych dat do souboru v XML formátu.

1

Kapitola 2 ZigBee ZigBee je komunikaˇcn´ı protokol pro bezdrátové s´ıtˇe, patˇr´ıc´ı do skupiny PAN s´ıt´ı (Personal Area Network) stejnˇe jako napˇr´ıklad IEEE 802.15.1 – Bluetooth. V ˇradˇe aplikac´ı vˇsak nen´ı Bluetooth zcela vhodn´ ym ˇreˇsen´ım, jako je napˇr´ıklad pr˚ umyslová automatizace nebo n´ızkospotˇrebová zaˇr´ızen´ı. Z této potˇreby vznikl právˇe protokol ZigBee, kter´ y nadefinovala ZigBee Aliance za podpory mnoha dalˇs´ıch firem (asi 65 firem, jako napˇr´ıklad Honeywell, Motorola, Philips, Samsung, Omron, ABB, Siemens). ZigBee je velmi flexibiln´ı technologie, která umoˇzn ˇuje tvorbu velmi rozsáhl´ ych s´ıt´ı, které mohou m´ıt r˚ uzné topologie a zároveˇ n jednotlivé koncové body mohou i mˇenit svoji roli. Technologie je to urˇcená pˇredevˇs´ım k n´ızk´ ym pˇrenosov´ ym rychlostem s dlouhou periodou opakován´ı datov´ ych pˇrenos˚ u. Je velmi spolehlivá a nenároˇcná na implementaci, protoˇze se zpravidla implementuje do 8/16bitov´ ych mikrokontrolér˚ u, které nedisponuj´ı velkou ych ˇreˇsen´ı. D´ıky tomuto pamˇet´ı programu. Umoˇzn ˇuje také n´ızkou spotˇrebu a tvorbu levn´ nalézá ˇsirokou ˇskálu aplikac´ı. Tato technologie je vhodná pro r˚ uzné typy pˇrenosu dat – periodické (pravidelné zprávy od senzor˚ u) i neperiodické (data napˇr´ıklad od vyp´ınaˇc˚ u osvˇetlen´ı), nebo pro pˇrenosy s n´ızk´ ym zpoˇzdˇen´ım.

Obrázek 2.1: Logo ZigBee Alliance

2

KAPITOLA 2. ZIGBEE

3

Obrázek 2.2: Topologie ZigBee s´ıt´ı

Vlastnosti ZigBee pˇredurˇcuj´ı jeho pouˇzit´ı v tˇechto oblastech: X Pr˚ umyslová automatizace, automatizace budov (ˇr´ızen´ı osvˇetlen´ı, mˇeˇren´ı teploty a

vlhkosti, zabezpeˇcovac´ı systémy). X Spotˇrebn´ı elektronika (d´ alkové ovládán´ı elektrospotˇrebiˇc˚ u). X Poˇc´ıtaˇcov´ a elektronika (bezdrátové myˇsi a klávesnice s n´ızkou spotˇrebou).

Dosah ZigBee je asi do 100 m, fyzická vrstva je definovaná podle standartu IEEE 802.15.4. Vys´ılá se v ISM (Industrial Scientific Medical) pásmech v okol´ı kmitoˇct˚ u 868 MHz (Evropa), 915 MHz (USA) a 2,4 GHz. V moj´ı aplikaci je vyuˇzito pouze pásmo 2,4 GHz. Signál se moduluje pomoc´ı modulace OQPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying), pˇrenos v tomto kmitoˇctovém pásmu se dˇel´ı metodou rozprostˇreného spektra DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) pro vˇetˇs´ı odolnost proti ruˇsen´ı. Pˇr´ıstup do s´ıtˇe je ˇreˇsen metodou CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Na linkové vrstvˇe se pouˇz´ıvaj´ı 4 typy rámc˚ u: X Datov´ y r´ amec (Data Frame) - rámec pro pˇrenos dat. X Potvrzovac´ı r´ amec (Acknowledgement Frame) - slouˇz´ı k potvrzován´ı

pˇrijat´ ych dat.

KAPITOLA 2. ZIGBEE

4

X Pˇ r´ıkazov´ y r´ amec (Command frame) - slouˇz´ı k pˇrenosu konfiguraˇcn´ıch dat. X Signalizaˇ cn´ı r´ amec (Beacon frame) - tento rámec pouˇz´ıvá koordinátor na

probouzen´ı a synchronizaci koncov´ ych zaˇr´ızen´ı. Koordinátor vyˇsle beacon frame“, ” probud´ı koncová zaˇr´ızen´ı ze spánkov´ ych reˇzim˚ u, zaˇr´ızen´ı odeˇslou svá data a zase se pˇrepnou do spánkového reˇzimu, ˇc´ımˇz velmi v´ yraznˇe sn´ıˇz´ı svoji spotˇrebu, coˇz je velmi uˇziteˇcné pˇri napájen´ı bateriemi.

Kapitola 3 .NET Framework Jelikoˇz souˇcást´ı této práce je PC aplikace vyuˇz´ıvaj´ıc´ı rozhran´ı .NET Framework, je tu krátce shrnuto co toto rozhran´ı obsahuje.

3.1

Historie v´ yvojov´ ych prostˇ redk˚ u

Prvn´ım rozhran´ım pro v´ yvoj aplikac´ı na operaˇcn´ım systému MS Windows bylo tzv. Win32API. Toto rozhran´ı se zaˇcalo hojnˇe pouˇz´ıvat na operaˇcn´ım sytému Windows NT. Jedná se o soubor funkc´ı a struktur jazyka C, takˇze nen´ı zcela v˚ ubec objektové. V´ yhodou je pˇr´ım´ y (nativn´ı) pˇr´ıstup k funkc´ım operaˇcn´ıho systému, coˇz je velmi v´ ykonné, ale na druhou stranu je zase nev´ yhodné v tom, ˇze v´ yvoj aplikace je pak velmi sloˇzit´ y a ˇcasové nároˇcn´ y. Toto rozhran´ı je moˇzné vyuˇz´ıvat v kombinaci s jin´ ymi technologiemi a to i v dneˇsn´ıch verz´ıch MS Windows. Krátce na to se objevila nová technologie, která doplnila Win32API o objektové prvky. Tato technologie byla oznaˇcena jako MFC (Microsoft Foundation Classes) a zaloˇzena je na objektovém jazyce C++. Tato knihovna obsahuje nejenom základn´ı objekty uˇzivatelského rozhran´ı, ale i mnoho tˇr´ıd zajiˇst’uj´ıc´ı funkcionalitu programu, ˇc´ımˇz doˇslo k v´ yraznému zjednoduˇsen´ı. Jak Win32API tak MFC se neustále vyv´ıj´ı. Zcela zásadn´ı zmˇenu do v´ yvoje aplikac´ı vneslo rozhran´ı .NET Framework, kterou pˇrinesl Microsoft v roce 2002. Je to zcela objektov´ y model, kter´ y pˇrinesl veliké zjednoduˇsen´ı ve v´ yvoji aplikac´ı pro operaˇcn´ı systémy Windows. .NET Framework je, na rozd´ıl od pˇredchoz´ıch rozhran´ı, samostatné rozhran´ı, které bˇeˇz´ı nad operaˇcn´ım systémem a na ˇzádosti aplikace volá sluˇzby operaˇcn´ıho systému.

5

KAPITOLA 3. .NET FRAMEWORK

3.2

6

Architektura .NET

.NET Framework v´ yraznˇe zjednoduˇsuje v´ yvoj aplikac´ı pro MS Windows. Aplikace vytvoˇrená pro .NET Framework bˇeˇz´ı na jakémsi virtuáln´ım stroji, kde jsou programy pˇrekládány za bˇehu pro danou hardwarovou platformu. V souˇcasné dobˇe .NET Framework existuje ve verzi 3.5 a jiˇz se chystá verze 4. Obrázek 3.1 nám popisuje, z ˇceho se skládá cel´ y tento bal´ık.

Obrázek 3.1: Blokové schéma architektury .NET

.NET Framework se skládá ze tˇrech hlavn´ıch ˇcást´ı: X Programovac´ı jazyky. X J´ adro .NET Framework. X V´ yvojové studio Visual Studio .NET.

Programovac´ı jazyky K dispozici je mnoho programovac´ıch jazyk˚ u. Lze pouˇz´ıvat základn´ı programovac´ı jazyky pro .NET Framework (Visual Basic, C++, C# , JScript), ale také jazyky tˇret´ıch stran napˇr´ıklad IronPython (jazyk Python pro .NET). Vˇsechny jazyky maj´ı nadefinovanou


7

spoleˇcnou vrstvu - takzvanou Common Language Specification (CLS), která specifikuje základn´ı pravidla pro programovac´ı jazyky, ve kter´ ych se vytváˇrej´ı aplikace zaloˇzené na technologii .NET. V této specifikaci jsou definovány mimo jiné základn´ı datové typy nebo tˇr´ıdy. T´ım je doc´ıleno, ˇze napˇr´ıklad datov´ y typ Byte definuje osmibitové celé ˇc´ıslo ve vˇsech jazyc´ıch.

