Экосистема микроконтроллеров STMicroelectronics позволяет разработчику легко подобрать подходящий компонент для широкого спектра задач умного дома – от опроса и обработки сигналов первичных сенсоров до управления панелью с графическим интерфейсом и сенсорным экраном. Инфраструктура сбора данных с разрозненных датчиков также может быть реализована как в проводном варианте (Ethernet, ModBus, CAN), так и в беспроводном (LoRa, BLE, ZigBee, Thread).
Системы и средства автоматики и автоматизации позволяют не только управлять промышленными или коммерческими процессами, но и делать их безопаснее, эффективнее, надежнее. В системе «умный дом» автоматизированы многие процессы и задачи, работающие в жилых помещениях и пространствах. По мере снижения цен на микропроцессорную технику такая концепция становится все более популярной.
Однако «умным» может быть не только дом, а любое офисное, складское или производственное помещение. Назовем это «умным пространством». Цель построения системы умного пространства – обеспечить комфорт, безопасность и энергетическую эффективность.
Сегодня человеку приходится отслеживать огромный объем разнообразной информации, его окружает множество самой различной техники, поэтому особенно важно переложить на автоматику вопросы безопасности, поскольку в силу своей занятости человек не всегда может контролировать этот аспект.
Контроль жизненного пространства также необходим и в тех случаях, когда человек не может это сделать напрямую, например, когда он спит, находится вне дома, если он еще слишком юный или пожилой.
Умное пространство можно понимать как:
- комплекс автоматики, который управляет всеми инженерными системами;
- современное единое средство для управления всеми устройствами;
- способ получать своевременную информацию о состоянии контролируемого пространства и вести протокол событий;
- способ задания и модификации сценариев работы как отдельных устройств, так и территории в целом;
- эффективную реализацию экономии и учета ресурсов;
- способ создавать индивидуальную среду для каждого, кто находится на территории.
Умные дома и умные города появляются с развитием урбанизации, ищущей компромисс между ограниченными ресурсами и стремлением повысить энергоэффективность. Умные города помогут справиться с перегрузками и энергетическими отходами, а также улучшить качество жизни. Умные дома получат благодаря интернету вещей и внедрению интеллектуальных подключенных устройств повысят энергоэффективность, безопасность и удобство.
Безусловно, создание умного пространства – задача отнюдь не тривиальная. Во многих случаях такие системы являются результатом индивидуальной разработки. Типовые решения так или иначе настаиваются либо дорабатываются на месте применения.
В состав систем умного пространства всходит достаточно большое количество подсистем, узлов, исполнительных механизмов, разнообразных датчиков. С точки зрения логистики, организации закупок, а также для упрощения процессов разработки и сопровождения систем для умных пространств логично применять, по возможности, компоненты одного-двух производителей. На данный момент это особенно актуально для программируемых устройств, поскольку очень сложно помнить все нюансы разных встраиваемых операционных систем, особенности реализации работы с сетевыми протоколами, логику обработки событий или нештатных ситуаций.
Компоненты STMicroelectronics позволяют реализовать практически весь необходимый функционал, поэтому их применение в умном пространстве ограничено только фантазией разработчиков. Компания ST выпускает все необходимые компоненты для реализации умного пространства на жилой и коммерческой территории. Компоненты STMicroelectronics сделают его более эффективным, удобным и безопасным благодаря экосистеме модульных аппаратных и программных решений и спектру продуктов, включающему в себя датчики и исполнительные механизмы, микроконтроллеры, силовые и аналоговые компоненты. Все компоненты разрабатываются с учетом возможности их встраивания в экосистему ST.
STMicroelectronics позиционирует себя как компания, чья роль в развитии умного дома и города состоит в том, чтобы обеспечить технологические строительные блоки и поддержку создателей новых устройств, будь то эволюция существующих или создание нового оборудования, которое принесет больше комфорта, удобства, безопасности или развлечений в нашу жизнь.
