Углубленный анализ модуля UWB650 (часть 2): освоение основных функций: настройка и использование

Эта глава представляет собой комплексное практическое руководство, систематически описывающее настройку и использование модуля UWB650 с помощью его набора AT-команд. В ней рассматриваются три основные функции: передача данных, высокоточное измерение дальности и позиционирование в реальном времени, а также приводятся понятные рабочие процедуры для инженеров с примерами команд из документации.

Интерфейс AT-команд: структура и протокол

Вся настройка и работа модуля UWB650 осуществляются с помощью последовательных AT-команд. Эти команды имеют фиксированный формат, начинающийся с префикса UWBRFATи заканчивающийся символами возврата каретки и перевода строки . Ответы модуля имеют аналогичный формат, начинающийся и заканчивающийся символом .

Во время взаимодействия с командами модуль использует внутренний таймер тайм-аута длительностью около 5 мс для определения завершения приёма последовательных данных. Соблюдение этого времени критически важно для написания стабильных и надёжных сценариев автоматизированного управления, поскольку это эффективно предотвращает ошибки анализа команд или их потерю из-за слишком быстрой отправки.

Передача данных: точка-точка, широковещательная передача и повышенная надежность

Модуль предлагает гибкие и многофункциональные возможности передачи данных, поддерживая различные режимы связи и механизмы улучшения.

Сетевая адресация и маршрутизация данных

• Идентификация устройства : каждый модуль UWB650 уникально идентифицируется в сети 16-битным идентификатором PAN (Personal Area Network ID) и 16-битным адресом. Связь возможна только между модулями с одинаковым идентификатором PAN, и все модули с одним идентификатором PAN должны иметь уникальный адрес. Эти два параметра можно настроить с помощью команды.UWBRFAT+DEVICEID=,

• Целевые данные :UWBRFAT+TXTARGET=

  Команда используется для установки адреса назначения для передачи данных. Когда

  Если указан конкретный адрес устройства, модуль будет осуществлять связь по схеме «точка-точка».

  установлено значение 0xFFFF, модуль будет передавать данные в широковещательном режиме, и все модули с тем же идентификатором PAN в сети смогут их получать.

Механизмы надежности и безопасности

• Оценка чистого канала (CCA) : Функцию CCA можно включить с помощью [ссылка UWBRFAT+CCAENABLE=1отсутствует]. При включении этой функции модуль прослушивает канал, чтобы определить, свободен ли он, перед отправкой данных. Если канал занят, модуль прерывает передачу и возвращается CCA FAILUREчерез последовательный порт. В плотно развёрнутых средах сверхширокополосных сетей (UWB) эта функция является эффективным средством предотвращения коллизий данных и повышения уровня успешности связи.

• Автоматическое подтверждение (ACK) : функцию автоматического запроса подтверждения можно включить с помощью UWBRFAT+ACKENABLE=1. При включении функции одноадресные кадры данных, отправляемые модулем, будут включать запрос ACK. После успешного получения данных принимающая сторона автоматически ответит кадром ACK. Если отправитель получает ACK в течение указанного времени, последовательный порт возвращает ACK DETECTED; если время ожидания истекло, он возвращает ACK WAIT TIMEOUT. Эта функция обеспечивает механизм подтверждения на канальном уровне для приложений, требующих надежной доставки данных.

• Шифрование данных (AES-128) : шифрование AES-128 можно включить с помощью этой команды. При включении полезная нагрузка кадра передаваемого пакета данных будет зашифрована. Следует отметить, что шифрование добавляет 16 байт дополнительной информации, поэтому максимальная длина одного пакета данных, который может передать пользователь, сокращается с 1012 до 996 байт. Это очевидный компромисс между безопасностью и пропускной способностью.UWBRFAT+SECURITY=,

Управление питанием

• Приём с помощью SNIFF (SNIFF) : для устройств с чувствительным питанием и питанием от батареи режим SNIFF можно включить с помощью UWBRFAT+SNIFFEN=1команды. В этом режиме приёмник модуля работает примерно с 50%-ным рабочим циклом (16 мкс включен, 16 мкс выключен), что значительно снижает ток приёма — примерно со 100 мА до 65 мА. Компромисс заключается в возможной потере некоторых пакетов данных. Это типичный компромисс между энергопотреблением и производительностью.

Производительность трансмиссии

Благодаря мощному 1023-байтовому буферу приёмопередатчика микросхемы DW3000, с учётом фиксированной длины кадра данных, пользователь может передать максимум 1023 - 11 = 1012 байт данных полезной нагрузки кадра в одном пакете. Поскольку беспроводной передатчик начинает передачу после получения определённого объёма данных от конечного устройства или после определённого периода ожидания без новых данных, а передача по радиоканалу также занимает время, существует определённая задержка между данными передатчика и приёмника. При одинаковых условиях эта задержка фиксирована (конкретное время определяется скоростью последовательного порта, скоростью передачи по радиоканалу и размером пакета данных).