J´ adro .NET Frameworku Jádro technologie .NET se skládá z tˇechto ˇca´st´ı: X Common Language Runtime (CLR) – bˇehové prostˇred´ı a sada knihoven, které mus´ı

b´ yt nainstalovány na poˇc´ıtaˇci, aby mohl b´ yt program spuˇstˇen. X Base Class Library & Data a XML – obsahuje z´ akladn´ı definice tˇr´ıd .NET

Frameworku a tˇr´ıd pro práci s daty (collections, diagnostics, XML, IO, text, threading, security atd.) za pomoci kter´ ych se pak mohou vyv´ıjet programy. X Uˇzivatelské rozhran´ı – definuje ovl´ adac´ı prvky, tˇr´ıdy pro kreslen´ı a dalˇs´ı sluˇzby

vztahuj´ıc´ı se pˇr´ımo k aplikac´ım pro OS Windows. X Webové sluˇzby – obsahuje tˇr´ıdy a sluˇzby pro v´ yvoj WWW stránek zaloˇzen´ ych na

technologii ASP (Active Server Pages).

V´ yvojov´ e prostˇ red´ı Microsoft Visual Studio Visual Studio poskytuje tyto základn´ı sluˇzby: X Textov´ y editor - zv´ yrazˇ nován´ı syntaxe pro vˇsechny jazyky, ve kter´ ych .NET

Framework umoˇzn ˇuje psát zdrojov´ y kód. X IntelliSense – interaktivn´ı n´ apovˇeda (zobrazen´ı seznamu názv˚ u tˇr´ıd, promˇenn´ ych,

pol´ı a metod, které jsou zahrnuty v daném projektu, dle poˇcáteˇcn´ıch znak˚ u) X Editor vizu´ aln´ıho návrhu - umoˇzn ˇuje navrhován´ı formuláˇr˚ u a rozm´ıstˇen´ı objekt˚ u

uˇzivatelského rozhran´ı X Integrovan´ y pˇrekladaˇc X Integrovan´ y debugger X Integrovan´ a nápovˇeda MSDN (Microsoft Developers Network)


8

Pˇ reklad zdrojov´ ych k´ od˚ u Vˇsechny programy, které jsou napsané v libovolném programovac´ım jazyce z rodiny .NET, kompilátor pˇreloˇz´ı do jednotného jazyka – Microsoft Intermediate Language (MSIL). MSIL je procesorovˇe nezávisl´ y kód podobn´ y assembleru. Takto pˇreloˇzen´ y program je pˇrenositeln´ y mezi r˚ uzn´ ymi hardwarov´ ymi platformami a aˇz pˇri spuˇstˇen´ı na dané platformˇe je program pˇreloˇzen tzv. Just-in-time kompilátorem do nativn´ıho kódu, kter´ y m˚ uˇze b´ yt spuˇstˇen, popˇr´ıpadˇe se jiˇz m˚ uˇze pˇreloˇzit dopˇredu pomoc´ı instalátoru.

Jazyk C# Jazyk C# vznikl kombinac´ı a doplnˇen´ım jazyka C++ a Java a je v souˇcasnosti povaˇzován za nejmodernˇejˇs´ı jazyk, kter´ y stále vyv´ıj´ı firma Microsoft. Tento jazyk byl pouˇzit na v´ yvoj PC aplikace. Pár základn´ıch charakteristick´ ych vlastnost´ı jazyka C#. ˇ e objektovˇe orientovan´ X Cistˇ y jazyk. X Je case-sensitive, tj. rozliˇsuje malá a velk´ a p´ısmena. X Pouˇz´ıv´ a jednoduchou dˇediˇcnost s moˇznost´ı násobné implementace rozhran´ı (stejnˇe

jako Java). X Vedle ˇclensk´ ych dat a metod vyuˇz´ıvá vlastnosti a události. X Vyuˇz´ıv´ a Garbage collection“ (automatické uvolˇ nován´ı pamˇeti - stejnˇe jako Java). ” X Podporuje zpracov´ an´ı chyb formou v´ yjimek – exceptions. X Podporuje atributové programov´ an´ı.

Kapitola 4 V´ yvojov´ e prostˇ redky IAR workbench Pro v´ yvoj a ladˇen´ı aplikac´ı pro mikroprocesory z rodiny MSP430 (v naˇsem pˇr´ıpadˇe konkrétnˇe MSP430FG4618) bylo pouˇzito integrované v´ yvojové prostˇred´ı IAR Embedded Workbanch (EW430) zahrnuj´ıc´ı kompilátor C/C++, debugger, programátor a simulátor.

IAR workbanch Pro JTAG (Joint Test Action Group) ladˇen´ı a nahráván´ı program˚ u do mikrokontrolér˚ u bylo pouˇzito extern´ı zaˇr´ızen´ı MSP-FET430UIF pˇripojené k poˇc´ıtaˇci pˇres rozhran´ı USB.

9

´ ´ PROSTREDKY ˇ KAPITOLA 4. VYVOJOV E

10

Obrázek 4.1: MSP-FET430UIF

Z-Stack - ZigBee Protocol Stack Z-Stack je programové vybaven´ı vyvynuté firmou Texas Instruments, které vyuˇz´ıvaji moduly. Tento softwarov´ y bal´ık je postaven na jazyce C a zahrnuje nˇekolik ˇcást´ı. Jsou to knihovny: X HAL (Hardware Abstraction Layer) – knihovna na obsluhu vnitˇrn´ıch periferi´ı

procesoru (A/D pˇrevodn´ık, LCD, v´ ystupn´ı brány, vstupn´ı brány, sleep modes, ˇc´ıtaˇce/ˇcasovaˇce). X OSAL (Operating System Abstraction Layer) – implementuje kooperativn´ı operaˇcn´ı

systém umoˇzn ˇuj´ıc´ı vytváˇret vlákna (threads), komunikaci mezi vlákny pomoc´ı zpráv s ukládán´ım do front, události, synchronizace vláken, obsluhu pˇreruˇsen´ı, ˇcasován´ı pomoc´ı ˇcasovaˇce urˇceného pro tento systém. (n´ızká pˇresnost), správa dynamické pamˇeti. X ZigBee Stack + IEEE 802.15.4 MAC – software pro obsluhu radiového ZigBee

modulu a ˇcipem CC2420 pˇres rozhran´ı SPI. X MT (Monitor Test) – softwarov´ y nástroj na komunikaci s PC pˇres USART urˇcen´ y

pro ladˇen´ı aplikac´ı.

´ ´ PROSTREDKY ˇ KAPITOLA 4. VYVOJOV E

11

PC aplikace Pro v´ yvoj PC aplikace bylo pouˇzito prostˇred´ı Microsoft Visual Studio verze 2008, programovac´ı jazyk C# a platforma .NET Framework 3.5.

Kapitola 5 Pouˇ zit´ y hardware Senzorová s´ıt’ je tvoˇrena moduly sloˇzen´ ych ze tˇr´ı ˇcást´ı - základn´ı deska s procesorem MSP430FG4618 a podp˚ urn´ ymi souˇcástkami, ZigBee modul s ˇcipem CC2420 a modul s FT232RL pro komunikaci s PC.

Obrázek 5.1: Koncové zaˇr´ızen´ı, bez USB modulu

5.1

MSP430FG4618

Tento mikrokontrolér je z rodiny 16-ti bitov´ ych mikrokontroléru s oznaˇcen´ım MSP430 vyvinut´ ych firmou Texas Instruments. Jedná se o ultra-nizkopˇr´ıkonov´ y procesor s architekturou RICS (Reduced Instruction Set Computer). Základn´ı vlastnosti procesoru: X Spotˇreba 400 uA aktivn´ı, stand-by m´ od 1.3 uA, off mód 0.22 uA X RAM 8 kB, FLASH 116 kB. X Nap´ ajec´ı napˇet´ı 1.8 V aˇz 3 V.

12

ˇ Y ´ HARDWARE KAPITOLA 5. POUZIT

13

X 3x DMA. X 12-bit A/D pˇrevodn´ık. X 3x konfigurovatel´ y operaˇcn´ı zesilovaˇc, 1x komparátor, 2x DAC. X 5x power saving mode. X USART, IrDA, SPI, I2C. X 3x ˇc´ıtaˇc/ˇcasovaˇc. X Integrovan´ y LCD driver s nábojovou pumpou. X Aˇz 8 MHz taktován´ı. X Pouzdro 100LQFP.

5.2

CC2420

Tento ˇcip pracuje jako transiever na kmitoˇctu 2,4 GHz s fyzickou vrstvou definovanou normou IEEE 802.15.4. Disponuje velmi n´ızkou spotˇrebou a to 18.8 mA na pˇr´ıjem a 17,4 mA na vys´ılán´ı. Napájec´ı napˇet´ı je téˇz velmi n´ızké (1,6 V - 3,6 V), a tak je zaˇr´ızen´ı ˇ nab´ız´ı mnoho dalˇs´ıch podp˚ velmi vhodné pro bateriové napájen´ı. Cip urn´ ych funkc´ı jako napˇr´ıklad monitor napˇet´ı baterie, hardwarov´ y v´ ypoˇcet AES ˇsifrován´ı, vyˇzaduje pomˇernˇe málo extern´ıch komponent.Cena se pohybuje okolo 3,3 dolaru za 1000 kus˚ u.