С чего начинается проектирование
Умное пространство включает в себя множество решений, часть из них проектируется индивидуально. Давайте рассмотрим основные принципы проектирования, а также ознакомимся с решениями, которые используются в каждом умном пространстве.
Важно иметь в виду, что основная цель организации умного пространства – не создать единый пульт от всех устройств и монитор для отображения датчиков, а свести к минимуму участие человека в управлении устройствами, обезопасив человека и систему от ошибочных действий и внештатных ситуаций.
Для этого необходимо:
- разделить пространство на отдельные зоны (они могут быть как физическими, так и логическими), для каждой из зон определить возможные варианты работы, реакции на события, взаимодействие с другими зонами, расписание работы, в зависимости от времени суток, года и так далее;
- выделить уровни и иерархию управления;
- определить системы, общие для всего пространства.
Для исполнительных устройств и устройств управления прописываются сценарии, в которых можно определить их действия, в зависимости от информации с датчиков, команд пользователя и текущего расписания. Сценарии можно комбинировать, что позволяет реализовать взаимосвязанное поведение различной домашней автоматики.
Системы управления умным пространством могут быть централизованными, распределенными, возможны их комбинации. В каждом конкретном случае многое зависит от технических требований к системе, стоимости внедрения, объема обрабатываемых данных.
Несмотря на многообразие возможных задач и сценариев работы, можно выделить типовой набор наиболее часто встречающихся задач/функций, которые можно в той или иной степени отнести к любому автоматизируемому пространству целиком или к его зонам/секторам, это:
- Пожарно-охранная сигнализация:
- обнаружение возгораний, задымления;
- обнаружение движения, открытия дверей, окон;
- фиксация событий, видеонаблюдение
- Контроль периметра:
- отслеживание состояния;
- автоматическое открытие/закрытие дверей и окон, блокировка доступа к дверям, воротам, рольставням;
- доступ к домофону или системе управления доступом.
- Обнаружение и/или предупреждение аварий:
- обнаружение утечек воды, газа, прекращения подачи электричества;
- мониторинг работы систем подачи воды, системы отопления.
- Управление климатом:
- мониторинг и управление системами вентиляции, кондиционирования, отопления;
- перевод отопления в экономичный режим при отсутствии жильцов.
- Управление освещением:
- плавная регулировка света;
- включение/выключение осветительных приборов по расписанию, настройка зон освещения, выключение света в помещениях без людей;
- управление жалюзи.
- Мониторинг людей:
- обнаружение присутствия;
- мониторинг состояния;
- контроль качества воздуха, управление вентиляцией.
- Энергоснабжение:
- защита от перегрузок в энергосети;
- отслеживание просадок сетевого напряжения;
- управление подключенной нагрузкой;
- отключение потребляющих электроприборов, выключение забытого освещения.
- Мультимедиа:
- управление мультимедийной системой;
- управление бытовой техникой.
- Учет потребления:
- система учета газо- и водоснабжения;
- фиксирование расхода электроэнергии.
Проектирование начинается с выбора и анализа стоящих перед системой задач, определения территориального охвата, выбора способов управления. Также выбираются протоколы и стандарты связи, датчики и исполнительные устройства.
Протоколы и стандарты связи
При развертывании систем, входящих в умное пространство, чаще всего приходится задействовать несколько сетевых технологий и протоколов обмена данными – как проприетарных, так и стандартных.
Проприетарные протоколы позволяют максимально эффективно решать задачи, возложенные на сеть, но в ряде случаев стоимость их разработки с нуля может быть достаточно высокой.
Стандартизованные протоколы упрощают интеграцию различных устройств в единую систему, позволяют наращивать функционал. Однако для сетей различного назначения могут быть оптимальны совершенно разные протоколы.