Общее время, необходимое для передачи данных от последовательного входа отправляющей стороны до последовательного выхода принимающей стороны, указано в таблице ниже:

Высокоточное измерение дальности: внедрение измерения расстояния DS-TWR

Функция измерения дальности модуля основана на усовершенствованном методе двустороннего двустороннего измерения дальности (DS-TWR) в сочетании со схемой одностороннего двустороннего измерения дальности (SS-TWR). DS-TWR точно рассчитывает время прохождения сигнала посредством обмена тремя сообщениями между двумя устройствами. Его основное преимущество заключается в способности эффективно устранять ошибки измерения дальности, вызванные разницей частот кристаллов (т.е. дрейфом тактовой частоты) двух устройств, что обеспечивает высокоточные измерения без необходимости сложной сетевой синхронизации.

• Определение роли : В процессе ранжирования устройства классифицируются как Инициатор (ведущее устройство) или Ответчик (ведомое устройство). Инициатор активно инициирует запрос ранжирования, а Ответчик пассивно отвечает.

• Командная операция :

  • Инициатор : Инициатор начинает ранжирование одного или нескольких ответчиков, отправляя команду . Здесь — количество целевых ответчиков, а — список адресов ответчиков.UWBRFAT+RANGING=,,,...

  • Ответчик : Ответчик по умолчанию находится в режиме ответа и не требует специальной настройки. Получив запрос на определение дальности от Инициатора, он автоматически участвует в процессе определения дальности и выводит результат через последовательный порт после завершения.

• Анализ выходного формата : После того, как Инициатор завершит определение расстояния, полученный формат будет иметь вид . Если определение расстояния не удалось, значение расстояния будет равно -1.+RANGING=(),()

• Производительность : процесс измерения дальности происходит чрезвычайно быстро. В таблице ниже показано время, затрачиваемое на измерение дальности в различных режимах:

Инженеры могут точно определить время начала и окончания процесса измерения, отслеживая уровень на выводе P011 модуля.

Система определения местоположения в реальном времени (RTLS): стратегии 2D и 3D позиционирования

Модуль имеет встроенную функцию комплексного определения местоположения, поддерживающую как 2D-плоское, так и 3D-пространственное позиционирование.

• Определение роли : В системе позиционирования устройства классифицируются либо как тег (мобильная цель, местоположение которой необходимо определить), либо как якорь (неподвижная точка отсчета с известными координатами).

• Настройка якорей : первым шагом в развертывании системы позиционирования является точное задание координат якорей. Используйте эту команду для настройки положения каждого якоря в предопределенной декартовой системе координат с единицами измерения в сантиметрах. Окончательная точность всей системы позиционирования во многом зависит от точности измерения координат якорей.UWBRFAT+COORDINATE=,,

• Операция тега : тег инициирует запрос на позиционирование, отправляя команду . Команда должна включать адреса как минимум трёх якорей (для 2D-позиционирования) или как минимум четырёх якорей (для 3D-позиционирования). Модуль автоматически ранжируется по каждому якорю в списке, а затем использует встроенный алгоритм трилатерации (точнее, мультилатерации) для вычисления собственных координат (x, y, z) и выводит результат через последовательный порт.UWBRFAT+LOCATION=,,...

• State Mutex : Функциональные состояния модуля являются взаимоисключающими. Например, когда модуль выступает в роли Инициатора для активного начала определения дальности или позиционирования, он временно не сможет отвечать на запросы определения дальности от других Инициаторов. Аналогично, во время определения дальности или позиционирования включённый режим пониженного энергопотребления SNIFF будет временно отключён, чтобы обеспечить приём всех кадров ответа на запросы определения дальности. Это означает, что в системах с несколькими активными устройствами (несколькими метками или Инициаторами) на прикладном уровне должна быть разработана разумная стратегия управления доступом к среде (MAC), такая как множественный доступ с временным разделением (TDMA), для координации использования каналов и предотвращения коллизий и сбоев запросов. Сам модуль обеспечивает возможности физического уровня, но для стабильной работы на системном уровне требуется обеспечение протоколов верхнего уровня.

Углубленный анализ серии модулей UWB650

• Углубленный анализ модуля UWB650 (часть 1): введение в технологию UWB и модуль UWB650

• Углубленный анализ модуля UWB650 (часть 2): освоение основных функций: настройка и использование

• Углубленный анализ модуля UWB650 (часть 3): расширенные функции и обслуживание системы

• Углубленный анализ модуля UWB650 (часть 4): калибровка задержки антенны, рекомендации и передовой опыт развертывания модуля

• Углубленный анализ модуля UWB650 (часть 5): команды настройки