Obrázek 5.2: Moduly s ˇcipem CC2420EMK

ˇ Y ´ HARDWARE KAPITOLA 5. POUZIT

5.3

14

FT232RL

ˇ Tento obvod slouˇz´ı k pˇrevodu UART protokolu na USB, za u ´ˇcelem pˇripojen´ı k PC. Cip dokáˇze zcela samostatnˇe komunikovat s PC pˇres USB, bez nutnosti jakéhokoliv ovládán´ı za chodu ze strany modulu. PC mus´ı b´ yt vybaveno ovladaˇci pro komunikaci s t´ımto ˇcipem, které jsou volnˇe staˇzitelné na stránkách firmy FTDI Chip. Pˇripojené zaˇr´ızen´ı se z pohledu PC chová jako virtuáln´ı virtuáln´ı sériové rozhran´ı. Firma FTDI Chip poskytuje nˇekolik softwarov´ ych projekt˚ u se zdrojov´ ymi kódy, pomoc´ı kter´ ych se dá pˇristupovat k ˇcipu. Tyto projekty jsou k dispozici v jazyc´ıch C++, C#, Delphi, LabVIEW, Visual Basic, Java, Perl a Python. Tyto projekty nám umoˇzn ˇuj´ı komunikovat s obvodem a nastavovat ho (napˇr´ıklad jmenovku nebo sériové ˇc´ıslo v pamˇeti EEPROM). Základn´ı vlastnosti obvodu FTDI: X Kompatibilita Windows 98, 98SE, ME, 2000, Server 2003, XP, Vista, XP 64bit,

MAC OS 8 / 9, OS-X, Linux 2.4 a vyˇsˇs´ı. X N´ızké nap´ ajec´ı napˇet´ı 3.3 V - 5.25 V. X Proudov´ a spotˇreba 15 mA. X Intern´ı 12 MHz oscilátor + PLL (nen´ı potˇreba extern´ı krystal).

u. X Vstupn´ı FIFO (data od USB) 128 bajt˚ X V´ ystupn´ı FIFO (data do USB) 256 bajt˚ u. X Pˇrenosov´ a rychlost 300 Bd aˇz 1 MBd.

Obrázek 5.3: Modul s ˇcipem FT232RL

Kapitola 6 Implementace Programové vybaven´ı do koordinátora a koncového zaˇr´ızen´ı vzniklo u ´ pravou kód˚ u, které vytvoˇril Mario Naval Escart´ın ve své diplomové práci s názvem INTRA-VEHICULAR SENSOR ZIGBEE NETWORK.

6.1

Koordin´ ator

Programové vybaven´ı vyuˇz´ıvá knihovnu s názvem SAPI (Simple Application Programming Interface), která velmi zjednoduˇsuje práci se ZigBee, nebot’ umoˇzn ˇuje ovládán´ı nˇekolika funkcemi. Programové vybaven´ı koordinátora jsem doplnil o tˇri nová vlákna. Prvn´ı vlákno má na starosti ˇc´ıst pˇrijatá data od sériové linky (PC aplikace), a pˇrepos´ılat je hlavn´ımu konfiguraˇcn´ımu vláknu formou zpráv. Velmi jednoduch´ y protokol, kter´ y se vyuˇz´ıvá pro obousmˇern´ y pˇrenos dat, spoˇc´ıvá v tom, ˇze nejprve se odeˇsle jeden bajt, ve kterém je uvedeno kolik bajt˚ u celkovˇe zpráva obsahuje, za n´ım následuje n bajt˚ u, které definuj´ı typ zprávy a poté následuj´ı data k této dané zprávˇe pˇridruˇzená (pokud nˇejaká jsou). V hlavn´ım konfiguraˇcn´ım vláknu se vyhodnocuj´ı zprávy od vlákna, které ˇcte data od sériové linky a dále od SAPI, které bˇeˇz´ı také ve svém vlastn´ım vláknˇe. Zprávy od SAPI mohou nést informace – o u ´spˇeˇsném ˇci ne´ uspˇeˇsném vytvoˇren´ı s´ıtˇe po zavolán´ı funkce zb StartRequest, o pˇripojen´ı koncového zaˇr´ızen´ı po povolen´ı pˇripojen´ı ych datech po zavolán´ı pomoc´ı funkce zb AllowBind, uvˇedomˇen´ı o dobˇre ˇci ˇspatnˇe odeslan´ ych datech ze strany koncového zaˇr´ızen´ı. funkce zb SendDataRequest, popˇr´ıpadˇe o pˇrijat´ Aby SAPI odes´ılalo tyto zprávy hlavn´ımu vláknu, bylo nutné ho trochu upravit – pˇripsat do callback˚ u jednotliv´ ych událost´ı vytvoˇren´ı nové zprávy a odeslán´ı do hlavn´ıho vlákna.

15

KAPITOLA 6. IMPLEMENTACE

16

Hlavn´ı konfiguraˇcn´ı vlákno tedy zajiˇst’uje celou funkcionalitu aplikace. Aby koordinátor mohl jeˇstˇe plnit nˇejakou dalˇs´ı funkci mimo funkce komunikátoru s PC a ˇr´ıdic´ıho uzlu s´ıtˇe ZigBee, je zaimplementováno jeˇstˇe dalˇs´ı vlákno v souboru taskCOLLdevice.c, do kterého si m˚ uˇze programátor napsat svoji dalˇs´ı aplikaci. Hlavn´ı tˇelo toho vlákna se nacház´ı ve funkci APP Task, inicializaˇcn´ı funkce k tomuto vláknu je APP Task Init. Jakmile PC aplikace poˇsle pˇr´ıkaz, ˇze se má zahájit aplikace, nastav´ı se v aplikaˇcn´ım vláknˇe událost (event) START APPLICATION EVENT, kterou vyvolá hlavn´ı konfiguraˇcn´ı vlákno.

6.2

Koncov´ e zaˇ r´ızen´ı

Projekt koncového zaˇr´ızen´ı obsahuje tyto soubory:

endDConfigTask.c V tomto souboru je zaimplementováno hlavn´ı konfiguraˇcn´ı vlákno, toto vlákno se spouˇst´ı jeˇstˇe pˇred aplikaˇcn´ım vláknem a má za u ´kol navázat komunikaci s koordinátorem, odeslat mu informace o zaˇr´ızen´ı, pˇrijmout nastaven´ı filtr˚ u od koordinátora, a v momentˇe kdy obdrˇz´ı od koordinátora pˇr´ıkaz na spuˇstˇen´ı, nastavuje v aplikaˇcn´ım vláknu událost informuj´ıc´ı o zaˇcátku aplikace. V inicializaˇcn´ı funkci ConfigTaskInit tohoto vlákna, která se volá po zapnut´ı napájen´ı, se inicializuje a zap´ıná ZigBee, USART (pro pˇr´ıpadn´ y debugging) a volá se odsud funkce k inicializaci senzoru initializeSensor (pokud je pˇripojen´ y). Tˇelo vlákna se nacház´ı ve funkci ConfigTask.

endDConfigTask.h V tomto hlaviˇckovém souboru jsou nadefinovány vˇsechny d˚ uleˇzité struktury a definice pro funkˇcnost hlavn´ıho konfiguraˇcn´ıho vlákna. Uˇzivatel by mˇel v tomto hlaviˇckovém souboru nadefinovat definici DEVICE DESCRIPTION ve formátu ˇretˇezce jazyka C. Tento ˇretˇezec popisuje slovnˇe, o jaké zaˇr´ızen´ı se jedná. Odes´ılá se na vyˇzádán´ı koordinátora, kter´ y jej pˇrepoˇsle do PC, kde se zobraz´ı v seznamu pˇripojen´ ych zaˇr´ızen´ı. Pˇr´ıklad definice: # define DEVICE DESCRIPTION ”Teplomer s Pt100”


17

filters.c V tomto souboru jsou napsaná tˇela funkc´ı filtr˚ u - plovouc´ı pr˚ umˇer (Moving Average), FIR, IIR a mediánov´ y filtr.

filters.h V tomto hlaviˇckovém souboru jsou d˚ uleˇzité definice, kter´ ym by programátor uˇz´ıvaj´ıc´ı tento software mˇel vˇenovat pozornost. Jsou zde definice: #define NO_FILTER_ENABLED #define AVERAGING_ENABLED #define FIR_ENABLED #define IIR_ENABLED #define MEDIAN_ENABLED Jejich definován´ım (ˇci zakomentován´ım) programátor nastavuje, které filtry bude moˇzno si vybrat v nab´ıdce filtr˚ u v PC aplikaci. Dále je nutné nadefinovat maximáln´ı a minimáln´ı periodu mˇeˇren´ı ve stovkách mikrosekund pomoc´ı tˇechto definic: #define MIN_MEASURING_PERIOD_100US 100 #define MAX_MEASURING_PERIOD_100US 1000000

measurement.c Obsahuje zdrojové kódy funkc´ı na inicializaci periodického pˇreruˇsován´ı od ˇc´ıtaˇce, která slouˇz´ı k vzorkován´ı.

measurement.h Obsahuje pouze hlaviˇcky funkc´ı z measurement.c

mySensorRoutines.c Obsahuje tˇelo funkce initializeSensor, která inicializuje senzor, a funkci MeasureRoutine, která se zavolá vˇzdy, kdyˇz pˇrijde okamˇzik odmˇeru.


18

taskENDdevice.c Obsahuje tˇelo aplikaˇcn´ıho vlákna, které se vyuˇz´ıvá v pˇr´ıpadˇe, ˇze zvol´ıme, ˇze nechceme ˇzádné periodické mˇeˇren´ı s filtrac´ı, ale zcela obecn´ y pˇrenos dat (nap. Bezdrátová klávesnice).