Ассортимент беспроводных микроконтроллеров производства STMicroelectronics и программная экосистема позволяют разрабатывать сетевые решения любого типа – они поддерживают наиболее популярные стандартные протоколы ZigBee, Thread, Bluetooth (v4.2, v5). Также доступен инструментарий и для ускорения разработки проприетарных протоколов. Разработчики могут задействовать и субгигаерцевый диапазон, и диапазон 2,4 ГГц.
Аппаратной базой ST для субгигагерцевого диапазона служат:
- трансиверы серии S2-LP;
- однокристальные беспроводные контроллеры STM32WL55.
В диапазоне 2,4 ГГц предлагаются:
- однокристальные микроконтроллеры семейства BlueNRG-LP;
- мультипротокольные беспроводные системы-на-кристалле STM32WB55.
Трансивер S2-LP
S2-LP – это высокопроизводительный радиочастотный приемопередатчик сверхмалой мощности, предназначенный для радиочастотных беспроводных приложений в диапазоне менее 1 ГГц. Он работает и в безлицензионных полосах частот (ISM), и в качестве SRD на частотах 433, 512, 868 и 920 МГц (для РФ актуальны полосы 433 и 868 МГц), а также может быть запрограммирован на работу на других дополнительных частотах в диапазонах 413…479 МГц, 452…527 МГц, 826…958 МГц, 904…1055 МГц.
S2-LP поддерживает различные схемы модуляции: 2(G)FSK, 4(G)FSK, OOK и ASK. Скорость передачи данных, в зависимости от настроек, составляет 0,1…500 кбит/с. S2-LP может использоваться в узкополосных системах связи с расстоянием между каналами до 1 кГц. Максимальный бюджет канала составляет порядка 140 дБ, что позволяет уверенно работать на дальних дистанциях, а также в условиях наличия препятствий, что характерно для помещений, прилегающих территорий и прочего.
В состав S2-LP входит конфигурируемый модем с фирменным полностью программируемым форматом пакетов, но поддерживающим также:
- пакеты стандарта IEEE 802.15.4 g с аппаратным whitening, CRC, FEC и обнаружение слов двойной синхронизации;
- стандарт Wireless M-Bus.
Для снижения общего энергопотребления системы и повышения надежности связи S2-LP обеспечивает встроенное программируемое автоматическое подтверждение пакетов, автоматическую повторную передачу пакетов, механизм CSMA/CA, режим прослушивания по приему (RX sniff mode), аппаратный таймаут в протоколах. Приемопередатчик полностью поддерживает разнесение антенн с помощью встроенного алгоритма управления их коммутацией. Переданные/принятые байты данных буферизуются в двух 128-байтовых FIFO (по отдельному буферу на прием и на передачу – TX FIFO, RX FIFO), доступных для хост-процессора через SPI-интерфейс.
Микроконтроллер BlueNRG-LP
BlueNRG-LP- однокристальное решение для диапазона 2,4 ГГц, содержащее ультрасовременное радиочастотное радио STMicroelectronics с частотой 2,4 ГГц и сочетающее в себе непревзойденную производительность с малым энергопотреблением. BlueNRG-LP поддерживает стандарт BLE версии 5.2, включая организацию MESH-сетей. Кроме того, он позволяет реализовывать проприетарные протоколы связи для диапазона 2,4 ГГц.
BlueNRG-LP включает в себя высокопроизводительное ядро ARM Cortex®-M0+ с рабочей частотой до 64 МГц, а также сопроцессор BlueNRG core (на базе DMA) для реализации протокола BLE.
Что также важно для систем автоматизации, BlueNRG-LP обеспечивает расширенную аппаратную поддержку функций безопасности с помощью специализированных аппаратных блоков, таких как:
- истинный генератор случайных чисел (RNG);
- блок аппаратного шифрования AES (128 бит);
- ускоритель открытых ключей (PKA);
- блок вычисления контрольной суммы CRC;
- 64-битный уникальный идентификатор;
- защита чтения и записи Flash-памяти.
BlueNRG-LP может быть сконфигурирован для работы в автономном режиме или служить в качестве сетевого сопроцессора.