6.3

PC aplikace

Aplikace slouˇz´ı nejprve k tomu, ˇze nám ukáˇze pˇripojená zaˇr´ızen´ı, vyb´ıráme Ukazuje nám aktuálnˇe pˇripojená zaˇr´ızen´ı. Vyb´ıráme pomoc´ı n´ı, která zaˇr´ızen´ı budou spuˇstˇena, nastavujeme filtry, spouˇst´ı aplikaci, ukládá do XML, hledá zaˇr´ızen´ı pˇripojená k USB. Aplikace je tvoˇrena dvˇema hlavn´ımi tˇr´ıdami. Prvn´ı je tˇr´ıda Form, která má na práci vykreslen´ı formuláˇre, odchytáván´ı událost´ı (kliknut´ı na tlaˇc´ıtko, zmˇena vybraného pˇredmˇetu v listu atd.) naˇc´ıtán´ı zˇr´ızen´ı pˇripojen´ ych k USB. Druhá d˚ uleˇzitá tˇr´ıda je tˇr´ıda Comunicator. Tato tˇr´ıda má za u ´kol otevˇr´ıt COM port, jehoˇz ˇc´ıslo mu pˇredá hlavn´ı tˇr´ıda Form v konstruktoru. Dále má za u ´kol komunikovat se zaˇr´ızen´ım pˇripojen´ ym na druhé stranˇe (v´ yhradnˇe koordinátorem). Tyto operace jsou um´ıstˇeny v jedné metodˇe s názvem Routine. Volán´ı této metody je um´ıstˇeno do zvláˇstn´ıho vlákna, a to z toho d˚ uvodu, ˇze obsahuje mnoho ˇcekac´ıch smyˇcek a nav´ıc obsluha sériového portu je pomˇernˇe zdlouhavá. Pokud bychom implementovali obsluˇznou rutinu pro seriov´ y port do hlavn´ıho vlákna, aplikace by byla velmi pomalá a komponenty by nereagovaly okamˇzitˇe napˇr´ıklad na kliknut´ı. Dále programován´ı takovéhoto softwaru by bylo velmi sloˇzité, pokud bychom chtˇeli brát ohled na plynulost aplikace. Dále jsou zdrojové kódy doplnˇeny o mnoho dalˇs´ıch doplˇ nkov´ ych tˇr´ıd, které slouˇz´ı v´ıceménˇe jen k sjednocen´ı v´ıce promˇenn´ ych do jedné. Celá aplikace je postavená na základn´ıch knihovnách, které nab´ız´ı bal´ık .NET Framework verze 3.5, a na knihovnˇe FTD2XX NET od firmy FTDI chip, která slouˇz´ı ke komunikaci s ˇcipem FTD232RL. Z této knihovny jsou vˇsak vyuˇzity pouze metody pro detekci zaˇr´ızen´ı. Pro komunikaci z konkrétn´ım zaˇr´ızen´ım jsem radˇeji vyuˇzil komponentu SerialPort z knihovny Sytem.IO z bal´ıku .NET Frameworku, která je velmi uˇzivatelsky pˇr´ıvˇetivá a také velmi v´ ykonná. Obsluha sériového portu je vykonávána v jiném vláknˇe a nen´ı moˇzné pˇr´ımo z tohoto vlákna mˇenit vlastnosti komponent. Pˇri pokusu o toto by ze zavolala výjimka - nesyn. K ˇreˇsen´ı problému jsem vyuˇzil metodu tˇr´ıdy Form z názvem Invoke“, která ” zaˇr´ıd´ı vykonán´ı urˇcité funkce aˇz v momentˇe, kdy je hlavn´ı vlákno aktivn´ı, a t´ım se zajist´ı synchronnost s hlavn´ım vláknem. K synchronizaci pˇr´ıstupu k promˇenn´ ym byly vyuˇzity


19

také mutexy. Sekvenˇcn´ı diagram (obr 6.2) znázorˇ nuje, jaké informaˇcn´ı toky prob´ıhaj´ı v celém systému. Obrázek 6.1 ukazuje vlastn´ı aplikaci.

Obrázek 6.1: Vlastn´ı aplikace

Vysvˇetlivky k obrázku 1.1: 1. Seznam pˇripojen´ ych zaˇr´ızen´ı s FTD232RL ˇcipem. V tomto seznamu mus´ı vybrat uˇzivatel to zaˇr´ızen´ı, ve kterém je program koordinátora, a poté kliknout na tlaˇc´ıtko Connect. 2. Scan tlaˇc´ıtko slouˇz´ı k zahájen´ı ˇcinnosti koordinátora. Ten povol´ı pˇripojen´ı koncov´ ych zaˇr´ızen´ı. 3. Start application tlaˇc´ıtko slouˇz´ı ke spuˇstˇen´ı mˇeˇren´ı ihned po té, co uˇzivatel vybere zaˇr´ızen´ı a nastav´ı filtry. 4. Stop tlaˇc´ıtko zastavuje veˇskerá mˇeˇren´ı. 5. Save to XML tlaˇc´ıtko zajist´ı uloˇzen´ı namˇeˇren´ ych dat do souboru ve formátu XML. 6. Pomoc´ı tˇechto tlaˇc´ıtek se vyb´ırá druh filtru pro dané koncové zaˇr´ızen´ı. 7. Measurement period urˇcuje vzorkovac´ı periodu pro dané koncové zaˇr´ızen´ı.


20

8. Samples urˇcuje jakého ˇrádu má filtr b´ yt (pˇr´ıstupné pouze pro filtry moving average a median). 9. Do kolonek koeficients vkládá uˇzivatel koeficienty filtru FIR nebo IIR ve formátu ˇc´ısla double. Jednotlivá ˇc´ısla mus´ı b´ yt oddˇelena tabulátorem. Koeficienty se daj´ı rovnou kop´ırovat z prostˇred´ı MATLAB, kde si je uˇzivatel vygeneruje pomoc´ı pˇr´ıkaz˚ u (butter, fir1, fir2 atd.). 10. V tomto seznamu jsou vypsaná jednotlivá koncová zaˇr´ızen´ı. Uˇzivatel zaˇskrtnut´ım vol´ı, která z nich chce pouˇz´ıt. 11. V tomto oknˇe se zobrazuj´ı namˇeˇrená data. Sloupec vlevo ukazuje s´ıt’ovou adresu zaˇr´ızen´ı, od nˇehoˇz data pˇriˇsly. Druh´ y sloupec zleva ukazuje kvalitu pˇrenosové cesty. Tento u ´ daj slouˇz´ı jenom pro orientaˇcn´ı urˇcen´ı kvality pˇrenosu. Tˇret´ı sloupec zleva ukazuje systémov´ y ˇcas koordinátora, kter´ y je mˇeˇren ve stovkách mikrosekund. Posledn´ı sloupec ukazuje namˇeˇrená data. 12. Zde si uˇzivatel vyb´ırá, v jakém formátu chce namˇeˇrená data zobrazit. Hex - vyp´ıˇse jednotlivé bajty ve dvouznakovém hexadecimáln´ım tvaru. String - vyp´ıˇse ASCII reprezentaci kaˇzdého bajtu. 13. Zde si uˇzivatel m˚ uˇze vybrat, které informace se maj´ı zobrazovat v oknˇe ˇc. 11. 14. Zde se vypisuj´ı informace o tom, co zrovna program dˇelá. V´ ypoˇcetn´ı v´ ykon koncového zaˇr´ızen´ı je velmi omezen´ y, takˇze je nutné, aby nebyla nastavena perioda mˇeˇren´ı a ˇrád a typ filtru tak, ˇze procesor nebude schopen spoˇc´ıtat a odeslat v´ ysledek dˇr´ıve neˇz pˇrijde ˇcas nového mˇeˇren´ı. Nesm´ı se zapomenout také na to, ˇze i odmˇeˇren´ı hodnoty ˇcidla zabere urˇcit´ y ˇcas. V tabulce je uvedeno, jak zpracován´ı jednotliv´ ymi filtry trvá dlouho. Tabulka 6.1: Tabulka ˇcasové nároˇcnosti filtr˚ u

Typ filtru

Doba jednoho v´ ypoˇctu v závislosti na ˇrád filtru [us]

Plovouc´ı pr˚ umˇer 2052 + 3,430*N Mediánov´ y filtr

2032+ 7,600*N

FIR

1826 + 79,23*N

IIR

1862 + 113,1*N

Z tabulky vid´ıme, ˇze vˇsechny typy filtr˚ u maj´ı lineárn´ı sloˇzitost.


Obrázek 6.2: Sekvenˇcn´ı diagram komunikace mezi zaˇr´ızen´ımi

21


6.4

22

Probl´ emy

Hned na zaˇcátku v´ yvoje jsem narazil na problém, ˇze je chyba v implementaci driveru sériové linky v bal´ıku Z-Stack. Sériová linka odes´ılá asynchronnˇe data a zcela u ´plnˇe zde chybˇela synchronizace pˇr´ıstupu k promˇenné (index bufferu). To jsem odstranil t´ım, ˇze jsem v urˇcit´ ych pasáˇz´ıch doplnil zdrojové kódy o vypnut´ı a zapnut´ı pˇreruˇsen´ı. V novˇejˇs´ıch verz´ıch softwaru Z-Stack je tato chyba odstranˇena.

Kapitola 7 R´ adiov´ e moduly od TI Souˇcást´ı této práce je také prozkoumán´ı moˇznost´ı náhrad RF ZigBee modulu s ˇcipem CC2420, kter´ y je v nab´ıdce TI nejstarˇs´ım.