Прямая передача данных между памятью и периферийными устройствами и из памяти в память поддерживается восемью каналами DMA и гибкими настройками коммутатора каналов DMA – DMAMUX. Все это делает работу с периферийными устройствами, внешними датчиками и системами весьма эффективной.
Для взаимодействия с аналоговыми сигналами BlueNRG-LP имеет 12-битный АЦП, позволяющий измерять до восьми внешних и до трех внутренних источников сигнала, включая мониторинг батареи и датчик температуры.
BlueNRG-LP имеет стандартные и расширенные коммуникационные интерфейсы:
- 1x SPI;
- 2x SPI/I2S;
- 1x LPUART;
- 1x USART с поддержкой ISO 7816 (smartcard mode), IrDA и Modbus;
- 2x I2C с поддержкой SMBus/PMBus;
- 1x channel PDM.
В качестве программной поддержки STMicroelectronics предлагает STSW-BNRG-Mesh pack – первый пакет программного обеспечения, позволяющий разработчикам создавать решения Bluetooth Mesh, представляющие собой сети BLE ячеистой топологии (в дополнение к топологиям «звезда» или «точка-точка»). Он работает в сочетании с приложениями BlueNRG-Mesh для iOS и Android.
STSW-BNRG-Mesh pack поставляется в виде исполняемого файла с мастером-установщиком. Пакет включает в себя библиотеки, исходный код и демонстрационные приложения для помощи разработчикам. Программный пакет также примечателен тем, что оптимизирован для работы на устройствах с малым энергопотреблением и ограниченными ресурсами памяти. Наличие оптимизированного стека означает, что приложения работают быстрее, а системы потребляют меньше энергии. Важным аспектом STSW-BNRG-Mesh является полностью стандартизированная и совместимая реализация (рисунок 1).
Рис. 1. STSW-BNRG-Mesh pack – ПО для создания Bluetooth Mesh
Доступные отладочные средства:
- STEVAL-IDB009V1 с BlueNRG–2 SoC;
- STEVAL-IDB008V2 с BlueNRG-2 SoC;
- STEVAL-IDB007V2 на базе BlueNRG-1;
- NUCLEO-L152RE с платой расширения X-NUCLEO-IDB05A2 (включает в себя модуль BlueNRG-M0 на базе BlueNRG-MS).
Стек STSW-BNRGLP-Mesh поддерживает новейшее семейство BlueNRG-LP и протестирован на отладочной плате STEVAL-IDB011V1 с чипом BlueNRG-LP.
BlueNRG-Mesh поставляется с предварительно скомпилированными двоичными файлами, поэтому запуск демонстрационного приложения – это простое перемещение файла в виртуальный том платы, что значительно упрощает этап прототипирования. Благодаря этому разработчик может быстро оценить реальную работу микросхемы и приступить к созданию своих собственных решений на основе многочисленных примеров кода.
Беспроводной приемопередатчик STM32WB55
Все чаще производители электронных компонентов предлагают универсальные решения для беспроводных сетей, позволяющие на одной и той же аппаратной платформе запускать протоколы ZigBee, Thread или Bluetooth. Одним из таких решений является серия беспроводных микроконтроллеров STM32WB55.
STM32WB55 – мультипротокольный двухъядерный беспроводной микроконтроллер, поддерживающий стандарты Bluetooth™5, IEEE 802.15.4, ZigBee, Thread. В составе STM32WB55 два 32-разрядных процессорных ядра архитектуры ARM:
- ядро ARM Cortex-M4 (тактовая частота 64 МГц) – процессор приложений, на котором исполняются верхние уровни сетевых протоколов и прикладные задачи;
- ядро ARM Cortex-M0+ (32 МГц) для управления радиотрактом и выполнения нижних уровней сетевых стеков протоколов.