7.1

CC2430

Tento ˇcip je vlastnˇe ˇcip CC2420 doplnˇen´ y o n´ızkospotˇrebov´ y mikroprocesor s architekturou 8051 maj´ıc´ı 32/64/128 KB programovatelné pamˇeti FLASH a 8 KB pamˇeti RAM. Pro tento mikrokontrolér je samozˇrejmˇe také od firmy Texas Instruments k dispozici softwarov´ y bal´ık Z-Stack stejnˇe jako tomu bylo u naˇseho ˇreˇsen´ı. Mikrokontrolér je téˇz vybaven mnoha periferiemi, jako maj´ı mikrokontroléry standartˇe (DMA, watchdog, ˇcasovaˇce atd.). T´ım, ˇze rádiov´ y modul a mikrokontrolér byly spojeny do jednoho, se dosáhlo zmenˇsen´ı rozmˇer˚ u a sn´ıˇzen´ı spotˇreby. Takov´ yto modul m˚ uˇze b´ yt pak velice vhodn´ y napˇr´ıklad do dálkov´ ych ovládán´ı nebo napˇr´ıklad do bezdrátové myˇsi. Pr˚ umˇerná aktivn´ı spotˇreba se pohybuje okolo 27 mA v aktivn´ım stavu a cena se pohybuje okolo 3,30 dolaru za 1000 kus˚ u.

7.2

CC2431

Tento ˇcip je v základu stejnˇe vybaven´ y jako ˇcip CC2430, nav´ıc doplnˇen´ y o hardwarov´ y poziˇcn´ı lokátor, pomoc´ı kterého se dá sledovat pozice jednotliv´ ych koncov´ ych zaˇr´ızen´ı. Cena se pohybuje kolem 3,60 dolaru za 1000 kus˚ u. 23

´ ´ MODULY OD TI KAPITOLA 7. RADIOV E

24

Vlastnosti poziˇcn´ıho lokátoru: X Pˇresnost cca 0,25 m (z´ avis´ı na mnoha faktorech). X Doba zjiˇstˇen´ı pozice 50 us aˇz 13 ms. X Lokaˇcn´ı prostor 64 m x 64 unitm.

ˇ seno pˇreváˇznˇe hardwarovˇe – nutnost minimáln´ıho zásahu procesoru. X Reˇ X M˚ uˇze b´ yt pouˇzito 3 - 16 referenˇcn´ıch uzl˚ u.

7.3

CC2480

Tento nejdraˇzˇs´ı ˇcip z nab´ıdky Texas Instruments se obsahuje rádiov´ y vys´ılaˇc a zároveˇ n obsahuje ˇradiˇc se softwarem Z-Stack. Tento ˇcip nen´ı programovateln´ y, tud´ıˇz mus´ı b´ yt doplnˇen jeˇstˇe o extern´ı mikrokontrolér, ve kterém bude aplikace. Toto oddˇelen´ı pˇrináˇs´ı znaˇcné zjednoduˇsen´ı pro v´ yvojáˇre, protoˇze nemus´ı zaimplementovávat Z-Stack do aplikace, a tak se mohou soustˇredit pouze na ni. S CC2480 je moˇzno komunikovat ˇ ıd´ı se na stejné u bud’ pˇres SPI, nebo pomoc´ı USARTu. R´ ´rovni jako je SAPI (10 funkc´ı). Pr˚ umˇerná spotˇreba se pohybuje okolo 27mA. Cena se v pr˚ umˇeru pohybuje okolo 8,10 dolaru za 1000 kus˚ u.

7.4

CC2520

Tento obvod je obdoba námi pouˇzitého obvodu CC2420 a je oznaˇcován firmou Texas Instruments jako obvod druhé generace. Je to samostatn´ y transceiver s velmi n´ızkou spotˇrebou, umoˇzn ˇuje vyˇsˇs´ı vys´ılac´ı v´ ykon a pˇrij´ımaˇc je také v´ıce citliv´ y oproti CC2420. Cena je také pˇr´ıznivˇejˇs´ı, ˇcinn´ı 1,95 dolaru za 1000 kus˚ u.


7.5

25

CC2530

Tento obvod je obdoba obvodu CC2430 a je téˇz oznaˇcován firmou Texas Instruments jako obvod druhé generace. Je to spojen´ı rádiového modulu a n´ızkopˇr´ıkonového mikroprocesoru s jádrem 8051 vybaven´ ym vˇsemi moˇzn´ ymi periferiemi jak´ y standardn´ı mikrokontrolér m˚ uˇze m´ıt. Tento ˇcip je velmi vhodn´ y pro dálková ovládán´ı, miniaturn´ı senzory a PC komponenty zejména pro svoji n´ızkou spotˇrebu, malou velikost a n´ızkou cenu. Cena je 3,5 dolaru za 1000 kus˚ u. Zaj´ımavé je, ˇze ani jeden novˇejˇs´ı ˇcip nepˇrinesl ˇzádné zmˇeny ve zp˚ usobu pˇripojen´ı antény. Vˇsechny rádiové moduly se pˇrizp˚ usobuj´ı k 50 ohmové anténˇe pomoc´ı pomˇernˇe sloˇzitého balunu, kter´ y je naznaˇcen na obrázc´ıch.

Obrázek 7.1: Schéma pˇripojen´ı antény


Obrázek 7.2: Maska ploˇsného spoje pro pˇripojen´ı antény

26

Kapitola 8 ˇ ıslicov´ C´ e filtry Souˇcást´ı bakaláˇrské práce je implementace ˇc´ıslicov´ ych filtr˚ u do koncov´ ych zaˇr´ızen´ı, a tak je zde krátce shrnuto, co jsou ˇc´ıslicové filtry, jaké maj´ı vlastnosti a jak se softwarovˇe implementuj´ı.

8.1

´ Uvod do ˇ c´ıslicov´ ych filtr˚ u

ˇ ıslicové filtry patˇr´ı k základn´ım zp˚ C´ usob˚ um zpracován´ı signál˚ u vedle DFT (event. FFT), korelace atd. Jsou to lineárn´ı ˇcasovˇe invariantn´ı (LTDI) obvody nebo algoritmy s jedn´ım vstupem a jedn´ım v´ ystupem. Jejich vlastnosti (koeficienty, ˇrád atd.) se v ˇcase nemˇen´ı, takˇze pokud na vstup pˇrivedeme signál a ten sam´ y pˇrivedeme se zpoˇzdˇen´ım, odezva bude vˇzdy stejná. Lze je popsat mnoha zp˚ usoby - pˇrenosem H(z) v z oblasti, impulsn´ı odezvou h(z), frekvenˇcn´ı charakteristikou nebo pˇr´ımo diferenˇcn´ı rovnic´ı v ˇcasové oblasti. V´ ystupn´ı odezvu filtru na vstup z´ıskáme jako konvoluci vstupu s impulsn´ı odezvou filtru viz rovnice 8.1. Z{f(t)∗h(t)} =

n

f (k)h(n − k) = F (z)H(z)

(8.1)

k=0

ˇ ıslicov´ C´ y filtr je algoritmus, kter´ y poˇzadovan´ ym zp˚ usobem mˇen´ı spektrum vstupn´ıho signálu podle své frekvenˇcn´ı charakteristiky. Tyto filtry mohou b´ yt vyuˇzity napˇr´ıklad, pro odstranˇen´ı vlastn´ıch ˇsum˚ u senzor˚ u, ruˇsen´ı (napˇr´ıklad 50 Hz ze s´ıtˇe), vibrac´ı (napˇr´ıklad u tenzometr˚ u), stejnosmˇern´ ych offset˚ u akcelerometr˚ u atd. V´ yhody ˇc´ıslicov´ ych filtr˚ u oproti analogov´ ym protˇejˇsk˚ um jsou: lze s nimi filtrovat signály s niˇzˇs´ı frekvenc´ı neˇz je 1 Hz (u analogov´ ych filtr˚ u to nen´ı dost dobˇre moˇzné, protoˇze indukˇcnosti a kapacity vycházej´ı

27

ˇ ÍSLICOVE ´ FILTRY KAPITOLA 8. C

28

velmi rozmˇerné, tˇeˇzké a drahé), ˇc´ıslicové filtry nestárnou, takˇze se jejich parametry v dlouhodobém ˇcase s teplotou ani jin´ ymi vlivy zpravidla nemˇen´ı. Pˇresnost záleˇz´ı pˇredevˇs´ım na pˇresnosti A/D pˇrevodn´ıku a na pˇresnosti aritmetiky v´ ypoˇcetn´ıho procesoru. Jdou realizovat filtry vysok´ ych ˇrád˚ u (t´ım i strmost´ı frekvenˇcn´ıch charakteristik), daj´ı se jednoduˇse implementovat i nelineárn´ı filtry (kupˇr´ıkladu mediánov´ y filtr), daj´ı se implementovat i adaptivn´ı filtry (mˇen´ıc´ı koeficienty v ˇcase). Filtry lze navrhovat nˇekolika zp˚ usoby, bud’ rovnou navrhovat ˇc´ıslicov´ y filtr, nebo nejprve navrhnout analogov´ y a poté ho pˇrevést pomoc´ı transformace na ˇc´ıslicov´ y. K návrhu filtr˚ u at’ prvn´ım nebo druh´ ym zp˚ usobem zpravidla vyuˇz´ıváme software, napˇr´ıklad pro testován´ı návrhu filtr˚ u byl pouˇzit MATLAB a Signal Processing Toolbox, kter´ y je vybaven celou ˇradou funkc´ı pro takové návrhy. Pokud chceme filtrovat v reálném ˇcase (náˇs pˇr´ıpad), tak je zapotˇreb´ı, aby reakce na vstup byla spoˇc´ıtána dˇr´ıve, neˇz pˇrijde dalˇs´ı vzorek. K takov´ ymto operac´ım se zpravidla vyuˇz´ıvaj´ı signálové procesory (DSP – z anglického Digital Signaling Processor). Tyto procesory jsou optimalizované pro zpracován´ı ˇc´ıslicov´ ych signál˚ u, maj´ı jiˇz bloky obvod˚ u speciálnˇe pˇripravené pro filtry, zvládaj´ı operace zpravidla i bˇehem jednoho taktu a tak jim v´ ypoˇcet zabere zpravidla pár ns. Jelikoˇz my v naˇs´ı aplikaci nepouˇz´ıváme DSP, ale n´ızkospotˇrebov´ y 16ti bitov´ y procesor s taktem 6.2 MHz, tak naˇse filtry mus´ı b´ yt jednoduché (n´ızk´ y ˇrád) a jen pro n´ızké vzorkovac´ı frekvence, aby procesor mohl zároveˇ n jeˇstˇe dˇelat jiné vˇeci – obsluha s´ıtˇe, správa operaˇcn´ıho systému.

8.2

Rozdˇ elen´ı ˇ c´ıslicov´ ych filtr˚ u

ˇ ıslicové filtry dˇel´ıme do dvou základn´ıch kategori´ı. Jsou to na filtry s koneˇcnou impulsn´ı C´ odezvou a nekoneˇcnou impulsn´ı odezvou. Filtry s koneˇcnou impulsn´ı odezvou maj´ı impulsn´ı charakteristiku tvoˇrenou koneˇcnou posloupnost´ı impuls˚ u (oznaˇcujeme jako filtry typu FIR), zat´ımco filtry s nekoneˇcnou impulsn´ı odezvou, uˇz jak sám název napov´ıdá, maj´ı nekoneˇcnˇe dlouhou odezvu (oznaˇcujeme je jako filtry typu IIR). Oba dva tyto typy jsou souˇcást´ı programového vybaven´ı koncov´ ych zaˇr´ızen´ı, a proto se jimi budu dále zab´ yvat.


29 Impulse Response

0.07

0.06

0.05

Amplitude

0.04

0.03

0.02

0.01

0

−0.01

−0.02

0

5

10

15

20

25 30 Time (samples)

35

40

45

50

Obrázek 8.1: Impulsn´ı odezva FIR filtru

Impulse Response 0.06

0.05

0.04

Amplitude

0.03

0.02

0.01

0

−0.01

−0.02

0

50

100

150 Time (samples)

200

Obrázek 8.2: Impulsn´ı odezva IIR filtru

250

300


8.3 8.3.1

30

Filtry s koneˇ cnou impulsn´ı odezvou - FIR Matematick´ y popis

FIR (finite impulse response) je popsán v z oblasti rovnic´ı 8.2. H(z) = b0 + b1 z

−1

+ b2 z

−2

+ . . . bM z

−M

=

M

bn z −n

(8.2)

n=0

Pokud uprav´ıme rovnici do tvaru s kladn´ ymi mocninami, dostaneme rovnici 8.3. M M −n z H(z) = n=0M (8.3) z V rovnici 8. 3. vid´ıme, ˇze pˇrenos vyjádˇren´ y v kladn´ ych mocninách má ve jmenovateli M násobn´ y koˇren (pól) roven nule, a protoˇze podm´ınka stability u ˇc´ıslicového systému je, ˇze vˇsechny póly mus´ı leˇzet uvnitˇr jednotkového kruhu, tento filtr je vˇzdy stabiln´ı (on je dokonce maximálnˇe stabiln´ı, protoˇze poˇcátek je nejstabilnˇejˇs´ı poloha, ve které se pól m˚ uˇze nacházet). V ˇcasové oblasti bude diferenˇcn´ı rovnice m´ıt tvar viz rovnice 8.4. y(n) = b0 x(n) + b1 x(n − 1) + . . . bM x(n − M )

8.3.2

(8.4)

Charakteristick´ e vlastnosti

Tyto filtry se vyznaˇcuj´ı mnoha charakteristick´ ymi vlastnostmi, které rekurzivn´ı filtr IIR nemá. Tento filtr má takˇrka vˇzdy (v praxi u ´plnˇe vˇzdy) lineárn´ı frekvenˇcn´ı fázovou charakteristiku (se záporn´ ym sklonem), a to znamená, ˇze jeho skupinové zpoˇzdˇen´ı (zmˇena fáze se zmˇenou kmitoˇctu) je konstantn´ı, a proto pro veˇskeré kmitoˇcty tento filtr zp˚ usobuje ˇ ad filtru, kter´ konstantn´ı zpoˇzdˇen´ı. R´ y je roven M, b´ yvá v praxi velmi vysok´ y - stovky aˇz tis´ıce, coˇz je pomˇernˇe omezen´ı, protoˇze takov´ yto filtr má d´ıky tomuto zpravidla velké zpoˇzdˇen´ı a zároveˇ n má velké nároky na pamˇet’ (uloˇzen´ı koeficient˚ u, meziv´ ysledky) a t´ım pádem také velké nároky na poˇcet operac´ı (M souˇct˚ u a M+1 násoben´ı konstantou). Jejich koneˇcnˇe dlouhá odezva je ale v´ yhodná v tom, ˇze kdyˇz se na vstupu filtru objev´ı velmi y impuls, tak z v´ ysledku zmiz´ı za koneˇcnˇe dlouhou dobu (danou ˇrádem filtru), siln´ y ruˇsiv´ coˇz u filtr˚ u typu IIR je z principu funkce opaˇcnˇe (vlivem zpˇetné vazby se signál opˇet vrac´ı na vstup). V´ yhodou je také to, ˇze jsou obecnˇe ménˇe citlivé na chybu zp˚ usobenou vlivem koneˇcné pˇresnosti aritmetiky v´ ypoˇcetn´ıho procesoru, nav´ıc tato nepˇresnost nem˚ uˇze nikdy zp˚ usobit nestabilitu celého filtru. Nev´ yhodou je to, ˇze se k nim nedaj´ı nalézt analogové ekvivalenty (protoˇze pólu v nule v z oblasti odpov´ıdá pól v nekoneˇcnu v s oblasti a to se analogovˇe realizovat nedá). Tyto filtry jsou dobˇre vyuˇzitelné jako adaptivn´ı.


8.3.3

31

Realizace filtru

Vˇsechny ˇc´ıslicové filtry lze vyjádˇrit schématem, ve kterém jsou pouˇzity jen tyto prvky - sˇc´ıtaˇcka, násoben´ı konstantou a zpoˇzd’ovac´ı ˇclen. FIR filtr se nejˇcastˇeji realizuje v takzvaném transverzáln´ım tvaru, coˇz je v podstatˇe zpoˇzd’ovac´ı linka s odboˇckami. V naˇsem pˇr´ıpadˇe je vˇsak nutné si uvˇedomit, ˇze pouˇzit´ y procesor MSP430FG4618 je taktován jen kmitoˇctem 6,2 Mhz kv˚ uli n´ızké spotˇrebˇe a v´ ypoˇcty je nutné kv˚ uli pˇresnosti poˇc´ıtat pomoc´ı datového formátu float (4 byty, pˇresnost na 7 desetinn´ ych m´ıst), a tak nem˚ uˇzeme ˇrád volit zase tak moc velk´ y, protoˇze v´ ypoˇcet by trval pˇr´ıliˇs dlouho a nav´ıc s rostouc´ım ˇrádem se zmenˇsuje velikost nˇekter´ ych koeficient˚ u a t´ım se zvˇetˇsuje chyba aritmetiky.

Obrázek 8.3: Blokové schéma algoritmu filtru typu FIR

Algoritmus naspan´ y v jazyce C realizuj´ıc´ı FIR filtr desátéh ˇrádu v transverzáln´ı formˇe: #define fir_filter_order 10 /* Fir coeficients */ double coefs[] = {0.00996728268387249,0.0248616598269683,0.0668366890418819, 0.124888939106605,0.175591860415964,0.195707137849416,0.175591860415964, 0.124888939106605,0.0668366890418819,0.0248616598269683,0.00996728268387249}; /* Circular buffer for samples */ int samples[fir_filter_order+1]; /* Buffer writing head */ int head; int firFilter(int sample) { double result = 0; /* Final result variable */


32

int index= head; samples[head] = sample; /* Result counting */ for ( int i =0; i= fir_filter_order+1) { head = 0; } /* Convert result into an integer and return */ return (int)result; }

8.3.4

Klouzav´ y pr˚ umˇ er (moving average)

Klouzav´ y pr˚ umˇer je zvláˇstn´ım pˇr´ıpadem filtru typu FIR, kde vˇsechny jeho koeficienty jsou stejné a jejich suma je rovna 1 (pokud chceme, aby filtr mˇel zes´ılen´ı jedna). Daj´ı se realizovat jako takzvan´ y neváˇzen´ y klouzav´ y pr˚ umˇer, ale daj´ı také realizovat jako klouzav´ y pr˚ umˇer s exponenciáln´ım zapom´ınán´ım - v tomto pˇr´ıpadˇe koeficienty exponenciálnˇe klesaj´ı se vzdálenost´ı od posledn´ıho vzorku (posledn´ı vzorek má nejmenˇs´ı váhu). V´ yhodou tohoto filtru je to, ˇze pokud se nám v uˇziteˇcném signálu vyskytuje nˇejak´ y neˇzádouc´ı harmonick´ y signál (napˇr´ıklad 50Hz od distribuˇcn´ı s´ıtˇe nebo napˇr´ıklad nˇejaké mechanické vibrace senzoru), tento filtr je dokáˇze zcela odstranit. Aby to fungovalo, mus´ı platit, ˇze frekvence sinusového ruˇsivého signálu mus´ı b´ yt rovna fvzork /N , kde N je ˇrád filtru. Tento filtr je velmi v´ yhodn´ y z hlediska realizace, právˇe proto, ˇze koeficienty jsou vˇsechny stejné, pak staˇc´ı pouze vˇsechny vzorky seˇc´ıst a vydˇelit je jejich poˇctem jako je to u klasického pr˚ umˇerovan´ı. Diferenˇcn´ı rovnice klouzavého pr˚ umˇeru je 8.5. Pˇrenos vyjádˇren´ y v z oblasti