Zigbee – хорошо зарекомендовавший себя стандартизированный протокол беспроводных сетей на основе стандарта IEEE 802.15.4, используемый для создания сетей так называемой беспроводной личной зоны (WPAN). Его цель — обеспечить простой сетевой уровень и стандартные профили приложений, которые можно использовать для создания совместимых решений с малым энергопотреблением. Особенностью данного стека протоколов является наличие проработанных и прописанных в стандарте профилей устройств, а также разбитых на функциональные кластеры атрибутов и наборов команд, характеризующих устройство сети ZigBee (на данный момент таких кластеров почти 50).
STM32WB55 успешно поддерживает существующие 47 функциональных кластеров, они доступны в программном обеспечении промежуточного уровня STM32_WPAN (в реализации STMicroelectronics он является общим для стеков BLE и Thread). При необходимости возможно создание собственного специализированного кластера.
Стандарт Bluetooth, особенно в версиях 4 и 5 (Bluetooth Low Energy, BLE) интересен тем, что также позволяет создавать сети устройств с малым энергопотреблением, в том числе и сети ячеистой топологии (в версии 5 и выше). Привлекательность данной технологии сетей состоит в относительно легкой ее интеграции с пользовательскими устройствами. На текущий момент практически все современный смартфоны и ноутбуки имеют поддержку стандарта BLE, соответственно, отображение сетевой информации или взаимодействие пользователя с сетевыми устройствами может осуществляться через уже находящиеся у пользователя гаджеты.
СнК STM32WL
STM32WB является отличным решением для передачи данных на расстояние до 100 метров, однако бывают случаи, когда необходима гораздо большая дистанция.
Для выхода из данной ситуации можно перейти на субгигагерцевый диапазон, связь в котором менее подвержена влиянию препятствий. Одним из последних решений STMicroelectronics является система-на-кристалле STM32WL – микроконтроллер STM32L4 и универсальный трансивер (использовано IP-ядро Semtech SX126x с собственными доработками ST), поддерживающий практически все наиболее используемые модуляции диапазона – LoRa, (G)FSK, (G)MSK и BPSK.
STM32WL как поддерживает популярный стек протоколов LoRaWAN, так и может работать в сетях SigFox.
Дополняя портфель радиочастотных решений, система STM32WL интегрирует на одном кристалле как микроконтроллер общего назначения, так и радиомодем на диапазон частот ниже 1 ГГц.
Серия STM32WL, разработанная с использованием той же технологии, что и микроконтроллеры STM32L4 со сверхмалым энергопотреблением, обеспечивает такую же цифровую и аналоговую периферию для базовых или сложных приложений, требующих длительного времени автономной работы.
STM32WLE5 включает в себя широкий спектр коммуникационных функций, включая до 43 линий ввода-вывода (GPIO), встроенный модуль управления питанием (SMPS) для оптимизации энергопотребления, работает в нескольких режимах с малым энергопотреблением для максимального срока службы батареи.
В дополнение к вышеперечисленному, микроконтроллеры STM32WLE имеют встроенные функции аппаратного обеспечения безопасности, такие как 128/256-битное аппаратное шифрование AES, защита от чтения/записи PCROP, поддержку криптографии с открытым ключом с механизмом шифрования эллиптической кривой.
В целом вся серия STM32WLE является флагманом семейства STM32 в области беспроводной связи субгигагерцевого диапазона и обеспечивает простоту использования и надежность, идеально вписываясь в широкий спектр промышленных и потребительских приложений.
Центр управления умным пространством
При любом варианте логической организации системы управления умным пространством управляющие модули системы должны обладать целым рядом качеств, таких как:
- высокая производительность, поскольку подконтрольных подсистем довольно много и также следует учесть как возможные расширения функциональности, так и рост количества подключенных устройств;
- высокая энергоэффективность, так как не стоит забывать о возможности работы от автономных источников питания в случае нештатных ситуаций с пропаданием сетевого питания 220 В;
- наличие относительно большого количества периферии для подключения к дисплею, внешним интерфейсам и многочисленным подсистемам
В качестве управляющих контроллеров секторов/зон умного пространства можно, как вариант, рассматривать микроконтроллеры серии STM32H7.