33

je 8.6.

y(n) =

1 [x(n − (N − 1) + x(n + 1 − (N − 1)) + ... + x(n − 1) + x(n)] N N −1 1 −i z H(z) = N i=0

(8.5)

(8.6)

Obrázek 8.4: Frekvenˇcn´ı charakteristika filtru typu plovouc´ı pr˚ umˇer

Algoritmus klouzavého pr˚ umˇeru napsan´ y v jazyce C. V´ yhodou oproti obecnému filtru typu FIR je to, ˇze nemus´ıme odezvu poˇc´ıtat pˇres vˇsechny vzorky, ale staˇc´ı nám akorát pˇri kaˇzdém vloˇzen´ı nového vzorku pˇriˇc´ıst nov´ y vzorek do celkové sumy, spoˇc´ıtat v´ ysledek (dˇelen´ım poˇctem vzork˚ u) a nakonec odeˇc´ıst ten nejstarˇs´ı vzorek ze sumy. #define ma_filter_order 10 /* Circular buffer for samples */ int ma_samples[ma_filter_order]; /* Sample sum */ long sum; /* Circular buffer writing head */ int head; int maFilter(int sample) { int result; int tail; /* Oldes sample indexer */ tail = head+1;


34

if (tail>=ma_filter_order) tail = 0; /* Add a new sample */ ma_samples[head] = sample; /* Add new sample value to the sum */ sum += sample; /* Increment the writing head and wrap arround */ head++; if (head >= ma_filter_order) { head = 0; } /* Count average */ result = sum/ma_filter_order; /* Subtract the oldest sample for the sum */ sum -= ma_samples[tail]; return result; }

8.4 8.4.1

Filtry s nekoneˇ cnou impulsn´ı odezvou - IIR Popis

IIR (infinite impulse response) obsahuj´ı alespoˇ n jednu zpˇetnovazebn´ı smyˇcku. Pˇrenos filtru ˇrádu N v z oblasti je vyjádˇren jako pod´ıl dvou polynom˚ u - rovnice 8.8. V ˇcasové oblasti je diferenˇcn´ı rovnice ve tvaru 8.8. H(z) =

Y (z) b0 + b1 z −1 + b2 z −2 + . . . + bM z −M = X(z) 1 − a1 z −1 + a2 z −2 + . . . + aN z −N

y(n) =

M i=0

bi x(n − i) +

N

ai y(n − i)

i=1

Z rovnice vid´ıme, ˇze se jedná vlastnˇe FIR filtr je IIR filtr s nulov´ ymi a koeficienty.

(8.7)

(8.8)


8.4.2

35

Charakteristick´ e vlastnosti

Pro stejné poˇzadavky na frekvenˇcn´ı charakteristiku maj´ı IIR filtry podstatnˇe niˇzˇs´ı ˇrád (do 10).D´ıky n´ızkému ˇrádu maj´ı také rychlejˇs´ı odezvu na vstup neˇz filtry typu FIR, jsou také ménˇe nároˇcné na v´ ypoˇcty a pamˇet’. Nev´ yhodou je, ˇze mohu b´ yt i nestabiln´ı, a to i v pˇr´ıpadech, ˇze byly navrˇzeny jako stabiln´ı právˇe vlivem koneˇcné pˇresnosti aritmetiky procesoru (zaokrouhlován´ım se nˇekter´ y pól pˇrenosu m˚ uˇze dostat i do nestabiln´ı oblasti). Pravdˇepodobnost v´ yskytu tohoto problému nar˚ ustá s ˇrádem filtru. Fázová charakteristika tohoto filtru je nelineárn´ı, takˇze pro r˚ uzné kmitoˇcty zp˚ usobuj´ı r˚ uzná zpoˇzdˇen´ı (skupinové zpoˇzdˇen´ı nen´ı konstantn´ı). Dalˇs´ı nev´ yhodou tohoto typu filtru je to, ˇze pokud se objev´ı ystupu se vrac´ı na na vstupu velmi siln´ y ruˇsiv´ y impuls, tak t´ım, ˇze filtr je rekurzivn´ı a v´ vstup, jeho odezn´ıván´ı m˚ uˇze b´ yt velmi dlouhé.

8.4.3

Realizace

IIR filtry navrhujeme zpravidla jako analogie analogov´ ych filtr˚ u. Pro srovnán´ı je uvedena tabulka nejˇcastˇeji pouˇz´ıvan´ ych filtr˚ u. Tabulka 8.1: Tabulka IIR filtr˚ u

Název filtru

Vlastnosti

Butterworth

maximálnˇe plochá, monotonn´ı funkce, strmost roste

Pˇr´ıkaz v MATLABu butter

s ˇrádem filtru, velké pˇrekmity v ˇcasové oblasti Chebyshev

vˇetˇsi strmost neˇz butterworth, amplitudová

cheby1, cheby2

charakteristika je nemonotonn´ı,velké pˇrekmity Cauer˚ uv

nejstrmˇejˇs´ı pˇrechodové pásmo

Bessel

nejménˇe strmá amplitudová charakteristika, fázová

ellip -

se nejbl´ıˇze bl´ıˇz´ı lineárn´ı IIR filtr s dan´ ym pˇrenosem lze realizovat nˇekolika zp˚ usoby. Nejnázornˇejˇs´ı je prvn´ı pˇr´ımá forma filtru, která odpov´ıdá pˇr´ımo diferenˇcn´ı rovnici v ˇcasové oblasti. Nuly pˇrenosu realizuje nerekurzivn´ı ˇcást filtru, póly ta rekurzivn´ı ˇcást filtru. Tento zp˚ usob realizace vyˇzaduje zbyteˇcnˇe mnoho zpoˇzd’ovac´ıch ˇclen˚ u (M + N), a proto je do naˇs´ı omezené aplikace nevhodn´ y, je také nav´ıc velmi citliv´ y na numerickou nepˇresnost koeficient˚ u, zmˇena jednoho koeficientu posunuje vˇsechny nuly a póly celého pˇrenosu filtru.


36

Obrázek 8.5: Blokové schéma IIR filtru v prvn´ı pˇr´ımé formˇe

Druhá pˇr´ımá realizace – oproti prvn´ı pˇrináˇs´ı omezen´ı poˇctu zpoˇzd’ovac´ıch ˇclen˚ u na N. Tato struktura je v´ yhodná pro zpracován´ı ˇc´ıslicov´ ym procesorem, avˇsak i tato forma je citlivá na numerickou nepˇresnost koeficient˚ u a jejich zmˇena, stejnˇe jako v prvn´ım pˇr´ıpadˇe posunuje vˇsechny nuly a póly pˇrenosu filtru.

Obrázek 8.6: Blokové schéma IIR filtru v druhé pˇr´ımé formˇe

Algoritmus naspan´ y v jazyce C realizuj´ıc´ı IIR filtr pátého ˇrádu typu Butterworth v druhé pˇr´ımé formˇe: #define filter_order 5 /* Denominator coeficients */ double a_coefs[filter_order+1] = {1,-3.98454311961234,6.43486709027587,


37 -5.25361517035227, 2.16513290972413, -0.359928245063556 };

/* Numerator coeficients*/ double b_coefs[filter_order+1] = {5.97957803700200e-05, 0.000298978901850100, 0.000597957803700200, 0.000597957803700200, 0.000298978901850100, 5.97957803700200e-05 }; /* Circular buffer for samples*/ int samples[filter_order+1]; /* Buffer writing head */ int head; int iirFilter(int sample) { double result; /* Final result variable */ int index; /* Recursive part */ index = head-1; result = (double)sample; for (int i=1;i

38

head++; if (head >= filter_order+1) { head = 0; } /* Convert result into an integer and return */ return (int)result; } Kaskádn´ı forma filtru je dalˇs´ı moˇznost realizace IIR filtru. Je to sériové zapojen´ı filtr˚ u druhého ˇrádu. Tento zp˚ usob realizace pˇrináˇs´ı velkou v´ yhodu v tom, ˇze pokud se nám filtr rozkmitá, tak m˚ uˇzeme vlastnˇe zjistit, kter´ y d´ılˇc´ı IIR filtr to je a jen u nˇeho upravit koeficienty, tak aby to nekmitalo, ˇc´ımˇz nemus´ıme mˇenit cel´ y filtr. Filtr má také nav´ıc minimáln´ı poˇcet zpoˇzd’ovac´ıch ˇclen˚ u. Dále také m˚ uˇzeme pouˇz´ıt filtr paraleln´ı, kter´ y má stejé vlastnosti jako kaskádn´ı. Jako pˇr´ıklad, jak´ y m˚ uˇze m´ıt vliv nepˇresnost aritmetiky, m˚ uˇze b´ yt porovnán´ı dvou IIR filtr˚ u desátého ˇrádu typu Butterworth v druhé pˇr´ımé formˇe realizovan´ ych na PC v jazyce C, a to jednou s pouˇzit´ım datového typu float a podruhé s pouˇzit´ım datového typu double s dvojnásobnou pˇresnost´ı oproti float. Z v´ ysledk˚ u je dobˇre vidˇet, jak´ y vliv m˚ uˇze m´ıt nepˇresnost aritmetiky.