Данная серия является одними из лидеров среди микроконтроллеров в соотношении «производительность/память/энергопотребление/цена». На данный момент STM32H7 является наиболее мощным представителем семейства 32-разрядных микроконтроллеров STM32 на базе ядер ARM Cortex-M, предлагаемых STMicroelectronics.
Данные микроконтроллеры могут работать на частотах до 480 МГц с производительностью более 1000 DMIPS, что делает их одними из самых быстрых и мощных микроконтроллеров, доступных в настоящее время на рынке. STM32H7 занимает ведущее положение среди высокопроизводительных контроллеров. Серия включает одно- и двухъядерные микроконтроллеры (ядро Cortex-M7 на 480 МГц и дополнительное ядро Cortex M4 на 240 МГц).
Высокая производительность позволяет решать задачи обработки сигналов, эффективно работать с несколькими задачами управления и контроля. Богатая периферия, включая в себя высокоскоростные интерфейсы, позволяет подключать контроллер к локальной сети здания/территории и взаимодействовать с датчиками и контроллерами отдельных подсистем.
Относительно большой объем оперативной памяти позволяет применять STM32H7 в системах с графическим интерфейсом для отображения состояния подсистем умного пространства и организации пользовательского интерфейса.
Отладочные платы STM32H745I-DISCO и NUCLEO-H745ZI-Q позволяют оценить применимость контроллеров для задач управления, включая графический интерфейс, а в ряде простых случаев они могут быть использованы и напрямую в проектах умных пространств. В совокупности с широким ассортиментом плат расширения X-NUCLEO-xx, разработчик имеет возможность пробовать решения с беспроводными интерфейсами (в частности — BLE), а также с различными исполнительными устройствами и вариантами подключения датчиков.
Для реализации контроллеров непосредственно датчиков или исполнительных устройств можно использовать малопотребляющие серии STM32L5 и STM32G0.
Так, в серии STM32L5 предпринята попытка достичь оптимального баланса между производительностью, энергопотреблением и безопасностью. Серия основывается на новом ядре ARM Cortex-M33 (по оценкам результатов тестирования оно на 20% производительнее Cortex-M4). Производительность STM32L5 достигает уровня 443 CoreMark при объемах памяти до 512 кбайт Flash-памяти (Dual Bank) и 256 кбайт оперативной памяти. В дополнение к этому, встроенный ускоритель ST ART Accelerator обладает интегрированной функцией поддержки внешней памяти.
Микроконтроллеры STM32L5 разрабатывались для применения в широком спектре приложений, таких как IoT-устройства, расходомеры, умные часы, промышленные датчики, устройства автоматизации с батарейным питанием.
Вне зависимости от области применения, приложения, построенные на базе STM32L5, получат определенные преимущества перед конкурирующими решениями, в частности, благодаря богатому набору интерфейсов: USB Type-С, 3x LPTIM, LPUART, 2x LP Comp, 12-битному АЦП 5 MSPS, CAN-FD. STM32L5 обладает одним из лучших в классе соотношением производительности и энергопотребления, а также имеет дополнительные средства защиты, которые обеспечивают еще большую надежность системы, а значит и сохранность защищаемого объекта.
STроим вмеSTе
Широкая линейка компонентов производства STMicroelectronics позволяет построить системы типа «умное пространство» с меньшими затратами времени средств, чем при использовании компонентов от разных производителей. Номенклатура ST позволяет создать основу системы, к работе которой можно легко добавлять новый функционал.
Более подробно об отдельных направлениях для проектирования, а также об аналоговых и цифровых компонентах для построения датчиков и подсистем, используемых для организации умного пространства, мы расскажем в последующих материалах.
Литература
- Ultra-low power, high performance, sub-1GHz transceiver
- Making Bluetooth mesh Easy, Scalable, And User Friendly
- STM32WLE5 – LoRa Alliance®