39

IIR filters − 10th order, Butterworth 1400 Float type arithmetic Double type arithmetic 1200

Signal [−]

1000

800

600

400

200

0

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5 Time [s]

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Obrázek 8.7: Vliv nepˇresnosti aritmetiky na funkci IIR filtru

8.5

Neline´ arn´ı filtry

Tyto filtry maj´ı zcela jiné vlastnosti, neˇz pˇredchoz´ı lineárn´ı filtry. U tˇechto filtr˚ u jiˇz nemá v´ yznam pojem frekvenˇcn´ı charakteristika, nebot’ u nich neplat´ı princip superpozice jako u pˇredchoz´ıch filtr˚ u. Jedn´ım takov´ ym filtrem je napˇr´ıklad mediánov´ y filtr. Funguje to tak, ˇze se urˇc´ı ˇs´ıˇrka okna (poˇcet vzork˚ u) a poté se spoˇc´ıtá medián tohoto souboru hodnot. Medián se poˇc´ıtá tak, ˇze se seˇrad´ı hodnoty vzork˚ u a poté se vybere prostˇredn´ı hodnota. Pokud je poˇcet vzork˚ u sud´ y, tak se vezmou dvˇe prostˇredn´ı hodnoty a z nich se spoˇc´ıtá aritmetick´ y pr˚ umˇer. Mediánov´ y filtr odstraˇ nuje ze souboru vzork˚ u vzorky se silnˇe odliˇsn´ ymi amplitudami (ty jsou vˇzdy bud’ na zaˇcátku, nebo na konci setˇr´ıdˇeného souboru hodnot, takˇze se nevyberou). Tento filtr je velmi vhodn´ y na odstraˇ nován´ı siln´ ych y signál a nezp˚ usobuje témˇeˇr ˇzádné ruˇsiv´ ych impuls˚ u ze signálu, a pˇritom nemˇen´ı uˇziteˇcn´ ˇcasové posuvy.


40

Peak filtering 4

3.5

3

Signal [−]

2.5 Input signal Median filter 200th order FIR

2

1.5

1

0.5

0

Obrázek 8.8: Aplikace mediánového filtru pro odstranˇen´ı ruˇsiv´ ych impuls˚ u ze signálu

Realizace mediánoveho filtru v jazyce C: #define median_filter_order 10 /* Circular buffer for samples */ int median_samples[ma_filter_order]; /* Array for samples to be sorted */ int median_sorted_samples[ma_filter_order]; /* Bubble sort function */ void medianFilterBubbleSort(int* array); int medianFilter(int sample) { /* Add a new sample */ median_samples[head++] = sample; /* Wrap around */ if (head>=median_filter_order) head = 0; /* Copy samples into a new array */ for (int i =0;i<median_filter_order;i++)

ˇ ÍSLICOVE ´ FILTRY KAPITOLA 8. C { median_sorted_samples[i] = median_samples[i]; } /* Sort smples - bubble sort */ medianFilterBubbleSort(median_sorted_samples); /* If num of samples is even, return the middle*/ if (median_filter_order%2 == 1) { return median_sorted_samples[median_filter_order/2+1]; } else { /* Return average value */ return (median_sorted_samples[median_filter_order/2-1] + median_sorted_samples[median_filter_order/2])/2; } } #define FALSE 0 #define TRUE 1 void medianFilterBubbleSort(int* array) { int sorted = FALSE; while (sorted==FALSE) { sorted = TRUE; for (int i =0;i<median_filter_order-1;i++) { if (array[i]<array[i+1]) { int tmp = array[i]; array[i] = array[i+1]; array[i+1] = tmp; sorted = FALSE; } }

41


42

} }

8.6

Porovn´ an´ı filtr˚ u s filtry z prostˇ red´ı MATLAB

Abychom mohli posoudit kvalitu implementace, provedl jsem porovnán´ı odezev na skok u sv´ ych filtr˚ u s odezvami v MATLABu. U FIR filtru to vyˇslo témˇeˇr stejnˇe. Hodnoty, které dala moje implementace, jsou vˇetˇsinou o trochu niˇzˇs´ı, to je zp˚ usobeno zaokrouhlován´ım dol˚ u. IIR filtr vyˇsel o nˇeco horˇs´ı, to je zp˚ usobeno t´ım, ˇze stavové hodnoty jsou z d˚ uvodu rychlosti a u ´spory m´ısta datového typu ˇsestnáctibitov´ y integer, takˇze jsou pokaˇzdé zaokrouhlovány dol˚ u. T´ımto je zp˚ usobeno i to, ˇze ustálené zes´ılen´ı nen´ı rovno 1. FIR filter step response

Device filter Matlab

2

4

6

8

10 Dicrete time [−]

12

14

16

Obrázek 8.9: Porovn´ an´ı FIR filtr˚ u (Doln´ı propust ˇrádu 20))

18

20


Obrázek 8.10: Porovnán´ı IIR filtr˚ u (Doln´ı propust, Butterworth ˇrádu 4))

43

Kapitola 9 Z´ avˇ er Zadán´ı bylo zcela splnˇeno. Nejprve bylo nutné seznámit se v´ yvojov´ ym prostˇred´ım, moduly a programov´ ym vybaven´ım. Poté jsem naprogramoval kostru toho vybaven´ı, ke koordinátorovi jsem nejprve pˇristupoval pˇres konzoli, aby bylo ladˇen´ı jednoduˇs´ı. Dalé jsem zaimplementoval ˇc´ıslicové filtry a aˇz nakonec vytvoˇril PC aplikaci. Pˇri programován´ı programového vybaven´ı koordinátora a koncového zaˇr´ızen´ı bylo nutné upravovat jiˇz hotové zdrojové kódy (SAPI a pˇreruˇsn´ı od ˇcasovaˇce). Ladˇen´ı aplikace bylo velmi zdlouhavé, protoˇze lad´ıc´ı nástroj MSP-FET430UIF je velmi pomal´ y. Kvalitu implementace filtr˚ u jsem ovˇeˇril pomoc´ı MATLABu, pˇrechodové charakteristiky byly témˇeˇr totoˇzné. Do budoucna by ale urˇcitˇe stálo za to uvaˇzovat o jiném rádiovém modulu, nebot’ CC2420 je velmi nev´ yhodn´ y v tom, mus´ı b´ yt zcela ˇr´ızen mikroprocesorem, coˇz je velmi vytˇeˇzuj´ıc´ı a sloˇzité na implementaci, coˇz brán´ı koncovému zaˇr´ızen´ı napˇr´ıklad rychle vzorkovat nebo pouˇz´ıvat filtry vysok´ ych ˇrád˚ u. Co se t´ yˇce softwarového bal´ıku Z-stack, tak urˇcitˇe by bylo dobré pouˇz´ıvat tu nejnovˇejˇs´ı verzi, nebot’ mnou pouˇzitá obsahovala mnoho chyb. Urˇcitˇe by bylo velmi zaj´ımavé doplnit zdrojové kódy o systém pˇrepos´ılán´ı dat v pˇr´ıpadˇe vzdálen´ı koncového zaˇr´ızen´ı od koordinátora nebo pˇreruˇsen´ı pˇrenosové cesty. V takovém pˇr´ıpadˇe by se ale urˇcitˇe muselo pˇrej´ıt k ovládán´ı ZigBee pomoc´ı pˇr´ım´ ych funkc´ı a ne pomoc´ı nadstavbové knihovny SAPI. Moˇzná by se mohl jeˇstˇe hardware doplnit o nˇejak´ y skuteˇcn´ y senzor, napˇr´ıklad o teplotn´ı senzor DS18B20, tlakomˇer, vlkomˇer atd., aby práce yt doplnˇena napˇr´ıklad o p˚ usobila v´ıce u ´ˇcelovˇe. Co se t´ yˇce PC aplikace tak ta by mohla b´ grafické znázornˇen´ı pr˚ ubˇeh˚ u mˇeˇren´ ych veliˇcin s funkcemi, které maj´ı osciloskopy.

44

Zdroje Publikace ˇ ˇ ´ pr ˇ´ıklady v C sharp – aneb C# skutec ˇ ne ˇ prakticky, Josef Pirkl, Re sene ISBN: 80-7232-265-6

¨ rgen Bayer, C# 2005 - Velka ´ kniha r ˇeˇ Ju sen´ı, ISBN: 9788025116203

John Sharp, Microsoft Visual C 2005 - Krok za krokem, ISBN: 80251-1156-3

ˇedchoz´ıch znalost´ı - Pr˚ Jeff Kent, Visual C# 2005 bez pr uvodce pro samouky, ISBN: 978-80-251-1584-8

ˇehled architektury .NET Microsoft, Pr

Mario

Naval

Escart´ın,

INTRA-VEHICULAR

SENSOR

ZIGBEE

NETWORK, December 2008

Web popis CC2420, http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/cc2420.html

popis CC2430, http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/cc2430.html

45

´ ER ˇ KAPITOLA 9. ZAV

46


popis CC2480a1, http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/cc2480a1.html



Ostatn´ı ´ listy o Z-Stacku a zdrojove ´ ko ´ dy pr ˇibalene ´ k diplomove ´ pra ´ ci Katalogove ´ ci samotnou: Mario Naval Escart´ın, INTRA-VEHICULAR SENSOR a pra ZIGBEE NETWORK, December 2008

Obsah pˇ riloˇ zen´ eho CD X Projekt koordinátora X Projekt koncového zaˇr´ızen´ı X Manu´ aly k Z-Stack X Projekt PC aplikace

47

Fakulta elektrotechnick

Recommend Documents